XL-Flash: Doppelte Speicherdichte von 3DXP und Z-NAND

Michael Günsch 8 Kommentare
XL-Flash: Doppelte Speicherdichte von 3DXP und Z-NAND
Bild: Toshiba Memory

Im Rahmen der Fachkonferenz ISSCC 2020 haben Kioxia und Western Digital weitere Details zu ihrem schnellen „XL-Flash“ verraten. Der auf hohe Leistung getrimmte SLC-NAND-Flash-Speicher zählt wie 3D XPoint von Intel und Micron oder Samsungs Z-NAND zur Gattung Storage Class Memory, die sich zwischen NAND-Flash und DRAM bewegt.

XL-Flash ist ein Storage Class Memory

Schneller und teurer als herkömmlicher NAND-Flash, aber langsamer und günstiger als DRAM, so lässt sich grob die neue Stufe in der klassischen Speicherhierarchie von Computersystemen umschreiben. Intel und Micron haben sie mit dem Phasenwechselspeicher 3D XPoint salonfähig gemacht, der sowohl SSDs mit besonders niedriger Latenz und hoher Haltbarkeit als auch eine DRAM-Ergänzung im DIMM-Formfaktor ermöglicht. Nicht ganz so schnell ist Samsungs Z-NAND, ein auf hohe Leistung getrimmter SLC-3D-NAND-Speicher, der bei Enterprise-SSDs eingesetzt wird. Kioxia und Western Digital verfolgen mit dem XL-Flash ein ähnliches Konzept, das als „extremely low-latency, high-performance flash memory“ beschrieben wird.

Neue Infos zum XL-Flash von der ISSCC 2020

Im August 2018 hatte Toshiba Memory den XL-Flash angekündigt, inzwischen firmiert die ehemalige Speichersparte von Toshiba unter dem Namen Kioxia, geblieben ist die Partnerschaft mit Western Digital. Ein Jahr später folgten nähere Informationen zur Technik hinter dem XL-Flash, der 2020 in Serie gefertigt werden soll. Weitere Details wurden letzten Monat auf der ISSCC 2020 verraten, über die der Autor Akira Fukuda für die japanische Website PC Watch jetzt berichtet.

XL-Flash im Vergleich mit Z-NAND und TLC-NAND

Unter anderem werden Leistungsparameter mit herkömmlichem 3D-TLC-NAND wie auch Samsungs Z-NAND verglichen. Die Latenz beim Lesen (tR) etwa soll nur 4 µs und damit weniger als ein Zehntel der 58 µs des TLC-Flash betragen, während der Z-NAND mit 3 µs aber noch etwas zügiger arbeitet.

XL-Flash im Vergleich mit TLC-NAND und Z-NAND
XL-Flash im Vergleich mit TLC-NAND und Z-NAND (Bild: PC Watch)

Beim Schreibvorgang (tProg) soll der XL-Flash mit 75 µs wiederum schneller als der Z-NAND mit 100 µs agieren, während der TLC-NAND mit 561 µs weit abgeschlagen ist. Letzterer hat mit seinen 512 Gbit pro Chip (Die) aber den klaren Vorteil beim Speicherplatz. Der XL-Flash speichert wie die erste Generation 3D XPoint 128 Gbit und bietet damit doppelt so viel Speichervolumen wie Samsung Z-NAND mit 64 Gbit.

Speicherdichte doppelt so hoch wie bei 3D XPoint und Z-NAND

Erstmals gibt es Hinweise auf die Speicherdichte, denn die Chipgröße (Die Size) des XL-Flash wird nun konkret mit 96,34 mm² angegeben. Bei 128 Gigabit Speicherplatz bedeutet dies eine Speicherdichte von rund 1,33 Gigabit/mm². Gegenüber dem langsameren TLC-NAND mit 5,94 Gbit/mm² (512 Gbit auf 86,13 mm²) bedeutet dies einen großen Rückschritt und Kostennachteil, denn pro Wafer können weitaus weniger Bit produziert werden.

Speicherdichte von XL-Flash, 3D XPoint, 3D-NAND und Z-NAND
Einheit: Gigabit pro mm²
    • Kioxia/WD BiCS4 96L (TLC, 512 Gb)
      5,94
    • Kioxia/WD XL-Flash 96L (SLC, 128 Gb)
      1,33
    • Samsung Z-NAND 48L (SLC, 64 Gb)
      0,63
    • Intel/Micron 3D XPoint (SLC, 128 Gb)
      0,62

Gegenüber Z-NAND mit 0,63 Gbit/mm² und 3D XPoint mit 0,62 Gbit/mm² ist die Speicherdichte des XL-Flash aber mehr als doppelt so groß. Die zweite Generation 3D XPoint und auch die geplante MLC-Variante des Z-NAND könnten bei der Speicherdichte aber deutlich zulegen.

16-Plane-Design für kurze Wege

Bereits bekannt, aber nun besser veranschaulicht, ist das Design des XL-Flash. Herkömmlicher NAND-Flash wird für mehr Leistung durch parallele Zugriffe intern meist in zwei oder vier Speicherbereiche, sogenannte Planes, unterteilt. Beim XL-Flash gibt es stattdessen gleich 16 Planes. Dadurch verringert sich der Abstand zwischen Word- und Bit-Lines, was wiederum für schnellere Zugriffszeiten sorgt. Samsungs Z-NAND nutzt wiederum acht Planes.

XL-Flash: Architektur mit 16 Planes
XL-Flash: Architektur mit 16 Planes (Bild: PC Watch)
XL-Flash: Architektur mit 16 Planes
XL-Flash: Architektur mit 16 Planes (Bild: PC Watch)

Ein Schwachpunkt bei SSDs mit herkömmlichem NAND-Flash ist, dass diese erst bei einer großen Anzahl ausstehender Befehle (Queue Depth) ihre maximale Leistung erreichen. Wie 3D XPoint soll der XL-Flash durch die reduzierte Random Read Delay Time (RRL) schon bei kleiner Befehlswarteschlange auf Touren kommen. Weitere Grafiken veranschaulichen die Leistungsvorteile des XL-Flash beim Lesen und Schreiben durch das spezielle Design. Der direkte Vergleich mit dem potenziell noch schnelleren 3D XPoint wird aber gescheut.

Leselatenz auf 5 % von TLC-NAND reduziert
Leselatenz auf 5 % von TLC-NAND reduziert (Bild: PC Watch)
Auch das Schreiben geschieht deutlich schneller
Auch das Schreiben geschieht deutlich schneller (Bild: PC Watch)

Letztlich zählt aber, was die Endprodukte auf Basis des XL-Flash zu leisten im Stande sind und nicht, was in der Theorie machbar ist. Zur Verfügbarkeit des High-Performance-NAND liefert der Artikel von Fukuda aber keine neuen Informationen. Bereits seit September 2019 sollten Samples des XL-Flash zur Verfügung stehen. Der Beginn der Massenproduktion wurde mit 2020 bisher jedoch nur grob eingegrenzt.

Zu den ersten Produkten könnten SSDs des chinesischen Herstellers Goke Microelectronics zählen, der die NVMe-SSDs der Serie Goke 2311 mit XL-Flash für 2020 angekündigt hatte.

Goke 2311 als NVMe-SSD mit XL-Flash
Goke 2311 als NVMe-SSD mit XL-Flash (Bild: Business Wire)