Toshiba : QLC-Flash und Die-Stacking mit TSV für 100-TB-SSDs

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Toshiba: QLC-Flash und Die-Stacking mit TSV für 100-TB-SSDs
Bild: PC Perspective

Auf dem Flash Memory Summit hat Toshiba neue Techniken für SSDs mit 100 TByte und mehr beschrieben. Künftig soll QLC-Flash (Quadruple-Level Cell) mit vier Datenbit pro Speicherzelle mehr Informationen sichern. Zudem will Toshiba künftig 32 statt 16 Dies des 3D-NANDs (BiCS) mittels TSV-Technik in einem Package unterbringen.

64 Layer BiCS Flash mit 512 Gbit und QLC

Erst vor wenigen Wochen hatte Toshiba gemeinsam mit dem neuen Partner Western Digital die Pilotproduktion der neuen 3D-NAND-Generation bekannt gegeben: Der neue Flash-Speicher heißt BiCS3 und besitzt 64 statt bisher 48 übereinander liegende Zellebenen. Im TLC-Prinzip werden drei Bit pro Speicherzelle geschrieben. Ein BiCS3-Die bringt es auf eine Speicherkapazität von zunächst 256 Gigabit. Später soll das Speichervolumen auf 512 Gigabit gesteigert werden.

Hier kommt, wie bereits vermutet, die QLC-Technik mit vier Bit pro Speicherzelle zum Einsatz, wie eine Toshiba-Präsentation auf dem Flash Memory Summit jetzt bestätigt hat. Die Zahl der zu unterscheidenden Ladungszustände verdoppelt sich von acht (TLC) auf 16, was den Speichervorgang allerdings komplizierter und potentiell fehleranfälliger gestaltet. Mit entsprechenden Maßnahmen zum Ladungserhalt und zur Fehlerkorrektur könnte QLC-Speicher aber ebenso praktikabel einsetzbar sein, wie es inzwischen bei TLC-Flash der Fall ist.

TSV statt Verdrahtung

Bei aktuellem NAND-Flash stecken in einem Chip-Gehäuse (Package) bis zu 16 Dies, die im Regelfall mit feinen Drähten verbunden werden. Dieses Verfahren nennt sich Wire Bonding oder auf deutsch Drahtbonden. Ein Nachteil dieses Aufbaus ist, dass die oben liegenden Dies vergleichsweise lange Drähte und damit weite Signalwege aufweisen. Im Extremfall muss zum Erhalt der Signalstabilität die Leistung reduziert werden, was sich meist auf die Leistung des gesamten Chips auswirkt. Daher können auch nicht beliebig viele Dies auf diesem Weg übereinander gestapelt werden.

Eine Alternative mit technisch höherem Aufwand, aber diversen Vorteilen, bildet die Silizium-Durchkontaktierung, die als TSV (Through Silicon Via) geläufig ist. TSV-Verbindungen werden unter anderem auch bei gestapelten DRAM-Chips (Stacked DRAM) genutzt. Auch für Flash-Speicher bietet sich die Methode an: Toshiba hatte bereits vor einem Jahr NAND-Flash mit 16 mittels TSV kontaktierten Dies in einem Package vorgestellt.

Der nächste Schritt ist die Verdoppelung auf 32 übereinander liegende Dies. Damit lässt sich die Speicherkapazität eines NAND-Flash-Packages verdoppeln. Einen solche 32-Die-Stack zeigte Toshiba auf dem Flash Memory Summit in Form von Fotos und Abbildungen. Die TSV-Methode soll nicht nur die Leistungsaufnahme senken, sondern auch mehr Leistung als herkömmliche NAND-Flash-Chips bieten.

TSV-Stapel-NAND und QLC für 2 TByte pro Package

Werden künftig 32 Dies des kommenden QLC-3D-NAND mit 512 Gigabit mittels TSV übereinander gestapelt, ergeben sich 2 Terabyte Speicherplatz pro Package. Damit wäre zum Beispiel eine einseitig bestückte M.2-SSD mit 4 TByte denkbar, oder aber ein herkömmliches 2,5-Zoll-Modell mit bis zu 32 TByte bei 16 Packages. Spezielle 2,5-Zoll-SSDs mit mehreren Platinen könnten auf diesem Weg eine Speicherkapazität von 100 Terabyte oder mehr erreichen, prognostiziert Toshiba. Aktuell bietet Samsung in einem hohen 2,5-Zoll-Gehäuse ein Speichervolumen von 15,36 TByte als verfügbares Maximum. Seagate hatte 60 Terabyte in einem 3,5-Zoll-Gehäuse als Prototyp demonstriert.

100 TByte und mehr im 2,5-Zoll-Format
100 TByte und mehr im 2,5-Zoll-Format (Bild: Marc Sauter/Golem.de)

Riesen-SSD ersetzt zahlreiche HDDs

Als Anwendungsbeispiel führt Toshiba den Ersatz von HDDs in Storage-Servern an. Eine 100-TB-SSD könnte ein Dutzend 8-TB-HDDs ersetzen und würde bei deutlich mehr Leistung weitaus weniger Energie benötigen. Allerdings sind die Kosten pro Terabyte bei SSDs aufgrund des teuren NAND-Flash immer noch weitaus höher als bei Festplatten. Inwieweit sich das Verhältnis bis 2019 verschoben hat, bleibt abzuwarten. Diesen Zeitraum peilt Toshiba in etwa für 100-TB-SSDs an. Die Massenfertigung von BiCS-Flash mit TSV und 1 TByte pro Package peilt Toshiba für 2017 an.

100 TByte für Facebook WORM

Mit Facebook gibt es bereits einen prominenten Interessenten für SSDs mit 100 TByte. Das Unternehmen benötigt für sein Soziales Netzwerk jede Menge Speicherplatz. In einer Präsentation auf dem Flash Memory Summit thematisierte Facebook 100-TB-SSDs als sogenannten WORM Storage. WORM steht für Write Once Read Many, der Speicher wird also einmalig mit Daten gefüllt, die anschließend nur noch zum Abruf bereitstehen und gelesen werden. Hier sollen in der Zukunft große SSDs mit QLC-Speicher eingesetzt werden.

Der Fokus auf das Lesen von Daten kommt dem neuen Speicher entgegen. Wie PC Perspective berichtet, sollen lediglich 150 Schreibzyklen möglich sein. Ob dies auch für Toshibas BiCS oder QLC-NAND im Allgemeinen gilt, bleibt abzuwarten. Allerdings hatte auch Toshiba den QLC-NAND bisher vorwiegend für Archiv-SSDs vorgesehen.

Facebooks WORM Storage mit 100 TB QLC-SSD
Facebooks WORM Storage mit 100 TB QLC-SSD (Bild: PC Perspective)