3D-NAND: Gestapelter Speicher ab 2015 von weiteren Herstellern

Das Marktforschungsinstitut IC Insights hat anhand von Informationen aus der Halbleiterbranche aktuelle Roadmaps zu Fertigungstechnologien in den Bereichen Flash-Speicher und DRAM erstellt. Im kommenden Jahr wollen nach Samsung mehr Hersteller „3D-NAND“ fertigen. Bei DRAM steht der Wechsel zur Fertigung unterhalb 20 nm an.

Bereits im vergangenen Sommer startete Samsung die Massenproduktion von Flash-Speicher mit dreidimensionaler Struktur, den der Hersteller V-NAND nennt. Samsung ist dabei der Konkurrenz weit voraus, wie die Roadmap veranschaulicht. IM Flash Technologies (IMFT, Micron/Intel) und SK Hynix werden voraussichtlich erst in der ersten Jahreshälfte 2015 mit der Massenfertigung ihres 3D-NAND beginnen. Bei Toshiba/SanDisk, die ebenfalls bei Flash-Speicher kooperieren, wird es demnach noch bis Ende 2015 oder Anfang 2016 dauern.

Im Gegenzug hat Samsung bereits in diesem Jahr die zweite Generation des V-NAND mit 32 statt 24 Lagen eingeführt, die zum Beispiel in der 850 Pro SSD eingesetzt wird. Wenn IMFT und SK Hynix im Laufe von 2016 mit der Massenfertigung der zweiten Generation 3D-NAND beginnen, soll Samsung bereits eine dritte Auflage mit 48 Speicherschichten fertigen, so die Prognose.

Im DRAM-Sektor steht wiederum der Umstieg auf Herstellungsprozesse der Klasse unterhalb von 20 Nanometern an. Hier besitzt Marktführer Samsung laut Grafik einen kleinen Vorsprung vor SK Hynix und Micron.

Allerdings weist IC Insights darauf hin, dass die Roadmaps nur als grobe Richtlinien zu verstehen sind, denn einheitliche Definitionen bei Strukturgrößen und Massenfertigung gibt es nicht. Gerade bei den Nanometer-Angaben fließen oft Zahlenspiele der Marketing-Abteilungen ein. Wie auch bei CPUs hat die nm-Angabe heutzutage mit der eigentlichen Strukturbreite nicht mehr viel gemein, wie auch der Abschnitt „14 nm sind nicht 14 nm“ im aktuellen ComputerBase-Artikel zu Intels „Broadwell“ aufzeigt.

Datendichte aktueller Flash-Technologien

Der wichtigste Faktor für die Kosten des Flash-Speichers ist die Datendichte in Relation zur Chipgröße – je mehr Speicherchips auf einen Wafer passen, umso niedriger sind die Kosten pro Chip. Kristian Vättö von AnandTech hat anhand von Wafer-Aufnahmen die Die-Flächen (1. Bild) aktueller NAND-Produkte der führenden Hersteller ermittelt. Wird die Speicherkapazität durch die Fläche geteilt, ergibt sich die Datendichte (2. Bild) in Gigabit pro Quadratmillimeter. Auch hier ist zu erwähnen, dass es sich vielmehr um Richtwerte als exakte Angaben handelt.

Dabei zeigt sich, dass trotz des vermeintlich geringen Unterschiedes zwischen IMFTs neuen 16-nm-Chips und dem 15-nm-Speicher von Toshiba/SanDisk gleicher Kapazität eine deutlichere Differenz bei der Datendichte besteht. Mit 0,92 Gbit/mm² bietet Toshibas 2D-Flash eine ähnliche Datendichte wie Samsungs 3D-NAND. Der 16-nm-Speicher von Micron, der zum Teil in den günstigen Crucial-MX100-SSDs eingesetzt wird, bringt es laut den Berechnungen auf deutlich geringere 0,74 Gbit/mm².

Durch diese Erkenntnis wird der Rückstand von Toshiba/SanDisk bei 3D-NAND relativiert. Mit der hohen Datendichte ist Toshiba/SanDisk aktuell und voraussichtlich auch noch für das kommende Jahr mit dem 15-nm-2D-NAND gut aufgestellt. Mit ersten SSDs auf Basis des neuen Speichers ist frühestens im vierten Quartal 2014 zu rechnen. Zuvor erscheint SanDisks Ultra II mit 19-nm-TLC-Speicher, deren Verfügbarkeit für September angekündigt wurde.

Zwar bietet 3D-NAND für die Zukunft Vorteile bei Datendichte, Leistung und Leistungsaufnahme und spielt in den Roadmaps aller Hersteller eine Rolle, jedoch bedeutet ein Umstieg von 2D-NAND zunächst erhebliche Kosten durch die Umrüstung respektive den Aufbau der Fertigungsanlagen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass viele Hersteller zunächst weiter auf 2D-NAND setzen, der auch bei Samsung noch einige Jahre eine große Rolle spielen wird, bevor er weitgehend durch 3D-NAND ersetzt wird.

Der Erhöhung der Datendichte in Relation zur Chipfläche durch feinere Herstellungsverfahren, 3D-NAND und TLC-Speicher mit 3 Bit pro Zelle verspricht langfristig weiter sinkende Speicherpreise und höhere Kapazitäten. Samsung will noch in diesem Jahr erste SSDs mit TLC-V-NAND herausbringen, wobei als Produktname „850 Evo“ nahe liegt.