Флеш-память NAND позволяет записывать и хранить множество особенных моментов. Samsung Electronics постоянно работает над тем, чтобы на одном накопителе умещалось как можно больше таких моментов. Исполнительный вице-президент и глава подразделения продуктов и технологий флэш-памяти, Samsung Electronics Дзей Хюк Сон (Jaihyuk Song), рассказал, как Samsung работает над улучшением характеристик флеш-памяти.

Первое в мире решение с трехмерной вертикальной организацией чипов

Если вы посмотрите на крошечный полупроводниковый чип через электронный микроскоп, то увидите целую миниатюрную вселенную. Несмотря на толщину чипа всего в 1 мм, внутри него существуют миллионы тщательно спроектированных пространств для хранения огромных объемов данных.

На протяжении многих лет решения флеш-памяти NAND, предназначенные для хранения данных, имели двумерную (2D) структуру, в которой чипы тиражировались и укладывались на плоской поверхности. Но эти двухмерные структуры имели значительные ограничения с точки зрения объема данных, которые можно было в них хранить.

После масштабных исследований, призванных найти решение этой проблемы, Samsung впервые представила свою технологию флеш-памяти V-NAND (где буква «V» означает вертикальное расположение) – решение, в котором слои ячеек соединяются друг с другом через отверстия в вертикально организованном трехмерном пространстве. Samsung стала первой компанией в мире, которая разработала и выпустила на рынок такое решение для микросхем памяти.

Технология памяти 3D V-NAND дебютировала в 2013 году, создав совершенно новую парадигму полупроводниковой памяти, отличную от памяти с традиционной 2D структурой, которая десятилетиями доминировала в мире электронных хранилищ. Эту техническую трансформацию можно сравнить с ощущениями людей, которые привыкли жить в одно- или двухэтажных домах, и впервые переехали в квартиру в многоэтажном здании.

Технология V-NAND: экспертиза Samsung в области создания полупроводниковых решений

Сегодня решение V-NAND с революционной вертикальной объемной организацией чипов становится отраслевым стандартом.

Но в 2013 году Samsung произвела настоящий фурор, представив на рынке первое V-NAND решение из 24 слоев. Сегодня их количество увеличилось почти до двух сотен, и продолжает постоянно расти. Однако, как и в случае с многоэтажными домами, одним лишь увеличением количества слоев дело не ограничивается.

Возвращаясь к аналогии со зданиями, квартира должна быть просторной, но в то же время, по мере увеличения этажности, должна иметь прочные стены и быть всегда легко доступной – для этого в домах устанавливаются надежные скоростные лифты. Более того, необходимо учитывать уровень шума между этажами, при этом сама высота здания далеко не безгранична.

То же самое относится и к решению V-NAND. Даже если количество слоев одинаково, при более внимательном рассмотрении обнаруживаются незначительные различия в их функциональности и структуре. В мире полупроводников это может иметь первостепенное значение, поскольку даже малейшие различия могут привести к совершенно другому результату.

Самая компактная в мире ячейку памяти, ставшая доступной благодаря технологии однослойного травления (Single-Stack Etching)

Вернемся ненадолго в 2013 год.

Чтобы преодолеть ограничения, присущие планарной двухмерной организации полупроводников, Samsung разработала продукт, в котором ячейки объединены в трех измерениях. В то время, поскольку использовалась однослойная структура, у компании не было необходимости сразу учитывать высоту конечного продукта. Однако вместе с ростом спроса на интегрированные решения с высокой пропускной способностью росло и количество слоев, и инженерам Samsung приходилось учитывать физические ограничения, связанные с габаритами создаваемых микросхем.

Samsung первой задумалась над этой намечающейся проблемой высоты V-NAND и начала разрабатывать соответствующие решения раньше всех остальных производителей. Разработанная компанией 176-слойная микросхема V-NAND памяти 7-го поколения сопоставима по высоте с микросхемой V-NAND 6-го поколения, структура которой насчитывала чуть более сотни слоев. Подобные инновации стали возможны благодаря нашим успехам в разработке самых компактных в мире ячеек памяти.

Samsung удалось уменьшить объем ячейки на 35% за счет уменьшения как площади поверхности, так и ее высоты с помощью инновационной технологии 3D-масштабирования. Компания также научилась контролировать любые интерференции между ячейками, возникающие из-за уменьшения их размеров. Это позволило Samsung уместить больше слоев при меньшей высоте самой микросхемы, что обеспечило компании преимущества в преодолении предполагаемых ограничений.

Samsung – единственная компания в отрасли, обладающая технологией однослойного травления, которая позволяет ей объединять более 100 слоев одновременно и соединять их между собой с помощью более миллиарда отверстий. Благодаря сверхмалому размеру ячеек и запатентованной технологии однослойного травления, Samsung – единственная компания, способная предложить решения V-NAND, состоящие из нескольких сотен слоев ячеек.

Взгляд в будущее: решения V-NAND 7-го и 8-го поколений

Во второй половине этого года Samsung собирается продемонстрировать твердотельный накопитель (SSD) потребительского класса на базе своей микросхемы V-NAND 7-го поколения, решения с наименьшим в отрасли размером ячеек. Ожидается, что это решение V-NAND 7-го поколения будет соответствовать требованиям к производительности интерфейса PCIe как 4-го поколения (PCIe Gen 4), так и более позднего 5-го поколения (PCIe Gen 5), благодаря максимальной производительности ввода-вывода (I / O) на уровне 2,0 гигабит в секунду (Гбит/с). Более того, решение компании будет оптимизировано для многозадачности и для запуска ресурсоемких рабочих нагрузок, позволяя, например, одновременно осуществлять 3D-моделирование и редактирование видео.

Samsung также планирует расширить использование технологии V-NAND 7-го поколения и применять ее в твердотельных накопителях для центров обработки данных. Кроме того, чтобы побудить операторов центров обработки данных к снижению энергопотребления, решение Samsung будет обладать малым энергопотреблением и обеспечит повышение энергоэффективности на 16% по сравнению с решением 6-го поколения.

Сегодня компания уже получила рабочий чип своего решения V-NAND 8-го поколения с более чем 200 слоями ячеек и планирует выводить его на рынок по мере развития потребительского спроса.

Грандиозные перспективы технологии V-NAND от Samsung: более 1000 слоев

В полупроводниковой промышленности ничего не происходит случайно. Разработка ранее неизвестной технологии требует не только времени, но также огромных инвестиций и капиталовложений. Samsung смогла стать мировым лидером в полупроводниковой промышленности, даже несмотря на неудачи и другие проблемы, и сумела сохранить энтузиазм, настрой и чувство долга – именно это позволяет нам добиться лучшей жизни для всех, кто нуждается в подобных инновациях.

Так же, как и в случае первого поколения памяти V-NAND, представленного в 2013 году после более чем десяти лет исследований, компания станет первой, кто преодолеет ограничения по высоте, с которым еще предстоит столкнуться отрасли, и сумеет добиться этого благодаря своей технологии 3D-масштабирования. Даже в будущем, когда решения Samsung V-NAND будут состоять более чем из 1000 слоев, компания продолжит следить за тем, чтобы ее микросхемы памяти были самыми надежными в отрасли.

Новая парадигма расширенной реальности приводит к увеличению роли полупроводников

Сегодня мир переходит к новой парадигме расширенной реальности (XR), которая становится возможной благодаря быстрому развитию технологий. Фактически, пандемия значительно ускорила внедрение технологий XR в нашей повседневной жизни, и сейчас наступает новая эра, в которой пересекаются реальность и киберпространство. Более того, улучшение ИТ-устройств и технологий потребует совершенно нового подхода, который будет полностью отличаться от всего, что мы видели ранее, при этом роль полупроводников будет становиться еще более важной, чем когда-либо прежде.

Несомненно, Samsung будет продолжать свою работу, стремясь сделать общество лучше, и будет внедрять инновационные полупроводниковые продукты, основанные на мощных технологических достижениях. Таким образом, вы можете быть уверены, что драгоценные воспоминания, хранящиеся на ваших электронных устройствах, будут сохраняться еще очень долго.

Carbon Trust – всемирно признанный некоммерческий орган по сертификации, созданный британским правительством для ускорения перехода к устойчивой низкоуглеродной экономике. Сертфикация Carbon Trust присуждается только после тщательной оценки воздействия выбросов углерода и водопотребления на окружающую среду до и во время производственного цикла, опираясь на международные стандарты^[1].

«Мы очень рады, что наши передовые решения в области технологий памяти не только позволяют решать сложные задачи, но и обладают признанной экологической устойчивостью, – прокомментировал Пак Чхун Хун, исполнительный вице-президент и глава комплекса Giheung Hwaseong Pyeongtaek Complex компании Samsung Electronics. – Samsung продолжит создавать технологии памяти, сочетающие крайне малые размеры с высочайшим уровнем скорости, емкости и энергоэффективности для конечных пользователей во всем мире».

Инновационные полупроводниковые решения Samsung обеспечивают устойчивое производство:

Основанные на V-NAND пятого поколения (90+ слоев) накопители Samsung eUFS 3.0 емкостью 512 ГБ обладают оптимальной скоростью, энергоэффективностью и производительностью, гарантируя вдвое большую емкость и в 2,1 раза большую последовательную скорость четвертого поколения (64 слоя) V-NAND на основе 256 ГБ eUFS 2.1, требуя при этом на 30% меньше рабочего напряжения. Кроме того, V-NAND пятого поколения Samsung использует уникальную технологию литографии, которая пробивает более 90 слоев за один точный шаг. В связи с этим чип получает в 1,5 раза больше уложенных слоев, чем предыдущее поколение, а также размер чипа уменьшается на 25%. Такие инновации позволяют минимизировать общее увеличение углеродных выбросов и водопотребления при производстве каждого слоя модулей V-NAND.

На состоявшейся церемонии Министерство охраны окружающей среды Кореи также присвоило компании Samsung маркировки Экологической декларации продукции (EPD), отметив накопитель eUFS 2.1 емкостью 1 ТБ и V-NAND пятого поколения емкостью 512 ГБ.

Samsung намерена активно внедрять надежные, высокопроизводительные решения памяти во  многие флагманские смартфоны, а также продолжать укрепление отношений с глобальными партнерами для создания технологий памяти следующего поколения.

^[1] PAS 2050 для углеродного выброса и ISO 14046 для водопотребления

Экологический след Samsung eUFS 3.0 емкостью 512 ГБ (Carbon Trust):

* 13,4 кг CO₂ сравнимо с объемом углерода, поглощаемым двумя 30-летними соснами за год

 Полупроводниковые решения Samsung, получившие экологические сертификации:

V-NAND модули Samsung шестого поколения отличаются самой высокой в отрасли скоростью передачи данных, демонстрируя производственное преимущество компании, которое выводит 3D-память на новый уровень.

Благодаря уникальной технологии «травления каналов» от Samsung, новые V-NAND кристаллы получили примерно на 40% больше ячеек, чем одноблочные 9x-модули памяти предыдущего поколения. Это достигается путем формирования электропроводящей 136-слойной структуры, с последующим вертикальным прокалыванием цилиндрических отверстий сверху вниз, в результате чего образуются однородные трехмерные ячейки с технологией ловушки снаряда (charge trap flash, CTF).

По мере увеличения высоты матрицы в каждой ячейке флеш-чипы NAND становятся более подвержены ошибкам и задержкам чтения. Для преодоления этого ограничения Samsung внедрила оптимизированную по скорости конструкцию схемы, которая позволяет достигать максимальной скорости передачи данных: менее 450 микросекунд (мкс) для операций записи и менее 45 мкс для операций чтения. По сравнению с предыдущим поколением новая конструкция обеспечивает повышение производительности более чем на 10% и снижение энергопотребления более чем на 15%.

Благодаря оптимизированному дизайну решения V-NAND следующего поколения смогут получить более 300 слоев, сочетая три ячейки шестого поколения без ущерба для производительности или надежности чипа.

Кроме того, для создания чипа плотностью 256 Гб нового поколения необходимо всего 670 млн сквозных каналов, по сравнению с 930 млн в решениях предыдущего поколения. Это позволило уменьшить размер чипов и сократить число этапов производства, повысив эффективность изготовления на 20%.

Используя функции с высокой скоростью и малой мощностью, Samsung намерена не только расширить возможности использования своих 3D V-NAND-решений в таких типах устройств, как мобильные гаджеты и корпоративные серверы, но и вывести их на автомобильный рынок, где высокая надежность имеет ключевое значение.

«Внедряя передовые технологии 3D-памяти в модели массового производства, мы можем представить линейки памяти, которые обладают значительно большими скоростью и энергопотреблением, — отметил Ке Хён Кёнг (Kye Hyun Kyung), вице-президент департамента флеш-памяти и технологии Samsung Electronics. — Благодаря сокращению цикла разработки продуктов V-NAND следующего поколения мы планируем активно расширять рынок наших высокоскоростных и высокопроизводительных решений на базе 512-гигабитных V-NAND».

В планы Samsung, после выпуска 250-гигабайтных SSD, входит вывод на рынок 512-гигабитных трехбитных V-NAND SSD и eUFS во втором полугодии. Компания также намерена расширить производство мощных высокоскоростных V-NAND-решений шестого поколения на заводе в Пхёнтэке, Корея, начиная со следующего года.

Для справки: Временная шкала массового производства V–NAND

Компания Samsung Electronics, мировой лидер в области современных технологий памяти, объявила о начале массового производства первого в отрасли встраиваемого накопителя Universal Flash Storage (eUFS) 3.0 емкостью 512 ГБ для мобильных устройств нового поколения. В соответствии с требованиями спецификаций eUFS 3.0, представленное решение обеспечивает вдвое более высокую скорость работы по сравнению с предыдущими eUFS накопителями (eUFS 2.1). Новинка будет применяться в будущих смартфонах с ультра-широкими экранами с высоким разрешением.

«Начало массового производства накопителей линейки eUFS 3.0 обеспечивает Samsung огромное преимущество на рынке мобильных устройств нового поколения, где мы представляем память со скоростью чтения, которая раньше была достижима только в ультра-тонких ноутбуках, – говорит Чол Чой (Cheol Choi), исполнительный вице-президент по продажам и маркетингу технологий памяти в Samsung Electronics. – По мере расширения линейки eUFS 3.0, а также с выпуском версии емкостью 1ТБ в этом году динамика на рынке премиальных мобильных устройств будет возрастать».

Samsung начала производство первого в отрасли UFS интерфейса в январе 2015 года, выпустив накопитель eUFS 2.0, который обеспечивал в 1,4 раза более высокую скорость работы по сравнению со стандартной на тот момент памятью eMMC 5.1 (embedded multi-media card). Спустя всего четыре года новейшая память Samsung eUFS 3.0 по своей производительности не уступает памяти в современных ультра-тонких ноутбуках.

В накопителе Samsung eUFS 3.0 емкостью 512ГБ используется восемь 512-гигабитных кристаллов памяти Samsung V-NAND пятого поколения и высокопроизводительный контроллер. Скорость последовательного чтения нового устройства составляет 2100 мегабайт в секунду, что вдвое превышает аналогичный показатель в новейшей uEFS памяти (eUFS 2.1), которая была анонсирована в январе. Скорость чтения нового решения в 4 раза превосходит скорость чтения в твердотельных SATA накопителях и в 20 раз – обычных карт памяти microSD. Таким образом, перемещение целого фильма в Full HD качестве c премиального смартфона на компьютер займет всего порядка трех секунд*. Кроме того, скорость последовательной записи также выросла, увеличившись на 50% до 410МБ/с, что сопоставимо со скоростью записи в твердотельных SATA накопителях.

Скорость произвольного чтения и записи новой памяти на 36% выше, чем в текущей спецификации eUFS 2.1, и составляет, соответственно, 63 000 и 68 000 операций ввода/вывода в секунду (IOPS). С учетом значительного прироста в скорости произвольного чтения и записи, которая более чем в 630 раз превосходит показатели обычных карт памяти microSD (100 IOPS), новая память позволяет одновременно запускать сразу несколько сложных приложений, обеспечивая улучшенную отзывчивость пользовательского интерфейса, особенно в новейшем поколении мобильных устройств.

После старта производства накопителей eUFS 3.0 емкостью 512ГБ и версии емкостью 128ГБ, которые будут запущены уже в этом месяце, Samsung намерена начать производство моделей емкостью 1ТБ и 256ГБ во второй половине этого года, чтобы помочь глобальным производителям устройств реализовывать мобильные инновации будущего.

*Расчеты приведены для передачи фильма в формате Full HD размером 3,7ГБ с мобильного устройства, оснащенного накопителем eUFS 3.0 емкостью 512ГБ, на компьютер с твердотельным NVMe-накопителем.  

** Для справки: сравнение производительности встраиваемой памяти Samsung

Такой прорыв стал возможным благодаря объединению 32 новых микросхем флэш-памяти NAND, емкостью 1 ТБ, каждая из которых, в свою очередь,  состоит из 16 чипов V-NAND емкостью 512 Гб. Новое устройство позволит хранить до 5700 фильмов в формате Full HD по 5 ГБ каждый на носителе размером 2,5 дюйма.

В дополнение к удвоенному объему памяти, по сравнению с твердотельными накопителями с интерфейсом SAS предыдущего поколения, уровень производительности вырос почти в два раза. При подключении по интерфейсу SAS со скоростью 12 Гбит/с, новый носитель PM1643 способен достичь скоростей случайного чтения и записи до 400 000 IOPS и 50 000 IOPS соответственно, а также скоростей последовательного считывания и записи до 2100 МБ/с и 1,700 Мбайт/с, соответственно. Такой показатель в четыре раза превышает стандартную скорость случайного чтения и в три раза скорость последовательного чтения 2,5-дюймового твердотельного накопителя с интерфейсом SATA*.

«Запуская SSD емкостью 30,72 Тб, мы вновь расширяем пределы возможностей для хранения корпоративных данных и в процессе открываем новые горизонты для сверхмощных систем хранения по всему миру, – прокомментировал Джейсу Хан, исполнительный вице-президент по продажам и маркетингу памяти в Samsung Electronics. – Samsung сохраняет стремление удовлетворить спрос на носители SSD емкостью более 10 ТБ, и, в то же время, ускорить разработку усовершенствованных решений по хранению данных в новую эпоху корпоративных систем».

Компания Samsung добилась новых показателей емкости и повышенной производительности благодаря нескольким технологическим улучшениям в разработке контроллера, DRAM и сопутствующего программного обеспечения. В эти усовершенствования входит высокоэффективная структура контроллера, объединяющая в себе девять контроллеров из предыдущей высокопроизводительной модели линейки накопителей SSD в один блок, что позволяет использовать большее пространство для хранения данных. В носителе PM1643 используется технология Through Silicon Via (TSV) соединяющая чипы DDR4 емкостью 8 Гб, и создающая 10 блоков TSV DRAM емкостью по 4 ГБ, что в сумме обеспечивает 40 ГБ памяти DRAM. Это первый случай, когда DRAM с технологией TSV используется на носителях SSD.

В дополнение к этому, носители PM1643 получат расширенное программное обеспечение, которое будет поддерживать защиту метаданных, возможность восстановления данных после внезапных сбоев питания и алгоритм коррекции ошибок (ECC) для обеспечения высокой надежности при минимальных затратах на техническое обслуживание. Кроме того носители обеспечат высокий уровень надёжности, позволяющий совершать одну перезапись объема накопителя в день (DWPD). Таким образом, за 5-летний гарантийный период каждый день может быть бесперебойно перезаписано до 30,72 Тб данных. Средняя наработка на отказ (MTBF) носителя PM1643 составит два миллиона часов.

Компания Samsung начала производство усовершенствованных твердотельных накопителей емкостью 30,72 Тб в январе и в этом году планирует пополнить линейку моделями с емкостью 15,36 Тб, 7,68 Тб, 3,84 Тб, 1,92 Тб, 960 Гб и 800 Гб. Таким образом, компания надеется достичь популяризации систем хранения, использующих только Flash-накопители, и ускорить переход от жестких дисков (HDD) к твердотельным накопителям на рынке корпоративных систем. Широкий спектр моделей и улучшенная производительность будут иметь решающее значение для удовлетворения растущих запросов на хранение данных в целом ряде сегментов рынка, включая государственный сектор, финансовые услуги, здравоохранение, образование, нефть и газ, фармацевтические компании, социальные сети, бизнес-услуги, розничную торговлю и сектор связи.

* Прим. ред. – по сравнению с 2,5 –дюймовым Samsung SSD 850 EVO