3D-NAND-Flash: Samsung über V8 mit 200+ und künftige 1.000+ Layer

Analog zum Nanometer-Rennen bei Hauptprozessoren wetteifern die Hersteller um die Zahl der Zellschichten (Layer) bei NAND-Flash-Speicher. In diesem Punkt ist Marktführer Samsung inzwischen ins Hintertreffen geraten, spricht aber nun vom bald kommenden 176-Layer-NAND, über die Generation V8 mit 200+ sowie irgendwann 1.000+ Layer.

Layer sind die Nanometer der NAND-Branche

Die Zahl der Layer ist zwar im Marketing dominant, sagt allein aber nicht aus, welcher NAND-Flash am fortschrittlichsten oder am besten ist. Letztlich bestimmen weitere Faktoren wie die Größe und Anzahl der Speicherzellen pro Layer sowie die Fläche des Chips die Datendichte. Ferner kommt es auch auf Leistung und Haltbarkeit an, worauf weitere Design-Aspekte Einfluss nehmen.

Dennoch ist es eben diese Layer-Zahl, an denen Generationen von 3D-NAND vor allem gemessen werden. Samsung hatte im Jahr 2013 den weltweit ersten 3D-NAND mit seinerzeit 24 Layern entwickelt. Aktuell fertigt Samsung die sechste Generation des „V-NAND“ mit „100+“ Layern, so die offiziell schwammige Angabe, Medien gingen zum ISSCC 2019 zunächst von etwa 110 bis 120 Layern aus, während inzwischen von 128 Layern die Rede ist. Kioxia (ehemals Toshiba Memory) und Western Digital hatten zu diesem Zeitpunkt schon 128-Layer-Chips (BiCS5) mit wesentlich höherer Datendichte präsentiert.

Konkurrenz hat aufgeholt und teils überholt

Während Microns 176-Layer-NAND schon erste Produkte erreicht hat, steht Samsungs 3D-NAND der siebten Generation (V-NAND V7) mit 176 Layern erst jetzt in den Startlöchern. Auch bei SK Hynix ist die 176-Layer-Generation bald zu erwarten.

	Kioxia/WD BiCS6	Kioxia/WD BiCS5	Samsung V7	Samsung V6	SK Hynix V7	SK Hynix V6
Typ (Bit/Zelle)	TLC (3 Bit)
Kapazität	1 Tbit	512 Gbit
Planes	4
Layer (WL)	>170	128	1xx	128	176	128
Die-Fläche	98 mm²	66 mm²	~60 mm²	101,58 mm²	~47 mm²	~66 mm²
Dichte	10,4 Gb/mm²	7,8 Gb/mm²	8,5 Gb/mm²	5,0 Gb/mm²	10,8 Gb/mm²	7,8 Gb/mm²
Read (tR)	50 µs	56 µs	40 µs	45 µs	50 µs	56 µs
Program	160 MB/s	132 MB/s	184 MB/s	82 MB/s	168 MB/s	132 MB/s
I/O	2,0 Gb/s	1,066 Gb/s	2,0 Gb/s	1,2 Gb/s	1,6 Gb/s	1,066 Gb/s

Bei der Flächendichte liegt Samsungs V7 immer noch deutlich hinter BiCS6 von Kioxia/WD und V7 von SK Hynix zurück, wie die zum ISSCC 2021 veröffentlichten Eckdaten offenbaren. Dafür hat Samsung in puncto Leistung nochmals zugelegt und liegt lesend wie schreibend vorn. Micron zeigt sich bei seiner ersten eigenen NAND-Architektur nach der Trennung von Intel sehr verschlossen, was technische Details angeht. Der 176-Layer-NAND dürfte aber bei Flächendichte und Leistung ebenfalls in der Spitze mitspielen.

Samsung spricht über kleinste Zellen

In einem Leitartikel geht Samsungs Chef der Flash-Speicher-Sparte Jaihyuk Song zunächst auf die technische Vorreiterrolle von Samsung bei 3D-NAND ein, kommt später aber auch auf den neuen V-NAND V7 sowie dessen Nachfolger V-NAND V8 zu sprechen. Laut Song konnte Samsung das Volumen einer Speicherzelle beim 176-Layer-NAND um 35 Prozent reduzieren, sodass dieser die „bisher kleinste Zellgröße der Branche“ besitze. Dadurch falle auch die Dicke der Layer kleiner aus, sodass 176 Layer übereinandergestapelt nicht höher als „100+ Layer“ der Generation V6 ausfallen sollen.

Weiterhin spricht Song darüber, dass Samsung als einziger Hersteller dazu in der Lage sei, über 100 Layer in einem einzelnen Stapel (Single-Stack) unterzubringen und miteinander zu verbinden. Dass ein solches Design auch für die Generation V7 mit 176 Layern gilt, wird aber nicht konkret gesagt und frühere Berichte hatten schon auf den Wechsel auf ein Double-Stack-Design bei Samsungs V7 hingewiesen. Die anderen Hersteller nutzen längst zwei Stacks, Intel ist sogar schon bei drei Stacks bei seinem 144-Layer-NAND angekommen. Nachtrag: Samsung hat der Redaktion bestätigt, dass bei V7 ein Double-Stack-Design zum Einsatz kommt (siehe Update am Ende der Meldung).

Ein monolithisches Design gilt zwar als insgesamt besser als ein modulares Design, doch wird es immer schwieriger und langwieriger, die Zahl der Layer auf diese Weise zu erhöhen, statt einfach mehrere Stacks zu stapeln. Das lange Festhalten an Single-Stack wird auch als Hauptursache vermutet, warum Samsung allmählich seinen Vorsprung verloren hat.

V7 für Consumer- und Server-SSDs

Mit der auf 2,0 Gbit/s beschleunigten NAND-Schnittstelle sieht Samsung seinen V-NAND V7 sowohl für SSDs mit PCIe 4.0 als auch mit PCIe 5.0 mit nochmals verdoppelter Datenrate gerüstet. Auch Kioxia und WD wollen beim BiCS6 2,0 Gbit/s bieten, während sich Micron und SK Hynix bei ihrem 176-Layer-NAND mit jeweils 1,6 Gbit/s begnügen.

Der V7-NAND von Samsung soll in Form einer Consumer-SSD sein Debüt geben, die Samsung im zweiten Halbjahr 2021 „zeigen“ will, was nicht zwingend einen parallelen Marktstart bedeutet. Auch in SSDs für Rechenzentren soll der 176-Layer-NAND eingesetzt werden und dort unter anderem für eine gegenüber V6 um 16 Prozent gesteigerte Energieeffizienz sorgen, so Song.

V-NAND V8 mit „200+“ Layern

Kurz und knapp hat der Samsung-Manager an gleicher Stelle die Entwicklung der achten Generation V-NAND (V8) mit „mehr als 200 Layern“ bestätigt, von der es bereits funktionsfähige Chips gebe. Doch weder nähere Details zur Technik noch ein grober Zeitrahmen für die Veröffentlichung wurden genannt.

Business Korea berichtet in diesem Zusammenhang von 228 Layern, eine Zahl, die sich in der englischsprachigen Ankündigung von Samsung aber nicht wiederfindet.

Über 1.000 Layer sind ein Fernziel

Während einige Analysten schon lange das Ende der Fahnenstange bei der möglichen Anzahl der Layer von 3D-NAND vorhersagen, wird das Stapeln aus Sicht der Hersteller noch lange weitergehen. SK Hynix hatte schon einen Blick in die ferne Zukunft mit mehr als 800 Layern gewagt und Samsung legt jetzt noch eine Schippe drauf: Das unweigerlich nahende Limit durch die maximal mögliche Chiphöhe will Samsung bis hin zu mehr als 1.000 Layern durch „3D Scaling Technology“ überwinden.