V SSD se prosadily paměti QLC, ale pořád tvoří menšinu modelů a TLC zůstává (lepším) standardem. Zvyšování kapacity pomocí vícebitového záznamu v jedné buňce se tím zdá se vyčerpalo a PLC NAND (s 5 bity na buňku) se dosud neobjevila. Možná ale v budoucnu nastoupí nový přístup s tzv. Multi-Site Cell uspořádáním. Hynix teď tuto technologii představil na čipech, které mají dosáhnout kapacity PLN NAND, aniž by měly její nevýhody.
Multi-Site Cell místo vícebitového škálování NAND?
Problém s přidáváním kapacity pomocí kódování více bitů v jedné buňce je, že tento princip rychle přestává „škálovat“. Je to z principu fungování – NAND ukládá data pomocí napětí, zafixovaného (i když ne úplně trvale a stabilně) v buňce. Aby se dal uložit více než jeden bit, je třeba, aby buňka rozlišovala více úrovní napětí než jen stavy 1 a 0. Jenže počet nutných stavů roste kvadraticky a kapacita ani ne lineárně.
Zatímco paměti MLC uložily dva bity pomocí čtyř úrovní napětí, TLC potřebuje na tři bity osm úrovní a QLC na čtyři bity už 16. PLC NAND by na jeden další bit (+ 25 % kapacity) potřebovala 32 úrovní napětí – protože hodnoty napětí musí rozlišit všechny možné kombinace hodnot, kterých může dosáhnout pětimístné binární číslo (00000, 00001, 00010 a tak dále).
Současný výzkum ukazuje, že 32 různých hodnot napětí je již příliš těžké udržet v buňce stabilně a poté je spolehlivě přečíst. Mělo by to samozřejmě také další negativní dopad na výkon (čím více úrovní, tím déle trvá programování buňky) a na výdrž (čím vyšší jsou nároky na přesnost uložení a čtení hodnoty napětí, tím méně přepisovacích cyklů NAND vydrží, než se stane nespolehlivou). Proto to zatím nevypadá na to, že by konvenční PLC NAND v dohledné době byla realizovatelná.
Hynix navrhuje alternativní způsob, jak zlepšit množství dat, které lze uložit do jedné buňky. Tzv. MSC NAND používá „Multi-Site“ buňku, což znamená, že buňka je rozdělená na více sekcí – v aktuálním návrhu na dvě. V běžném návrhu 3D NAND má buňka půdorys prstence, což Hynix využil a rozdělil ji vytvořením dvou „přepážky“ v struktuře buňky. Ta je současně trochu zmáčknutá do elipsy, takže po rozdělení dostanete cosi jako dva půlměsíce. Ty pak MSC NAND využívá jako samostatné sekce pro uložení napětí a tím zapsaných dat. Není to samozřejmě bez komplikací (jinak by se takto NAND dělala už dávno) a samozřejmě se tím struktura a výroba zkomplikují, obě sekce buňky potřebují například své vodiče (bitlines).
MSC NAND používá rozdělení eliptické buňky do dvou samostatných sekcí
Návrh MSC NAND používá obě buňky pro samostatné uložení šesti hodnot napětí, což je někde mezi náročností MLC a TLC NAND. Šest úrovní se nehodí k uložení bitů přímo, ale řadič SSD či logika v čipu NAND pracuje s oběma šestiúrovňovými hodnotami současně tak, že je mezi sebou vynásobí (či aplikuje tabulku), čímž získá 36 různých hodnot. A na ty je možné namapovat 32 různých hodnot pětibitové sekvence binárních dat s tím, že čtyři z možných kombinací napětí v obou sekcích nejsou využité (v budoucnu by se teoreticky dalo těchto hodnot navíc využít pro ECC). Výsledkem tedy je, že z buňky MSC NAND vyleze tolik dat (5 bitů), co z buňky PLC NAND, byť je to za cenu větší komplexity.
Struktura MSC NAND
Protože zápis do jednotlivých sekcí je někde na úrovni náročnosti mezi MLC a TLC, měl by výkon programování být mnohem lepší než u PLC a nejspíš i lepší než u QLC NAND. A doufejme by to mělo platit i o výdrži (životnosti) dat v přepisování, což je hlavní negativum vícebitových pamětí NAND. Pokud by tedy výrobci NAND přešli na tento druh buněk, dalo by se z plochy jedné vrstvy NAND dostat více užitečného úložného místa. Dnešní čipy používají princip 3D NAND, a jejich kapacitu lze tak navyšovat i přidáváním dalších vrstev, ale i to má svou cenu a možná i své limity. V praxi se oba postupy zvyšování kapacity doplňují, takže obojí je užitečné.
Proč MSC?
Asi vás napadlo, proč je tento postup rozdělení buněk na dvojí sekce využitý oním MSC principem a proč prostě obě sekce nejsou samostatná buňka. Pokud by každá sekce měla osm úrovní napětí, dokázaly by samostatně uložit tři bity a vznikla by tak TLC NAND o dvojnásobné kapacitě (proti čipu s nerozdělenou buňkou). Pravděpodobně je to proto, že ono zmenšení buňky má také samo o sobě dopad na její spolehlivost. To, že MSC NAND ukládá jen šest hodnot napětí místo nabízejících se osmi, je možná právě kvůli snížené spolehlivosti oněch rozdělených sekcí.
Postup výroby rozdělených sekcí buňky u MSC-NAND
Daní za vyšší kapacitu MSC NAND tohoto provedení je tak možná kratší délka udržení dat a také snížení životnosti (proti TLC NAND, možná ale už ne ve srovnání s QLC). Také je možné, že z tohoto důvodu musela být výchozí buňka, která se rozděluje, sama vyrobena větší, což trochu ubírá z výhod této inovace (je tedy nutné nejdřív hustotu záznamu o něco snížit, než je možné buňku rozdělit).
Je pravděpodobné, že kombinace šesti hodnot napětí na jednu sekci je kompromis, který umožnil inženýrům Hynixu dosáhnout zvýšení kapacity a hustoty záznamu proti čipům QLC a současně zachovat spolehlivost na stejné nebo lepší úrovni. Firma prezentovala už v dávnější minulosti (v roce 2022) i koncept, kdy obě sekce ukládají „TLC“ stylem osm hodnot napětí, což jejich vynásobením dává 64 možných hodnot už bez redundance – což by simulovalo HLC NAND, tedy čip se 6 bity na jednu buňku. To se asi ještě spolehlivě realizovat nepovedlo. MSC NAND s 36 hodnotami simulující záznam PLC, kterou už teď Hynix prezentoval a podle všeho ji má laboratorně vyvinutou, je patrně kompromisem a mezistupněm na cestě k tomuto cíli.
Hypotetická MSC NAND ekvivalentní HLC NAND
Nakonec se možná tento vývoj technologie stočí k tomu, že se budou obě sekce buňky používat zcela samostatně v režimu TLC nebo QLC a místo MSC principu tedy pouze dojde ke změně půdorysu buněk. Toto asi bude záviset na tom, jaká struktura čipu NAND bude inženýrům vycházet jako optimální z hledisek hustoty záznamu, spolehlivosti a složitosti (ceny) výroby. Každopádně to ukazuje, že na evoluci pamětí NAND se dál pracuje a – až se přežene současná krize – se snad vrátíme k tomu, že se bude kapacita SSD, kterou za určitý peníz dostanete, postupně časem zlepšovat.
Hypotetická HLC NAND by musela rozlišovat 64 úrovní napětí, což by pravděpodobně nebylo spolehlivé
4D NAND 2.0?
Hynix tento návrh MSC NAND (ve formě se záznamem 2 × 6 úrovní napětí simulující PLC NAND) prezentoval na konferenci IEEE IEDM 2025 v prosinci. Firma vedle označení MSC také pro tuto budoucí technologii použila označení 4D NAND 2.0 (firma už dříve použila označení 4D NAND pro svůj design 3D NAND s logickými obvody přesunutými do zvláštní separátní vrstvy s technologií „Oeriphery Under Cell“). Možná tedy nakonec při vydání uslyšíme tento termín.
Kdy se ale čipy založené na principu MSC NAND (4D NAND 2.0) reálně objeví na trhu, zatím nikde řečeno není. Převod konceptu z laboratorních vzorků do reálné masové výroby asi bude záležitostí několika let. A nelze vyloučit, že se třeba v masových podmínkách koncept nakonec neosvědčí kvůli příliš velké náročnosti nebo chybovosti výroby.
Zdroje: Hynix (1, 2), Blocks and Files, SemiAnalysis
ČLÁNKY DO MAILU