Micron e il futuro delle memorie NAND 3D e degli SSD

Lo sviluppo delle memorie è un campo di ricerca molto importante, che porterà nei prossimi anni a un progressivo abbandono dei dischi meccanici in favore di quelli allo stato solido, sempre più capienti ed economici.

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Daniele Vergara Daniele Vergara viene alla vita con un chip Intel 486 impiantato nel cervello, a mo' di coprocessore. E' più che entusiasta di tutto ciò che riguarda la tecnologia intera e i videogames, con un occhio di riguardo verso l'hardware PC e l'overclocking. D'inverno ama snowboardare, macinando km e km di piste. Lo trovate su Facebook, Twitter e Google+.

Il progresso tecnologico in merito alle memorie NAND ha sempre visto svariati tentativi di inserire più celle possibile in uno spazio ben definito, adoperando processi di ridimensionamento grazie alle ultime tecniche produttive. Rendendo ogni cella più piccola aumenta chiaramente la densità, ma attualmente sono presenti dei limiti che hanno rallentato il cosiddetto shrinking. L'industria però ne sa sempre una più del diavolo, ed è per questo che è ricorsa alle memorie 3D in sostituzione di quelle planari. Proprio come i grattacieli della Grande Mela, i blocchi di memoria vengono impilati verticalmente piuttosto che esclusivamente su un unico livello, e questo fa aumentare vertiginosamente la capacità disponibile. Infatti, quando Micron annunciò la prima generazione di memorie NAND 3D, essa affermò che queste avrebbero potuto far aumentare lo spazio degli SSD da 2,5 pollici sino a più di 10 TB, e dei solid state drive M.2 fino a 3.5 TB. Dobbiamo fidarci delle parole dell'azienda americana?

Generalità delle 3D NAND

Micron ha mostrato i primi esemplari della nuova tecnologia allo scorso Consumer Electronics Show di Las Vegas, e da quel momento è stata perfezionata ed ulteriormente raffinata. L'intera industria ha spostato il focus proprio sui moduli 3D, che rappresentano senza dubbio il futuro delle unità di storage. Una delle prime società a metterle in campo è stata però Samsung, che con le sue V-NAND(Vertical-NAND) degli ultimi SSD EVO e PRO ha dimostrato le performance dei nuovi moduli. Micron ha scelto invece di andare più lentamente e di studiare maggiormente la situazione prima di procedere al rilascio sul mercato, ma Samsung rappresenta in ogni modo un avversario molto temibile.
Le 3D NAND della casa statunitense saranno costituite da die da 256 Gb con celle multi-livello (MLC) o con die da 384 Gb ma celle a tre strati (TLC). I die stessi saranno però divisi in quattro diversi livelli, a differenza della vecchia generazione, in cui essi erano solo due. Grazie a questa scelta si conserva il parallelismo e le prestazioni non decadono rispetto alle NAND planari. Micron è riuscita ad impilare quattro layer nei die senza gravare sui costi o sulle dimensioni; essa ha infatti spostato gran parte della circuiteria di controllo CMOS dalla zona laterale a quella sottostante gli array di memoria veri e propri. L'azienda ha chiamato questo design CMOS Under The Array, e grazie a questo il 75% della logica viene posta nell'area più bassa. Tale circuiteria contiene i selettori di riga e di colonna (multiplexer e decoder), dirige i segnali elettrici che indirizzano un determinato dato in una specifica cella e tanto altro. Di conseguenza, notiamo che sostanzialmente la circuiteria elettronica non è cambiata rispetto alla NAND planari. I produttori hanno solo l'obbligo di instaurare meccanismi dotati di una leggera ma maggiore complessità aritmetica, dovuta alle interconnessioni verticali fra le celle di una stessa pila. Non c'è solo bisogno di selezionare riga e colonna quindi, ma sorge la necessità di un passo aggiuntivo: quello di scegliere anche il livello.

Architettura del progetto

Le pagine delle memorie 3D di Micron saranno grandi 16 kB, ma i processori moderni lavorano oggigiorno con operazioni su blocchi da 4 kB. E' per tale motivo che l'azienda ha previsto letture e scritture da 4 kB più veloci ed efficienti, poiché in tal caso viene usata solo una porzione della potenza richiesta su una page da 16 kB. L'Erase Block Size (EBS) sarà invece grande 16 MB per i modelli MLC e 24 MB per le versioni TLC. La maggior grandezza dell'EBS non influisce però direttamente sulle prestazioni, ma è fondamentale per risparmiare energia. Ogni volta che dei dati devono essere cancellati il controller dell'SSD deve fornire un determinato voltaggio ai moduli, ed è più conveniente sprecare meno volte energia per cancellare blocchi di informazione più larghi.
Per quanto riguarda le fattezze delle singole celle sappiamo ancora poco, ma probabilmente si rimarrà con i transistor a gate flottante piuttosto che rivolgersi alla Charge Trap Flash (CTF). Per chi non lo sapesse, questa tecnologia è di concezione più nuova e differisce dai semiconduttori con floating gate per il fatto che essi usano uno strato di nitruro di silicio per intrappolare la carica, piuttosto che un doppio gate. Intraprendere la strada della CTF potrebbe portare a sostanziose spese extra, dovute soprattutto al fatto che essa non è ancora stata studiata così a lungo da prendere decisioni architetturali precise e conosciute. L'azienda dovrebbe di conseguenza investire in ricerca e sperimentazioni, ed è proprio per questo che, con tutta probabilità, Micron resterà fedele ai MOSFET con gate flottante. L'integrità dei dati sarà garantita da meccanismi di Error Correcting Code (ECC); nello specifico, la società si avvarrà dell'LPDC (Low Density Parity Check), più efficiente rispetto ai classici algoritmi ECC. Esso va ad effettuare il refresh dell'informazione (necessario altrimenti i dati vengono persi) più frequentemente dei classici metodi, sfruttando dei canali di trasmissione che normalmente sono impiegati per gestire il rumore.

Benefici e piani per il futuro

Le NAND 3D possono spostare la stessa quantità di dati impiegando il 30% dell'energia in meno delle memorie planari, grazie soprattutto all'EBS più ampio. Di tale caratteristica potranno beneficiare prima di tutto i notebook e i dispositivi mobili in generale. In secondo luogo, potremo avere drive di grande capacità (come 2 TB) senza un prezzo troppo elevato, e perlopiù con un ciclo di vita più duraturo. I primi solid state drive con i nuovi moduli di memoria verranno prodotti dapprima per il settore consumer, con i modelli enterprise che arriveranno solo in un secondo momento. Gli sviluppi sulla versione MLC sono in uno stato un po' più avanzato, quindi è probabile che esse faranno il loro ingresso sul mercato in anticipo rispetto agli SSD TLC. Saranno questi ultimi però a divenire più popolari e, una volta messi in produzione, Micron aumenterà i chip prodotti sino a sorpassare quelli MLC. La società sta rilasciando proprio in questi giorni i primi sample alle aziende, con disponibilità effettiva prevista per giugno.
Micron ha poi tenuto una conferenza in cui ha discusso dei suoi piani per il futuro, compreso il successore delle 3D NAND. Esso fornirà una capacità ancora maggiore, con die ipoteticamente da 768 Gb nel caso di memorie TLC e da 512 Gb con moduli MLC. Le celle di memoria verranno così quasi raddoppiate, incrementando anche il numero dei livelli. Possibile anche che Micron preveda di passare ai transistor con charge-trap, ma attualmente le informazioni sono poche. Pare però che le ricerche stiano già avvenendo e che saranno messe in produzione "blanda" già questa estate negli impianti di Singapore, con i volumi che potrebbero essere incrementati durante il periodo di fine anno. Si prevede che la seconda generazione di memorie 3D di Micron sarà il 30% più economica grazie al minor costo per gigabyte, portando gli SSD a diventare lo standard per lo stoccaggio dei dati.

Micron Micron ha lavorato a stretto contatto con Silicon Motion e con PMC Sierra, rispettivamente per il settore consumer ed enterprise. La società sta collaborando anche con Intel per le memorie 3D XPoint, è non è difficile che un buffer formato da moduli XPoint possa accompagnare gli SSD TLC più lenti. Nessun prodotto specifico è stato ancora annunciato, ma è probabile che vedremo i primi drive consumer entro fine 2016, con capacità da 2 TB e form factor da 2,5 pollici, da 1 TB invece per i drive con interfaccia M.2 e PCB single-sided. Nei primi mesi del 2017 dovrebbe toccare agli esemplari per il mercato enterprise, le cui capienze potrebbero andare anche oltre gli 8 TB, portando così sul mercato SSD sempre più capienti ed economici.