35 Jahre NAND-Flash: Vom 4-Mbit-EEPROM bis zur 100-TB-SSD

Kioxia (früher Toshiba) feiert in diesem Jahr 35 Jahre NAND-Flash-Speicher, der heute in zahlreichen Produkten wie SSDs, Smartphones und Speicherkarten zu finden ist. Ein kurzer Rückblick vom winzigen 4-Mbit-EEPROM bis zur 100-TB-SSD.

Toshiba erfand den Flash-Speicher

Bereits 1980 erfand der japanische Toshiba-Ingenieur Fujio Masuoka den Flash-Speicher, der angeblich seinen Namen erhielt, da der Löschvorgang seinen Kollegen Shoji Ariizumi an einen Kamerablitz erinnerte. Aber erst im Jahr 1987 folgte die Veröffentlichung von NAND-Flash auf dem damaligen IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), die den Anlass zum diesjährigen Jubiläum darstellt. Seit Anfang Oktober 2019 firmiert die ehemalige Speichersparte von Toshiba unter dem Namen Kioxia.

Vor 30 Jahren fing es mit 4-Mbit-EEPROMs an

In mehreren Grafiken (PDF) stellt Kioxia die Meilensteine seiner NAND-Flash-Entwicklung heraus. Den Anfang machten 1991 Flash-EEPROM-Chips mit lediglich 4 Megabit Speicherkapazität.

Die Weichen für eine beschleunigte Entwicklung und Fertigung wurden 1999 mit der Partnerschaft mit dem US-Unternehmen SanDisk gestellt. Die verschiedenen Flash-Joint-Ventures der beiden Unternehmen bestehen auch nach der Übernahme von SanDisk durch Western Digital weiterhin. Heute heißen die Partner also Kioxia und Western Digital und stellen zusammen etwa ein Drittel der weltweiten NAND-Flash-Produktion.

Rasch stiegen die Speicherkapazitäten und bereits im Jahr 2001 wurde der erste MLC-NAND mit 1 Gigabit und 2 Bit pro Speicherzelle vorgestellt. 2005 folgte der erste 8-Gigabit-NAND. Heute erreichen die Speicherchips Kapazitäten von 1 Terabit bei 3 (TLC) oder 4 Bit (QLC) pro Speicherzelle. Den Rekord von 1,33 Terabit pro Die halten ebenfalls Kioxia und Western Digital.

3D-NAND stapelt die Speicherzellen

Im Jahr 2007 wurde der erste 3D-NAND angekündigt, der die Speicherzellen in mehreren Ebenen (Layer) übereinander stapelt, was die Flächendichte später maßgeblich gesteigert und die Kosten deutlich gesenkt hat. Bei der Massenfertigung von 3D-NAND kam allerdings Samsung Toshiba zuvor. 2D-NAND spielt heute kaum noch eine Rolle, wird aber weiterhin für gewisse Segmente produziert.

Inzwischen ist 3D-NAND mit 176 Ebenen etwa bei Micron und bei SK Hynix erhältlich, in naher Zukunft wird es über 200 Layer geben.

Im Jahr 2013 hatte NAND-Flash längst den Markt der Smartphones erreicht, der heute über ein Drittel der weltweiten NAND-Produktion für sich beansprucht. Für dieses Segment und andere kompakte Geräte hat Kioxia in jenem Jahr den ersten Universal Flash Storage (UFS) herausgebracht, der ein neues Format für Embedded-NAND bedeutete, das heute bei UFS 3.1 angekommen ist.

Zwei Jahre später wurden erstmals 16 NAND-Dies in einem Chipgehäuse untergebracht und mittels Silizium-Durchkontaktierung (TSV) miteinander verbunden. Die Technik ermöglichte im Jahr 2017 die ersten TLC-Speicherbausteine mit 1 TB Speicherkapazität. Dies wurde aber rasch durch QLC-NAND mit 1,5 TB pro Package und im darauf folgenden Jahr durch den besagten 1,33-Terabit-NAND für 2,66 TB pro Package nochmals überboten.

Normale SSDs für Verbraucher bieten inzwischen Speicherkapazitäten bis 8 TB, spezielle Enterprise-Modelle kommen schon auf 100 TB.

Und heute?

Zu den jüngsten Entwicklungen von Kioxia und Western Digital zählt der 3D-NAND der sechsten Generation (BiCS 6) mit 162 Zellebenen sowie der auf hohe Leistung getrimmte XL-Flash.

Auch SSDs bietet Kioxia selbst an. Zu den Neuheiten zählen direkt an das Netzwerk angebundene SSDs (NVMe over Fabrics) und die kommende Generation schneller PCIe-5.0-SSDs.

Dass aber nicht immer alles rund läuft, zeigte sich erst kürzlich: Durch verunreinigtes Material mussten Kioxia und Western Digital einen Produktionsausfall mit einem Speichervolumen von mehreren Exabyte vermelden.