Flash-Speicher: BiCS4-QLC-NAND erreicht 1,33 Terabit pro Chip

Western Digital und Toshiba Memory legen die Messlatte für die Speicherkapazität von NAND-Flash ein Stück höher. Mit dem QLC-3D-NAND mit 96 Layern der Generation BiCS4 wurden erstmals 1,33 Terabit pro Chip (Die) erreicht – ein neuer Höchststand für die Branche. Die Bemusterung der 1,33-Terabit-Chips stehe bevor.

BiCS4-QLC-NAND mit 1,33 Terabit als Sample

Es ist bereits die zweite Auflage 3D-NAND mit vier Bit pro Zelle (QLC) der beiden Partner, denn Western Digital und Toshibas ehemalige Speichersparte hatten schon bei der Generation BiCS3 mit 64 Zellschichten QLC-Flash im Programm. Allerdings ist nicht bekannt, ob der erste QLC-Flash überhaupt in Produkten eingesetzt wird. Der neue QLC-Flash mit 1,33 Terabit soll noch in diesem Jahr in Serie gefertigt werden und in Produkten der Tochter SanDisk Verwendung finden. Geplant sei der Einsatz „von SSDs für den Einzelhandel bis hin zu Enterprise-SSDs“. Aber auch für die Bereiche Mobile und Embedded sieht Western Digital den neuen QLC-NAND vor.

2,66 Terabyte in einem einzigen Package

Toshiba Memory gibt an, dass ab September Samples an Hersteller von SSDs und SSD-Controllern ausgeliefert werden sollen. Die Massenfertigung sei für 2019 zu erwarten. Ein NAND-Package soll bis zu 16 QLC-Dies enthalten – dies würde eine Speicherkapazität von 2,66 Terabyte in einem einzelnen Speicherbaustein (Package) bedeuten.

Laut Dr. Siva Sivaram, dem Executive Vice President, Silicon Technology and Manufacturing bei Western Digital, besitzt der BiCS4-QLC-NAND die beste „intrinsische Kostenstruktur“ eines NAND-Produkts. Das deutet an, dass der 1,33-Tbit-Flash auch in puncto Speicherdichte führend ist und später, bei fortgeschrittener Fertigung mit guter Chip-Ausbeute, die Herstellungskosten pro Bit einen neuen Tiefstand erreichen könnten. Technische Details zum BiCS4-QLC-Flash liefert die knappe Ankündigung aber nicht.

Die Konkurrenz ist noch bei 1 Terabit

Die Konkurrenz hat bisher QLC-NAND mit maximal 1 Terabit pro Die vorgestellt. Den Anfang hatten Intel und Micron mit ihrem 64-Layer-QLC-Flash gemacht. Samsung plant mit der 96-Layer-Generation (V-NAND v5) ebenfalls QLC mit 1 Terabit, fertigt aber zunächst nur eine TLC-Variante mit 256 Gbit in Serie.

QLC-Flash ermöglicht über 1 Terabit pro Chip

Das Hinzufügen eines weiteren Bit pro Speicherzelle ist eine Maßnahme, um die Speicherdichte pro Chip und Wafer zu erhöhen und damit die Kosten pro Bit zu senken. Nach SLC mit einem Bit, MLC mit zwei Bit und TLC mit drei Bit pro Zelle ist QLC (Quadruple- oder Quad-Level Cell) der nächste logische Schritt. Der Sprung von drei auf vier Bit bedeutet eine Kapazitätssteigerung von einem Drittel gegenüber TLC-NAND.

Mehr Bit pro Zelle macht das Speichern komplizierter

Wie so oft hat die Sache jedoch einen Haken: Mit dem zusätzlichen Bit steigt die Komplexität des 3D-NAND nochmals an. NAND-Flash speichert die Informationen über unterschiedliche Spannungen (Voltage Level). Waren bei SLC-NAND nur zwei Spannungen für ein Bit (0 und 1) nötig, verdoppelte sich die Zahl bei 2-Bit-MLC bereits auf vier Voltage-Level, bei TLC waren es dann acht und bei QLC sind es nun ganze 16 unterschiedliche Spannungen, die pro Speicherzelle vorliegen. Dies hat nicht nur zur Folge, dass das Schreiben der Daten aufwendiger und langwieriger ist und entsprechend die Leistung sinkt, sondern beeinflusst auch die Haltbarkeit, die anhand der möglichen Schreibzyklen (P/E Cycles) eingestuft wird.

Micron hat aber immerhin 1.000 P/E-Zyklen für seinen QLC-Flash genannt, was für viele Einsatzgebiete ausreichend ist. Im Vorfeld hatte auch Toshiba 1.000 Schreibzyklen für QLC in Aussicht gestellt.

Mit QLC sollen SSDs noch günstiger werden

Bis die Massenproduktion von QLC-Flash ein Level erreicht hat, auf dem sich die Kostenvorteile bemerkbar machen, wird es noch eine Weile dauern. Langfristig ist aber günstigerer NAND-Flash zu erwarten, der auch die Preise von SSDs weiter senken könnte. SSDs waren in den letzten Jahren aufgrund einer Speicherknappheit teurer geworden, sind aber inzwischen so günstig wie nie zuvor.