ISSCC 2021: Die neuen 3D-NAND-Generationen im Vergleich

Michael Günsch
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ISSCC 2021: Die neuen 3D-NAND-Generationen im Vergleich
Bild: Intel

Auf der International Solid-State Circuits Conference 2021 haben viele große Hersteller von NAND-Flash-Speicher Details zu ihren neuen Generationen 3D-NAND preisgegeben. Es zeigt sich abermals, dass Samsung nicht mehr durchweg überlegen ist. Der Bericht fasst die Eckdaten kurz zusammen und bietet einen aktuellen Vergleich.

Beim TLC-Speicher mit 3 Bit pro Zelle haben die Flash-Partner Kioxia und Western Digital in der Generation BiCS6 mit „162 Layern“ respektive mehr als 170 Word-Line-Layers, wie es bei der technischen Präsentation heißt, neue Chips mit auf 1 Terabit verdoppelter Speicherkapazität vorgestellt. Die auf 10,4 Gbit/mm² gestiegene Flächendichte ist aber noch nicht die größte für TLC-NAND, denn die Generation V7 von SK Hynix mit 176 Layern soll dank winziger Chips auf 10,8 Gbit/mm² kommen. Zu Microns 176-Layer-NAND fehlen noch Vergleichswerte, abermals hat Micron nicht am ISSCC teilgenommen.

Samsung hat den schnellsten TLC-NAND

Samsungs V-NAND V7 hält mit 8,5 Gbit/mm² trotz der Steigerung um satte 70 Prozent gegenüber dem Vorgänger nicht bei der Speicherdichte mit, ist aber bei der Leselatenz mit 40µs und beim Schreibdurchsatz mit 184 MB/s klar führend. Sowohl Kioxia und Western Digital als auch Samsung setzen auf ein NAND-Interface mit bis zu 2,0 Gbit/s als neue Höchstmarke.

TLC 3D-NAND im Vergleich
Kioxia/WD BiCS6 Kioxia/WD BiCS5 Samsung V7 Samsung V6 SK Hynix V7 SK Hynix V6
Typ (Bit/Zelle) TLC (3 Bit)
Kapazität 1 Tbit 512 Gbit
Planes 4
Layer (WL) >170 128 1xx 128 176 128
Die-Fläche 98 mm² 66 mm² ~60 mm² 101,58 mm² ~47 mm² ~66 mm²
Dichte 10,4 Gb/mm² 7,8 Gb/mm² 8,5 Gb/mm² 5,0 Gb/mm² 10,8 Gb/mm² 7,8 Gb/mm²
Read (tR) 50 µs 56 µs 40 µs 45 µs 50 µs 56 µs
Program 160 MB/s 132 MB/s 184 MB/s 82 MB/s 168 MB/s 132 MB/s
I/O 2,0 Gb/s 1,066 Gb/s 2,0 Gb/s 1,2 Gb/s 1,6 Gb/s 1,066 Gb/s

Intel mit höchster Speicherdichte bei QLC

Beim langsameren und weniger haltbaren, aber dafür günstigeren QLC-NAND mit 4 Bit pro Speicherzelle nimmt Intel vorerst eine Führungsposition mit der ersten eigenen 3D-NAND-Entwicklung nach der Trennung von Flash-Partner Micron ein. Der 144-Layer-QLC-NAND von Intel liefert mit 13,8 Gbit/mm² die mit Abstand höchste Speicherdichte bei aktuellem 3D-NAND und ist bei QLC-NAND auch bei den Leistungsparametern führend. Doch auch hier fehlt es an Vergleichswerten zu Microns neuer Generation sowie den zu erwartenden QLC-Varianten der restlichen Hersteller.

QLC 3D-NAND im Vergleich
Intel Intel/Micron Kioxia/WD BiCS4 Samsung V5 SK Hynix V5
Typ (Bit/Zelle) QLC (4 Bit)
Kapazität 1 Tbit 1,33 Tbit 1 Tbit
Planes 4 2 4
Layer (WL) 144 96 96 92 96
Die-Fläche 74,03 mm² 114,6 mm² 158,4 mm² 136 mm² 122 mm²
Dichte 13,8 Gb/mm² 8,9 Gb/mm² 8,5 Gb/mm² 7,53 Gb/mm² 8,4 Gb/mm²
Read (tR) Average 85 µs 90 µs 160 µs 110 µs 170 µs
Read (tR) Max 128 µs 168 µs 165 µs ? ?
Write (tPROG) 1630 µs 2080 µs 3380 µs 2 ms 2150 µs
Program 40,0 MB/s 31,5 MB/s 9,7 MB/s 18 MB/s 30 MB/s
I/O 1,2 Gb/s 0,8 Gb/s 1,2 Gb/s 0,8 Gb/s
Block Size 48 MB 96 MB 24 MB ? 24 MB

Der als Diagramm veranschaulichte Vergleich der Speicherdichten bei 3D-NAND verdeutlicht noch einmal, dass Samsung in diesem wichtigen Punkt weit ins Hintertreffen geraten ist.

Speicherdichte von 3D-NAND
Einheit: Gigabit pro mm²
    • Intel 144L (QLC, 1 TB)
      13,8
    • SK Hynix 176L (TLC, 512 Gb)
      10,8
    • Kioxia/WD BiCS6 170L (TLC, 1 Tb)
      10,4
    • Intel/Micron 96L (QLC, 1 Tb)
      8,9
    • Kioxia/WD BiCS4 96L (QLC, 1,33 Tb)
      8,5
    • Samsung V-NAND V7 1xxL (TLC, 512 Gb)
      8,5
    • SK Hynix 96L (QLC, 1 Tb)
      8,4
    • Kioxia/WD BiCS5 128L (TLC, 512 Gb)
      7,8
    • SK Hynix 128L (TLC, 512 Gb)
      7,8
    • Samsung V-NAND V5 92L (QLC, 1 Tb)
      7,5
    • Intel/Micron 96L (TLC, 512 Gb)
      6,3
    • Kioxia/WD BiCS4 96L (TLC, 512 Gb)
      5,9
    • Samsung V-NAND V6 128L (TLC, 512 Gb)
      5,0
    • Samsung Z-NAND 48L (SLC, 64 Gb)
      0,6
    • Intel/Micron 3D XPoint (SLC, 128 Gb)
      0,6

Einen noch etwas umfassenderen Vergleich der NAND-Vorstellungen im Rahmen des ISSCC liefert ein Artikel von AnandTech.

Konkurrenz sitzt Samsung im Nacken

Jahrelang war Samsung bei der 3D-NAND-Technik führend und ist auch heute noch mit über 30 Prozent Marktanteil die Nummer Eins. Doch wendet sich das Blatt allmählich, wie auch ein Bericht der Korea Times mit dem Titel „Verliert Samsung Electronics die Kompetenz in NAND?“ konstatiert. Dort wird unter anderem der Analyst und Branchenkenner Jim Handy zitiert, der vor allem Samsungs langes Beharren auf einen monolithischen Layer-Turm („Single Deck“) als Ursache für den Abstieg sieht. Ein solches Design könne zwar dank weniger Arbeitsschritten in der Fertigung günstiger ausfallen, doch ist die Weiterentwicklung komplizierter und langwieriger.

Dass Samsung bei der 7. Generation V-NAND (V-NAND V7) ebenfalls auf das sogenannte String-Stacking mit mehreren Layer-Türmen wechselt, wurde inzwischen bestätigt. Die Zahl der Layer bei Samsungs neuem 3D-NAND bleibt aber weiterhin unklar. Intel ist derweil der erste Hersteller, der gleich drei Layer-Türme (3 × 48 = 144) übereinander stapelt.

Intel stapelt drei 48-Layer-Türme
Intel stapelt drei 48-Layer-Türme (Bild: ISSCC)

Neue Konkurrenz droht Samsung mit dem ersten chinesischen Hersteller YMTC. Diesen sieht der Analyst Jim Handy aufgrund der immensen Finanzkraft durch den chinesischen Staat bereits als potenzielle Nummer 1 der Zukunft. „Samsungs größte langfristige Bedrohung für NAND-Flash ist YMTC in China. YMTC verfügt über eine unglaubliche Kapitalquelle für die Finanzierung neuer Produktionsanlagen und muss nicht rentabel sein“.