V-NAND V6: Samsungs 3D-NAND mit über 100 Schichten geht in Serie

Michael Günsch 49 Kommentare
V-NAND V6: Samsungs 3D-NAND mit über 100 Schichten geht in Serie
Bild: Samsung

Samsung ist zwar auch in diesem Jahr nicht auf dem Flash Memory Summit vertreten, nutzt aber den Beginn der Messe für die Ankündigung einer ersten SSD auf Basis der sechsten 3D-NAND-Generation (V-NAND V6). Die SATA-SSD mit 250 GB nutzt den neuen TLC-Speicher mit 136 Ebenen (Layer).

Samsungs 3D-NAND in sechster Generation mit 100+ Layern

Während eine SATA-SSD mit 250 GB Speicherplatz alles andere als spannend ist, ist der neue 3D-NAND der eigentliche „Star“ der Vorstellung. Mit dem Schritt von „9x Layer“ (96 Layer sind es bei der Konkurrenz) auf nun „100+ Layer“ steigt die Zahl der Speicherzellen pro Chip um etwa 40 Prozent, so Samsung. Die Gesamtzahl der Ebenen gibt Samsung mit 136 Layern an, womit aber nicht nur die Ebenen mit Speicherzellen gemeint sein dürften.

Seit Juni 2019 werde der neue Speicher in einer TLC-Variante mit 256 Gigabit (32 GByte) Speicherkapazität pro Die in Serie produziert. Im weiteren Jahresverlauf soll eine TLC-Variante mit doppelter Speicherkapazität von 512 Gigabit folgen, die als SSD und eUFS eingeführt werde. Die Speicherkapazitäten an sich bedeuten allerdings keinen Fortschritt, denn dies boten auch bereits frühere Generationen 3D-NAND. Doch können die Speicherchips durch mehr vertikal gestapelte Layer in der Fläche kleiner ausfallen, was die Speicherdichte erhöht und damit die Herstellungskosten verringert.

Samsung spricht davon, dass die Zahl der sogenannten „Channel Holes“ beim 256-Gbit-Chip von zuvor 930 Millionen auf 670 Millionen verringert werden konnte. Dies ermögliche nicht nur kleinere Chips, sondern auch weniger Fertigungsschritte. Insgesamt spricht Samsung von einer Steigerung der Produktivität in der Fertigung um mehr als 20 Prozent.

Single-Tier-Design mit Geschwindigkeitsoptimierung

Mit einem „geschwindigkeitsoptimierten Schaltungsdesign“ will Samsung zudem die Leistung gegenüber der vorherigen Generation um „über 10 Prozent“ verbessert haben. Die Latenz beim Lesen wird auf unter 45 µs beziffert und der Schreibzugriff soll in weniger als 450 µs erfolgen. Parallel soll die Leistungsaufnahme um über 15 Prozent sinken.

Unverändert nutzt Samsung ein monolithisches Charge-Trap-Flash-Design mit einem Layer-Stapel (auch Array oder Tier genannt) und spricht daher vom „industry's first 100+ layer single-tier design“. Andere Hersteller nutzen hingegen das sogenannte Tier-, String- oder Array-Stacking, wobei zwei oder sogar drei Layer-Türme übereinander gestapelt werden. Während letztere Variante als einfacher und schneller umzusetzen gilt, wird dem Single-Tier-Design ein Kostenvorteil zugesprochen.

Doch auch in puncto Entwicklungszeit will Samsung trotz des komplexeren Designs zugelegt haben. Vom Start der fünften Generation im Mai 2018 bis zum Beginn der Massenfertigung der sechsten Generation im Juni 2019 sind rund 13 Monate vergangen. Der Schritt von Generation vier auf Generation fünf hatte hingegen etwa vier Monate länger gedauert. Allerdings waren frühere Generationswechsel ähnlich schnell vonstatten gegangen.

In Zukunft wird sich Samsung aber wohl von Single-Tier-Designs verabschieden und wie die Konkurrenten ein Tier-Stacking nutzen. Der Hersteller spricht bereits davon, drei der 100+-Layer-Stapel für V-NAND mit 300+ Layern übereinander zu stapeln. Das Design sei so gestaltet, dass dies ohne Beeinträchtigung der Leistung oder Zuverlässigkeit möglich ist.

Ausblick auf ISSCC stimmte wenig euphorisch

Auf der ISSCC im März hatte Samsung einige technische Details zum V-NAND V6 in der 512-Gbit-Version preisgegeben. Den Daten zufolge macht Samsung bei der Speicherdichte nur kleine Schritte und liegt gegenüber dem BiCS5 von Toshiba und Western Digital deutlich zurück. Im Vergleich zu diesem ist Samsungs Speicher aber schneller beim Lesezugriff und der I/O-Rate.

Speicherdichte von neuem 3D-NAND
Einheit: Gigabit pro mm²
    • Toshiba/WD BiCS4 96L (QLC, 1,33 Tb)
      8,5
    • Toshiba/WD BiCS5 128L (TLC, 512 Gb)
      7,8
    • Toshiba/WD BiCS4 96L (TLC, 512 Gb)
      5,9
    • Samsung V-NAND V4 64L (QLC, 1 Tb)
      5,6
    • Samsung V-NAND V6 1xxL (TLC, 512 Gb)
      5,0
    • Intel/Micron Gen 2 64L (TLC, 256 Gb)
      4,3
    • Samsung V-NAND V4 64L (TLC, 512 Gb)
      4,0
Samsung V-NAND V6 Toshiba/WD BiCS5
Chip 512 Gbit TLC (4 Planes)
Layer 110~120 128
Die 101,58 mm² 66 mm²
Dichte 5,0 Gb/mm² 7,8 Gb/mm²
Read (tR) 45 µs 56 µs
Program 82 MB/s 132 MB/s
I/O 1,2 Gb/s 1,066 Gb/s
Power Vcc: 2,35 V bis 3,6 V
Vccq: 1,2 V
Vcc: 2,3 V bis 3,6 V
Vccq: 1,2 V, 1,8 V

SK Hynix produziert ebenfalls 100+ Layer in Serie

Während Samsung den angeblichen Produktionsstart im Juni 2019 nicht an die große Glocke hing, hat SK Hynix das getan: Seinen 128-Layer-3D-NAND nennt SK Hynix „4D-NAND“. Dieser startet ebenfalls als TLC-Variante, allerdings mit deutlich höherer Speicherkapazität von bis zu 1 Terabit pro Die.