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Flash-Speicher mit der bisher höchsten Kapazität
Trotz der Wirtschaftsflaute der Elektronikindustrie setzt der Speicherkartenhersteller SanDisk darauf, dass die Kunden bereit sind, mehr Daten in die Tasche zu stecken.
Speicher multipliziert: Eine mikroskopische Aufnahme eines 64-Gigabit-Flash-Chips, der vier Bits pro Speicherzelle speichern kann – doppelt so viel wie traditionell gespeichert.
Das Unternehmen hat einen bedeutenden Fortschritt in der Flash-Speicher-Technologie angekündigt, die es ermöglicht, 64 Gigabit Daten auf einem fingernagelgroßen Chip zu speichern. Die neuen, geräumigeren Flash-Chips tun dies, indem sie vier Bits pro Speicherzelle halten, im Gegensatz zu den standardmäßigen ein oder zwei Bits pro Zelle. SanDisk präsentierte Details des Vorstoßes auf der Internationale Konferenz für Halbleiterschaltungen am Dienstag in San Francisco.
Die Entwicklung eines Chips mit vier Bit pro Zelle ist eine enorme Herausforderung, und wir betrachten dies als einen großen Durchbruch, sagt Khandker Quader, Senior Vice President of Memory Technology and Product Development bei SanDisk. Quader fügt hinzu, dass die auf der Konferenz präsentierte Arbeit, die sich darauf konzentriert, sicherzustellen, dass Daten zuverlässig gespeichert werden, Auswirkungen auf zukünftige Generationen von Flash-Speichern hat.
Flash-Speicher sind zu einer tragenden Säule der Elektronikindustrie geworden. Es wird in vielen Geräten verwendet, darunter Kameras, Spielkonsolen, Mobiltelefone und die neuesten Laptops. Da auf einem Flash-Chip Daten als elektrische Ladung auf Transistoren gespeichert werden, unterliegt Flash-Speicher dem berühmten Credo von Gordon Moore von Intel vor Jahrzehnten: dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre verdoppeln wird. Mit anderen Worten, dank der immer kleiner werdenden Transistoren wird der Flash-Speicher immer größer.
In den letzten Jahren haben Ingenieure jedoch einen anderen Weg gefunden, die Kapazität von Flash-Laufwerken zu erhöhen, ohne darauf zu warten, dass die Transistoren schrumpfen. Sie tun dies, indem sie mehr als ein Datenbit pro Transistor in sogenannten Multilevel Cells (MLCs) speichern. In einer Einzelpegelzelle werden Daten unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Zuständen gespeichert, die durch unterschiedliche Spannungspegel definiert sind. Im Gegensatz dazu speichert ein 4-Bit-MLC Informationen in 16 Zuständen, was in vier Datenbits pro Zelle oder der vierfachen Informationsmenge übersetzt wird.
Dieser Trick ist keineswegs einfach. Es sei eine große Herausforderung, dafür zu sorgen, dass jede Speicherzelle genau die richtige Spannung beibehält, ohne die benachbarter Zellen zu stören, sagt Quader. Ein weiteres Problem besteht darin, die Zeit zu verkürzen, die zum Schreiben in diese Zellen benötigt wird.
SanDisk hat diese Probleme mit neuen Algorithmen angegangen, die auf einem Flash-Speicher-Chip-Controller ausgeführt werden. Um Daten in und aus Zellen zu schreiben und zu lesen, verwenden Ingenieure einige der Transistoren auf einem Flash-Chip, um die anderen Transistoren zu steuern, die zum Speichern von Daten verwendet werden. Diese Algorithmen sind wesentliche Faktoren beim zuverlässigen Einfüllen von vier Bits pro Zelle.
Wir haben eine Reihe von Schlüsselkonzepten eingeführt, mit denen wir die Speicherseite verwalten können, sagt Quader. Die Komplexität dieser Verteilung unterscheidet sich so stark von der, die Sie mit zwei Bits pro Zelle tun.
Normalerweise wird eine einzige angelegte Spannung verwendet, um Daten in eine Speicherzelle zu schreiben, aber dieser Ansatz funktioniert bei Vier-Bit-Zellen nicht, da sie so klein und eng beieinander sind. Das Schreiben in eine Zelle kann aufgrund elektrischer Kopplungseffekte leicht eine benachbarte Zelle löschen. Mit einem Ansatz namens Drei-Schritt-Programmierung wird dieses Problem umgangen. Eine kleine Spannung wird an eine Zelle angelegt, wodurch effektiv nur 3 ihrer 16 Zustände programmiert werden. Als nächstes werden die benachbarten Zellen mit unterschiedlichen Spannungen auf 15 bzw. 3 Pegel programmiert. Schließlich wird die ursprüngliche Zelle ein zweites Mal programmiert. Das schrittweise Schreiben von Daten erzeugt elektrische Eigenschaften innerhalb der Zelle, die eine zuverlässige Speicherung von Bits gewährleisten.
Da das Programmierschema etwas länger dauert als bei herkömmlichen Ansätzen, hat SanDisk eine Funktion entwickelt, die die in den Zellen gespeicherten Spannungen erfasst, indem sie sich effektiv an die zuvor erfassten Werte erinnert. Das Endergebnis ist ein Chip, der Daten mit einer Geschwindigkeit von 7,8 Megabyte pro Sekunde schreiben kann – nahe der Geschwindigkeit, mit der auf vorhandene Chips zugegriffen werden kann. Quader von SanDisk sagt, dass die 64-Gigabit-Chips vor der zweiten Hälfte dieses Jahres mit 43-Nanometer-Lithografietechnologie in Produktion gehen werden.
Mark Bauer , ein wissenschaftlicher Mitarbeiter des Speicherunternehmens Numonyx und Vorsitzender der Konferenzsitzung, sagt, dass die eigentliche Innovation hinter der Arbeit von SanDisk die Controller-Technologie ist. Ohne diesen Controller werden Sie kein 4-Bit-Flash sehen, sagt er.
Bauer fügt hinzu, dass, während einige Experten vorhergesagt haben, dass Flash-Speicher an seine Speichergrenzen stößt, clevere Technik der Technologie immer wieder neues Leben einhaucht. Vor vier Jahren sagten die Leute, dass Flash auf eine Straßensperre stoße, aber die Verbesserungen kommen weiter, sagt er. Wir können nicht sagen, welche Lösungen heute erforscht werden, um die Probleme von morgen zu lösen.