64 Layer V-NAND: Samsungs 3D-NAND Gen4 kommt spät und überrascht

Eigentlich wollte Samsung die vierte Generation des V-NAND bereits im vierten Quartal 2016 in Serie fertigen. Doch erst heute folgt die Verkündung des Beginns der Massenproduktion. Der neue 3D-TLC-NAND besitzt 64 Layer und 256 Gbit Speicherplatz. Von den angekündigten 512 Gbit ist noch keine Rede, dafür sind die Chips schneller.

Im vergangenen August hatte Samsung den V-NAND Gen4 erstmals angekündigt und dabei eine Verdoppelung der Speicherkapazität von 256 auf 512 Gigabit gegenüber der Gen3 mit 48 Layern in Aussicht gestellt. Die Datenrate (I/O Speed) pro Chip wurde mit 800 Mbit/s angegeben und die Serienfertigung für das vierte Quartal 2016 anvisiert.

Spät dran

Augenscheinlich haben sich die Pläne nicht nur zeitlich geändert. Die Massenfertigung folgt mit einem guten halben Jahr Verspätung, seit der Ankündigung ließ Samsung keine weitere Meldung zum Stand der Dinge folgen – bis heute. Nun heißt es, dass Samsung bereits im Januar die „industry’s first SSD based on 64-layer 256Gb V-NAND chips“ produziert hat. Im Laufe des Jahres sollen weitere SSDs sowie Speicherkarten und UFS-Speicher mit dem neuen 3D-NAND folgen. Bis zum Jahresende soll die auch als V4 abgekürzte Speichergeneration bereits mehr als die Hälfte der monatlichen NAND-Flash-Produktion von Samsung ausmachen, so der ambitionierte Plan. Die „productivity“ steige gegenüber Gen3 um über 30 Prozent.

Die Chips sind schneller als erwartet

Dass das Debüt mit 256 statt 512 Gbit erfolgt, war nach Samsungs Worten ebenso nicht zu erwarten. Doch bezüglich der I/O-Datenrate pro Chip gibt es eine positive Überraschung: Denn diese beträgt nicht 800 Mbit/s sondern gleich 1.000 Mbit/s (1 Gbit/s), womit Samsung die Konkurrenz in diesem Punkt hinter sich lässt. Zudem wird mit der kürzesten page program time (tPROG) für NAND-Flash geworben. Eine Page soll sich in 500 Mikrosekunden schreiben lassen. Laut Samsung sei dies etwa viermal schneller als bei 2D-NAND der „10nm class“ und 50 Prozent schneller als bei der dritten Generation des V-NAND. Ein älteres Dokument (PDF) nennt allerdings für den V-NAND der zweiten Generation eine tPROG von nur 390 µs. Ob die Angaben vergleichbar sind, lässt sich mangels näherer Details jedoch nicht sagen.

Samsung erwartet, dass sich die Branche fortan wieder mehr auf die Leistung und Haltbarkeit von Speicher konzentrieren wird, „statt sich in ein Chip-Skalierungsrennen zu stürzen“, so der O-Ton.

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Neben der höheren Leistung soll auch die von 3,3 auf 2,5 Volt gesenkte Eingangsspannung für weiteren Fortschritt in puncto Effizienz sorgen. Die Energieeffizienz nehme laut Samsung gegenüber Gen3 um etwa 30 Prozent zu. Zudem soll die „reliability“ der neuen Speicherzellen um 20 Prozent gestiegen sein. Was dies konkret für die Haltbarkeit bedeutet, gilt es abzuwarten.

Erste Produkte mit V-NAND Gen4

Das Samsungs Ankündigung angehängte Bildmaterial zeigt eine Neuauflage der OEM-Client-SSD PM871: Die PM871b ist demnach mit dem neuen Speicher bestückt. Zu den ersten Produkten für Endkunden könnte dagegen Samsungs Portable SSD T5 zählen. In beiden Fällen steht eine offizielle Ankündigung noch aus.

Die technischen Hürden

Samsung beschreibt auch kurz, welche technischen Hürden bei der neuen Generation genommen werden mussten. Die größte Herausforderung sei dabei den Milliarden von winzigen Löchern (Channel Holes), die vertikal durch die 64 Zellebenen verlaufen, eine homogene Form zu verpassen und sie zu stabilisieren. Auf Basis der Charge-Trap-Flash-Technik musste zudem das Innere dieser Röhren mit einer extrem dünnen Schicht („atomic thin“) einer nicht-leitenden Substanz versehen werden.

Konkurrenz hat aufgeholt

Zumindest in puncto Layer-Zahl und Speicherkapazität ist die Konkurrenz bereits auf Augenhöhe mit Samsung. Western Digital und Toshiba liefern bereits 64-Layer-Chips mit 256 und 512 Gbit aus und haben erste SSDs vorgestellt. Intel und Micron haben ihren 59 mm² winzigen 64-Layer-NAND mit 256 Gbit auf der Computex gezeigt und bereiten den Start der Massenproduktion im späteren Jahresverlauf vor. SK Hynix geht einen etwas anderen Weg und wird 256-Gbit-Chips mit 72 Layern voraussichtlich im zweiten Halbjahr in Serie fertigen.

Wer nun insgesamt mit der neuen Generation seines 3D-NAND die Nase vorn hat, bleibt abzuwarten. Ein wichtiger Faktor für die Kosten ist die Datendichte, bei der voraussichtlich Intel und Micron mit ihrer Technik CMOS under Array einen Vorsprung haben. Die Faktoren Leistung, Effizienz und Haltbarkeit sind aber ebenso relevant für das Endprodukt.

Noch mehr Layer für 1 Terabit

Nachfolgende Generationen des V-NAND sollen noch mehr Zellebenen aufweisen, um Speicherkapazitäten von einem Terabit pro Chip zu erreichen. Mit dem 64-Layer-NAND sei die technische Grundlage erreicht, mehr als 90 Layer – 96 gelten als sehr wahrscheinlich – übereinander zu schichten. SK Hynix hatte erst kürzlich die Arbeiten an 3D-NAND mit 96 und 128 Layern erwähnt.