Die-Size: So groß sind 3D XPoint und der neue 3D-NAND von IMFT

Michael Günsch 34 Kommentare
Die-Size: So groß sind 3D XPoint und der neue 3D-NAND von IMFT
Bild: Intel

Je kleiner desto besser: Diese Devise gilt für Halbleiterchips, da die Fläche die Kosten maßgeblich beeinflusst. TechInsights hat den von Intel und Micron entwickelten Speicher 3D XPoint analysiert und dessen Größe (Die-Size) bestimmt. Derweil veranschaulicht Micron auf der Computex, wie winzig der neue 3D-NAND ausfällt.

TechInsights hat sich den Optane Memory als M.2-Modul mit 16 GByte besorgt, auseinandergenommen und den enthaltenen 3D-XPoint-Speicher (3DXP) einer ersten Analyse unterzogen.

3D XPoint misst 206,5 mm²

Im Chip-Gehäuse steckt ein einzelnes 3DXP-Die mit einer Speicherkapazität von 128 Gigabit (16 GByte), dessen Fläche 206,5 mm² betrage. Dies ist zwar deutlich größer als aktuelle NAND-Flash-Chips, doch wird die Fläche effizient genutzt: Der Anteil des Speicherbereichs soll hohe 91,4 Prozent der Chip-Fläche ausmachen.

Ein Chip-Gehäuse (Package) des Intel Optane Memory (16 GB)
Ein Chip-Gehäuse (Package) des Intel Optane Memory (16 GB) (Bild: TechInsights)
Das 3D-XPoint-Die ohne Gehäuse
Das 3D-XPoint-Die ohne Gehäuse (Bild: TechInsights)

Beim 3D-NAND von Intel und Micron seien es dagegen 84,9 Prozent, was dank der CuA-Technik (CMOS under Array) für NAND-Flash viel ist. Sonst bleibt der Anteil, den die Speicherzellen bei NAND-Flash belegen, meist geringer. Bei Samsungs dritter Generation V-NAND (48 Layer) sollen es 70 Prozent sein.

Bei der Speicherdichte punktet 3D-NAND

Doch letztlich entscheidend ist die Speicherdichte, das heißt, wie viele Daten pro mm² gespeichert werden können. Hier kann 3DXP erwartungsgemäß nicht mit aktuellem 3D-NAND-Flash mithalten, bewegt sich aber in etwa auf dem Niveau älterer 2D-NAND-Generationen. Laut der Analyse kommt 3D XPoint auf 0,62 Gigabit/mm². Samsungs 48-Layer-3D-NAND mit 256 Gigabit pro Die bringt es auf deutlich höhere 2,57 Gb/mm².

Bei der Datendichte ist der neue 3D-NAND von Intel/Micron ganz vorne
Bei der Datendichte ist der neue 3D-NAND von Intel/Micron ganz vorne (Bild: AnandTech)
Flächenvergleich von Speicherchips inklusive 3D XPoint
Flächenvergleich von Speicherchips inklusive 3D XPoint (Bild: AnandTech)

Der neue Spitzenreiter bei der Datendichte ist aber der 64-Layer-3D-NAND von Intel/Micron (IMFT) mit 4,34 Gbit/mm². Gegenüber DRAM der 20-nm-Klasse soll 3DXP (ebenfalls in einem 20-nm-Prozess gefertigt) aber eine rund 4,5 Mal höhere Datendichte aufweisen. Gegenüber Samsungs 1x-nm-DDR4 sei die Datendichte immerhin noch 3,3 Mal so hoch.

IMFT will den kleinsten 3D-NAND mit 256 Gbit haben

Wie klein der neue 3D-NAND von Micron mit seinen 59 mm² gegenüber der vorherigen Generation ausfällt, wurde auf der Computex 2017 demonstriert. Ob es sich wirklich um das kleinste 3D-NAND-Die der Welt mit 256 Gigabit handelt, wie Micron im Februar verlautbart hat, bleibt abzuwarten. Denn die genaue Größe des von Toshiba und Western Digital entwickelten BiCS3 ist noch nicht publik geworden. Im Dezember hatte Western Digital ebenfalls vom kleinsten 256-Gbit-Chip gesprochen, dies geschah aber rund zwei Monate vor Microns Ankündigung.

Micron demonstriert wie winzig der neue 3D-NAND ist
Micron demonstriert wie winzig der neue 3D-NAND ist (Bild: The SSD Review)
Februar 2017: Micron wirbt mit kleinstem 256-Gbit-Die
Februar 2017: Micron wirbt mit kleinstem 256-Gbit-Die (Bild: Micron)
Dez. 2016: Toshiba/Western Digital sprechen vom kleinsten 256-Chip der Branche
Dez. 2016: Toshiba/Western Digital sprechen vom kleinsten 256-Chip der Branche (Bild: Western Digital)

BiCS3 ist die dritte 3D-NAND-Generation von Toshiba und wird ebenso als winzige TLC-Version mit 256 Gigabit aufgelegt. Toshiba und Western Digital liefern die neue Generation mit 64 Layern auch als größere Variante mit 512 Gigabit aus. Wie es um eine größere Version des 64-Layer-Speicher von IMFT steht, ist derzeit unklar.

Hoffnung auf den nächsten Preisrutsch bei NAND-Flash

Die Herstellungskosten von 3DXP und 3D-NAND lassen sich nicht allein anhand der Die-Size vergleichen. 3DXP ist als eine Art Phase Change Memory aufwendiger herzustellen und benötigt spezielle Materialien. Zudem handelt es sich erst um die erste kommerzielle Generation, Verfeinerungen am Herstellungsprozess stehen noch aus.

Beim älteren und reiferen NAND-Flash ist die Produktion bereits wesentlich günstiger. Mit dem Umstieg auf 3D-NAND mit übereinander liegenden Zellschichten wird die Speicherdichte immer weiter gesteigert. Mehr Bits pro Fläche bedeuten langfristig niedrigere Preise. Momentan zeigt sich angesichts hoher Preise durch Versorgungsengpässe zwar ein anderes Bild und NAND-Flash wird seit Monaten teurer, doch mittelfristig sind mit der neuen Generation von 3D-NAND wieder sinkende Preise zu erwarten – einerseits dadurch, dass die Hersteller ihre Produktion immer mehr von 2D- auf 3D-NAND umgestellt haben und andererseits durch die enorm gestiegene Datendichte.

Der Ausbau und die Errichtung von Produktionsstätten für 3D-NAND sollte letztlich auch der Speicherknappheit ein Ende bereiten. Ob bereits in der zweiten Jahreshälfte eine Entspannung eintritt, wie es manche Experten erwarten, bleibt allerdings abzuwarten. Laut TrendForce sind die Channel-Preise für NAND-Flash im ersten Quartal 2017 erneut um 20 bis 25 Prozent gestiegen.