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¿Qué es la memoria flash NAND? Una definición de Krypton Solid

¿Qué es la memoria flash NAND?

La memoria flash NAND es un tipo de tecnología de almacenamiento no volátil que no requiere energía para retener datos. Un objetivo importante del desarrollo de flash NAND ha sido reducir el costo por bit y aumentar la capacidad máxima del chip para que la memoria flash pueda competir con los dispositivos de almacenamiento magnético, como los discos duros. NAND flash ha encontrado un mercado en dispositivos en los que se cargan y reemplazan con frecuencia archivos grandes. Los reproductores de MP3, las cámaras digitales y las unidades flash USB utilizan tecnología NAND.

La memoria flash NAND guarda datos como bloques y se basa en circuitos eléctricos para almacenar datos. Cuando se desconecta la energía de la memoria flash NAND, un semiconductor de óxido de metal proporcionará una carga adicional a la celda de memoria, manteniendo los datos. El semiconductor de óxido metálico que se utiliza normalmente es un transistor de puerta flotante (FGT). Los FGT están estructurados de manera similar a las puertas lógicas NAND.

Las celdas de memoria NAND están hechas con dos tipos de puertas, puertas de control y puertas flotantes. Ambas puertas ayudarán a controlar el flujo de datos. Para programar una celda, se envía una carga de voltaje a la puerta de control.

Operación de memoria flash NAND

La memoria flash es un tipo especial de chip de memoria de solo lectura programable y borrable electrónicamente (EEPROM). El circuito de flash crea una cuadrícula de columnas y filas. Cada intersección de la cuadrícula contiene dos transistores separados por una fina capa de óxido; un transistor se llama puerta flotante y el otro se llama puerta de control. La puerta de control conecta la puerta flotante a su fila respectiva en la cuadrícula.

Siempre que la puerta de control proporcione este enlace, la celda de memoria tiene un valor digital de 1, lo que significa que el bit se borra. Para cambiar la celda a un valor digital de 0, de manera efectiva para programar el bit, debe llevarse a cabo un proceso llamado tunelización de Fowler-Nordheim, o simplemente tunelización.

La tunelización cambia la forma en que se colocan los electrones en la puerta flotante. Se envía una señal de voltaje a lo largo de la línea de columna respectiva de la red, ingresa a la puerta flotante y drena la carga de la puerta flotante a tierra. Este cambio hace que los electrones se empujen a través de la capa de óxido y altera la carga en la capa de óxido, lo que crea una barrera entre las puertas flotante y de control. A medida que este cambio cae la carga por debajo de un cierto umbral de voltaje, el valor de la celda se convierte en un 0 digital. Una celda de destello se puede borrar (volver a digital 1) aplicando una carga de voltaje más alto, lo que detiene la tunelización y devuelve una carga. a la puerta flotante.

Este proceso requiere voltaje proporcionado por circuitos de control activo. Pero las celdas que componen el dispositivo flash conservarán sus estados cargados o drenados indefinidamente una vez que se elimine la alimentación externa del chip. Esto es lo que hace que la memoria flash NAND no sea volátil.

El proceso de carga y tunelización que tiene lugar en una celda flash es destructivo para los transistores, y la celda solo se puede programar y borrar un número finito de veces antes de que la celda comience a descomponerse y fallar. Es un concepto flash llamado desgaste de la memoria o simplemente desgaste.

Historia y evolución de la memoria flash NAND

La memoria flash tiene sus raíces en el desarrollo de transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET). La tecnología MOSFET se desarrolló en 1959, con el desarrollo de los MOSFET de puerta flotante en 1967. Los desarrolladores de estos primeros transistores se dieron cuenta de que los dispositivos podían mantener estados sin alimentación externa y propusieron su uso como celdas de memoria de puerta flotante para memoria programable de solo lectura (PROM ) chips que serían tanto no volátiles como reprogramables, una ventaja potencial en cuanto a flexibilidad sobre los chips ROM existentes. Estos transistores formaron la base de los dispositivos PROM borrables (EPROM) y EEPROM durante la década de 1970, aunque su uso fue limitado.

Los diseñadores de Toshiba fueron los primeros en reestructurar grupos de celdas de memoria flash en bloques o grupos y agregar los circuitos utilizados para borrar rápidamente bloques enteros. Se dijo que este rápido borrado ocurría en un destello y el nombre se quedó. NOR flash se propuso en 1984, y NAND flash se propuso en 1987.

Toshiba fabricó algunos de los primeros dispositivos flash NAND en 1987, mientras que Intel fabricó dispositivos flash NOR en 1988. Los dispositivos de tarjetas de memoria extraíbles basados ​​en NAND, como SmartMedia, aparecieron a mediados de la década de 1990 e incluían varias variaciones, incluidas MultiMediaCard y otros factores de forma. . Las tarjetas extraíbles, como miniSD y microSD, evolucionaron y proporcionaron un mejor rendimiento en factores de forma más pequeños.

Los fabricantes avanzaron en la densidad, el rendimiento y la confiabilidad de la memoria flash NAND durante las décadas de 2000 y 2010, que aprovecharon las tecnologías de diseño de celdas emergentes, como la celda de varios niveles (MLC) que ofrece dos bits por celda, la celda de triple nivel (TLC) que almacena tres bits por celda y celda de cuatro niveles (QLC) que almacenan cuatro bits por celda. Los avances adicionales en la tecnología de celdas de memoria permiten que las capas de celdas de memoria se apilen en capas para proporcionar una capacidad de almacenamiento flash aún mayor.

Tipos de almacenamiento flash NAND

Los tipos comunes de almacenamiento flash NAND incluyen SLC, MLC, TLC, QLC y 3D NAND. Lo que separa a cada tipo es el número de bits por celda. Cuantos más bits se almacenen en cada celda, menos costoso costaría el almacenamiento flash NAND.

  • SLC, o celdas de un solo nivel, almacenan un bit por celda. SLC tiene la mayor resistencia, pero también es el tipo de almacenamiento flash NAND más caro.
  • MLC, o celdas de varios niveles, almacena dos bits por celda. Debido a que los borrados y los ciclos de escritura ocurren dos veces más, MLC tiene menos resistencia en comparación con SLC. Sin embargo, es menos costoso. Muchas PC utilizarán MLC.
  • TLC, o celdas de triple nivel, almacenan tres bits por celda. Muchos productos a nivel de consumidor usarán esto porque es menos costoso, aunque de menor rendimiento.
  • QLC, o celdas de cuatro niveles, almacenan cuatro bits por celda. Los QLC tienen incluso menos resistencia y generalmente son menos costosos.
  • 3D NAND: la NAND 2D o plana tiene solo una capa de celdas de memoria, mientras que la NAND 3D apila celdas una encima de la otra. Samsung se refiere a 3D NAND como Vertical NAND o V-NAND.

Escasez de flash NAND

Las incesantes demandas de almacenamiento de datos y dispositivos portátiles han generado una escasez de chips flash NAND. La escasez de flash NAND comenzó en 2016 y ha continuado hasta 2021. La escasez es en parte el resultado de la demanda, pero también se debe a que los proveedores están pasando de la fabricación de NAND 2D o planar a una tecnología NAND 3D mucho más densa. Hacer chips 3D NAND es un proceso más complicado.

Hoy en día, las unidades de estado sólido (SSD) y los teléfonos inteligentes son los principales impulsores del mercado de flash NAND. El mercado de memorias flash NAND alcanzó más de $ 46 mil millones de dólares en 2020 y se espera que alcance más de $ 85 mil millones de dólares en 2026.

Flash NAND frente a flash NOR

Los dos tipos principales de flash son las memorias flash NAND y NOR, que obtienen sus nombres de sus respectivas puertas lógicas.

La memoria flash NAND se escribe y lee en bloques que son más pequeños que el dispositivo, mientras que la memoria flash NOR lee y escribe bytes de forma independiente. Los casos de uso para la memoria flash NOR y NAND incluyen computadoras portátiles y de escritorio; cámaras digitales y reproductores de audio; teléfonos inteligentes; Juegos de vídeo; y electrónica científica, industrial y médica.

La memoria flash NAND ofrece tiempos de escritura y borrado más rápidos que la memoria flash NOR, mientras que la tecnología NAND ofrece una mejor densidad a un menor costo por bit. NAND también ofrece hasta 10 veces la resistencia de NOR.

NAND no es un sustituto adecuado de la ROM porque no ofrece acceso aleatorio a nivel de bytes, que normalmente requieren los datos almacenados en la ROM. La memoria NOR es un buen reemplazo para las unidades RAM y ROM. NAND está más estrechamente relacionado con los dispositivos de almacenamiento secundarios, como los discos duros. Esto hace que la memoria flash NAND sea buena para casos de uso de almacenamiento masivo, como SSD.

Comparación del tipo de memoria
Los tipos de memoria, como RAM estática, RAM dinámica, flash NAND y flash NOR, varían según el precio por gigabyte y la potencia, entre otras cosas.

Limitaciones y desafíos de la memoria flash NAND

Las tecnologías de memoria flash han proporcionado enormes beneficios a los dispositivos electrónicos modernos, desde tarjetas de memoria no volátiles en cámaras hasta SSD de clase empresarial. Pero a pesar de los beneficios, las tecnologías flash como la memoria flash NAND presentan varias limitaciones y desafíos clave que afectan el rendimiento y la confiabilidad, incluido el desgaste, el borrado, la diafonía y la sensibilidad.

  • La memoria flash tiene un número finito de ciclos de programa / borrado (P / E). La mayoría de los productos flash básicos están clasificados para 100.000 ciclos P / E antes de que la integridad de la celda de almacenamiento comience a fallar, aunque algunos tipos de chips flash NAND están clasificados para 1 millón de ciclos P / E o más. El desgaste generalmente se mitiga al distribuir las operaciones de escritura en todo el dispositivo flash, llamado nivelación de desgaste. También se pueden emplear técnicas de reasignación y verificación de escritura para respaldar la gestión de bloques defectuosos. Vale la pena señalar que los ciclos de lectura no están limitados.
  • Aunque la memoria flash se puede escribir un byte o una palabra a la vez, la memoria flash debe borrarse en bloques completos. Cuando se borra un bloque, todos los bits se establecen en 1. Una vez que un bit se cambia a 0, se debe borrar todo el bloque para volver a cambiar un poco a 1. Se necesita un tiempo finito para borrar un bloque antes de que se puedan realizar nuevas escrituras. limitar el rendimiento general de la memoria flash en comparación con otras formas de memoria volátil, como la RAM dinámica (DRAM). El borrado también es parte del problema del desgaste de la memoria.
  • La lectura de la memoria flash NAND puede hacer que las celdas de memoria cercanas cambien con el tiempo. Es un fenómeno llamado leer molestar. En términos prácticos, se pueden necesitar cientos de miles de lecturas para provocar un pequeño cambio; es mucho más probable que el bloque se borre y se reprograme mucho antes de que se alcance el umbral de perturbación de lectura. Sin embargo, los circuitos de flash pueden contar los ciclos de lectura e intervenir para copiar el bloque antes de que ocurra un evento de perturbación de lectura.
  • Las partículas de alta energía, como los rayos X, a veces pueden cambiar 0 en 1 en una serie de celdas de memoria flash. Hay dispositivos de memoria resistentes a los rayos X disponibles para ayudar a prevenir estos problemas.

Industria y proveedores de memoria flash NAND

Según Mordor Intelligence, el mercado de memoria flash NAND se estimó en más de 46 mil millones de dólares en 2020, y se prevé que supere los 85 mil millones de dólares para 2026, una tasa compuesta anual del 11,27%. Se espera que este crecimiento sea impulsado por la demanda de dispositivos informáticos como teléfonos inteligentes, tarjetas de memoria, SSD e incluso proyectos que consumen mucha memoria, como la inteligencia artificial. Hay seis principales fabricantes mundiales de dispositivos de memoria flash NAND, entre los que se incluyen:

  1. Samsung Electronics
  2. Kioxia
  3. Corporación Western Digital (WD)
  4. Tecnología Micron
  5. SK Hynix
  6. Intel

Futuro de la memoria flash NAND

La memoria flash NAND se ha convertido en un componente vital de los dispositivos electrónicos móviles modernos. A medida que estos dispositivos proliferan y se esfuerzan por ofrecer más características y funciones, se demandarán volúmenes cada vez mayores de memoria flash NAND para manejar las crecientes necesidades de almacenamiento de datos y código.

Chip Samsung V-NAND
SSD basado en V-NAND de sexta generación de Samsung

El objetivo principal del diseño y la evolución de la memoria flash NAND es la densidad: empaquetar más bits en chips más pequeños y de menor perfil. Los últimos años han visto el desarrollo de 4D NAND de 128 capas de SK Hynix. Esto permite efectivamente la producción de prácticos dispositivos de almacenamiento NAND de 1 TB con un grosor de paquete de chips de solo 1 mm, ideal para teléfonos inteligentes. Del mismo modo, Samsung ha producido un dispositivo V-NAND con más de 100 capas que ofrece un mejor rendimiento de la memoria con menor latencia y menor consumo de energía.

Estos impulsos fundamentales hacia una mayor capacidad y un rendimiento superior probablemente darán forma al futuro de los dispositivos NAND. Los fabricantes ya están desarrollando NAND 3D de 192 capas y los dispositivos NAND de 256 capas están por llegar. Los fabricantes alcanzarán estos objetivos mediante el uso de diseños innovadores de circuitos flash junto con materiales semiconductores y tecnologías de fabricación en constante mejora que producen obleas flash. Simultáneamente, los fabricantes de flash buscarán mejorar la confiabilidad de los dispositivos NAND en el futuro extendiendo su vida útil y reduciendo el potencial de errores de bits, como leer molestar – fenómeno.

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