NAND سه بعدی نوعی فلش مموری غیر موقت است که در آن سلول های حافظه به صورت عمودی در چندین لایه روی هم قرار گرفته اند. طراحی و ساخت حافظه NAND سه بعدی به طور اساسی با NAND دو بعدی، یا مسطح، سنتی که در آن سلول های حافظه در یک ماتریس دو بعدی ساده مرتب شده اند، متفاوت است.
مبانی NAND دو بعدی و سه بعدی
یک سلول حافظه فلش اساساً یک گیت منطقی است و همه گیت های منطقی از یک رابطه ورودی / خروجی باینری (I/O) استفاده می کنند. جدولی که رابطه ورودی و خروجی گیت منطقی را فهرست می کند، جدول حقیقت نامیده می شود.
زمانی که توشیبا در دهه 1980 حافظه فلش را توسعه داد، دستگاه های حافظه مبتنی بر دو نوع گیت منطقی متفاوت بودند: NOR که مخفف not-OR است و NAND که مخفف not-AND است. هر دو طرح، داده ها را در سلول های حافظه ساخته شده با ترانزیستور های دروازه شناور (FGT) ذخیره می کنند.
امروزه NAND به عنوان محبوب ترین و پرکاربرد ترین نوع سلول حافظه فلش شناخته شده است. تصویر زیر گیت های NAND و NOR اولیه را نشان می دهد.
فلش مموری به دلیل ماهیت غیر موقت محبوبیت پیدا کرد. یعنی هر سلول حافظه می تواند حالت باینری خود را حفظ کند، صفر یا یک منطقی و انواع داده ها، بدون نیاز به برق مداوم. این وضعیت به طور چشمگیری متفاوت از رم پویا (DRAM) است که در آن هر سلول حافظه باید به طور مداوم به روز شود تا حالت باینری خود را حفظ کند. حافظه قابل بازنویسی غیر موقت، وسیله های قابل حمل و مناسبی را برای طیف وسیعی از دستگاه ها مانند دستگاه های تصویر برداری و ضبط ویدیو، درایو های کوچک برای انتقال فایل ها و داده ها، و دستگاه های درایو حالت جامد (SSD) فراهم کرده است.
همانند رم پویا، حافظه های فلش دو بعدی با سلول های حافظه که در یک ماتریس افقی دو بعدی چیده شده اند، طراحی و ساخته می شوند. این رویکرد به خوبی اثبات شده است و به دلیل فضای محدود روی قالب سیلیکونی خود تراشه، ظرفیت و عملکرد را با چالش هایی مواجه می کند. برای افزایش ظرفیت ذخیره سازی، سلول های حافظه به دست آمده باید یا کوچکتر، یا دارای قالب بزرگتر یا هر دو باشند.
از آنجایی که ساخت سلول های حافظه در محدوده فناوری ساخت امروزی نمی تواند خیلی کوچکتر شود، دستگاه فلاش دو بعدی حاصل باید بزرگتر شود و اتصالات طولانی تری بین سلول های حافظه ایجاد کند که تأخیر را افزایش داده و کارایی را کاهش می دهد. بنابراین، دستگاه های فلش دو بعدی در حال حاضر به ظرفیت 128 گیگابایت محدود شده اند.
دستگاه های فلش سه بعدی با قرار دادن سلول های حافظه در لایه های عمودی به جای یک لایه افقی، ظرفیت و عملکرد را افزایش می دهند. این به طور موثر سلول های حافظه موجود را برای یک منطقه معین چند برابر می کند و در عین حال که از مناطق کمتر استفاده می کند، ظرفیت ذخیره سازی بسیار بیشتری را ممکن می کند.
علاوه بر این، انباشته شدن اتصالات کلی کوتاه تر را برای هر سلول حافظه فعال می کند، که از عملکرد سریع تر حافظه پشتیبانی می کند. فلش سه بعدی یک رویکرد ساخت نسبتا جدید است، اما ظرفیت های 256 گیگابایتی و 512 گیگابایتی با پتانسیل برای دستگاه های حافظه بسیار بزرگتر در دسترس است.
فلش و NAND سه بعدی چگونه کار می کنند؟
حافظه فلش یک نوع پیشرفته از حافظه فقط خواندنی قابل برنامه ریزی با قابلیت پاک کردن الکتریکی (EEPROM) است؛ نوعی حافظه غیر فرار که به طور سنتی چیزی مانند BIOS را در کامپیوتر نگه می دارد. حافظه فلش داده ها را در آرایه هایی از ترانزیستور ها ذخیره می کند که می توانند برای ذخیره یک، دو، سه یا چهار بیت داده طراحی شوند.
ترانزیستور های دروازه شناور مبتنی بر نیمه هادی فلزی (FGTs) که برای ساخت سلول های حافظه استفاده می شوند، به جای یک گیت، از دو تا استفاده می کنند. یک گیت یک گیت شناور و یک گیت دیگر یک گیت کنترل است. در واقع، سری گیت ها به عنوان یک سوئیچ عمل می کنند که در آن گیت کنترل الکترون ها را جذب می کند و الکترون ها را به سمت دروازه کنترل حرکت می دهد. این نوع معماری ترانزیستور را قادر می سازد تا وضعیت هر سلول حافظه را هنگام قطع برق حفظ کند.
همانند EEPROM های قدیمی و سنتی، یک سلول حافظه فلش قبل از بازنویسی باید پاک شود. یک EEPROM داده ها را بایت به بایت پاک می کند. در یک دستگاه فلش مموری، الکترون های تونل زنی هر باری را که بر روی دروازه شناور وجود دارد، یک لحظه به سرعت پاک می کنند، بریا همین هم نام آن فلش مموری است (flash= پر سرعت)، و امکان بازنویسی محتویات را فراهم می کند.
فلش NOR به گونه ای طراحی شده است که دسترسی پر سرعت به مکان های حافظه فردی را فراهم می کند، و NOR را برای کار هایی که به سرعت و دسترسی بهینه بستگی دارد، مانند سیستم افزار رایانه های شخصی مدرن، مناسب می سازد، و دستگاه های قدیمی تر نوع EEPROM را عملاً منسوخ می کند. در مقایسه، فلش NAND برای کار با بلوک هایی از داده ها به نام pages طراحی شده است.
این باعث می شود فلش NAND برای خواندن و نوشتن متوالی با سرعت بالا برای فعالیت های داده ای با حجم بالا مانند ویدیو و تصاویر مناسب باشد. NAND عملکرد خواندن بسیار سریع را ارائه می دهد و هزینه کمتری نسبت به NOR دارد. در نتیجه، فلش NAND تکنولوژی غالب حافظه فلش برای بسیاری از دستگاه های مصرف کننده و صنعتی است.
برخلاف DRAM، تمام فلش مموری ها تعداد محدودی از چرخه های پاک کردن/برنامه (دنباله ای از رویداد ها که در آن داده ها در سلول حافظه فلش NAND حالت جامد نوشته می شوند، سپس پاک می شوند و سپس بازنویسی می شوند.) را ارائه می دهد، مشخصه ای که به آن استقامت می گویند. رفتار الکترون های تونل زنی که برای پاک کردن سلول حافظه استفاده می شود، در نهایت باعث فرسودگی و از کار افتادن سلول حافظه می شود. همانطور که سلول فرسوده می شود و سلول ها از کار می افتند، طراحی کلی تراشه حافظه برای جابجایی سلول های بد و بلوک های بد کار می کند و در نتیجه زمان بیشتری برای نوشتن برنامه مورد نیاز است که عملکرد حافظه فلش را کاهش می دهد.
خوشبختانه، استقامت یک دستگاه فلش مموری مدرن، شامل هزاران چرخه پاک کردن/برنامه می شود. و این عمر با تکنیک های سطح بندی، سایش افزایش می یابد که تضمین می کند تمام حافظه قبل از پاک شدن سلول ها نوشته می شود و اساساً از پاک شدن و بازنویسی مکرر همان زیرمجموعه های سلول های حافظه جلوگیری می کند در حالی که سایر قسمت های تراشه نسبتاً بدون استفاده باقی می مانند.
برای رد شدن از فلاش دو بعدی به فلاش سه بعدی، فرآیند ساخت چندین لایه سلول حافظه را به همراه اتصالات بین لایه ها روی هم اضافه می کند. یک تراشه فلش سه بعدی NAND معمولی به راحتی می تواند 32 تا 48 لایه مجزا را در بر بگیرد و دستگاه های 64، 96 و حتی 128 لایه را در بر بگیرد. افزودن لایه ها ساخت فلاش سه بعدی را دشوار تر و زمان برتر از فلاش دو بعدی می کند. با این حال، لایه ها تراکم بیت بسیار بیشتری را در دستگاه حافظه با مسیر های اتصال کوتاه تر فراهم می کنند که عملکرد بهتری را به همراه دارد.
امروزه، دستگاه های فلش سه بعدی NAND در رایانه ها، مانند تبلت ها، و همچنین دستگاه های ذخیره سازی مانند درایو های کوچک USB، آرایه های فلش و SSD های درجه یک سازمانی رایج هستند.
مزایا و معایب 3D NAND در مقابل 2D NAND
هر دو دستگاه حافظه فلش 3 بعدی و 2 بعدی NAND امروزه به راحتی در دسترس هستند و مورد استفاده قرار می گیرند. اما هنگام انتخاب بهترین فناوری برای یک کار ذخیره سازی، مواردی وجود دارد که باید در نظر گرفت.
ظرفیت
فلاش NAND 3D ظرفیت ذخیره سازی یا تراکم داده بیشتری را در مقایسه با فلش NAND 2D ارائه می دهد. انباشتن چندین لایه سلول های حافظه برای ایجاد یک ماتریس ذخیره سازی سه بعدی می تواند ظرفیت ذخیره سازی قابل توجهی بیشتری را برای همان منطقه تراشه، به ارمغان بیاورد. به طور مشابه، تراشه های متراکم تر را می توان در دستگاه های متراکم تر و با ظرفیت بالا تر مانند SSD ها قرار داد. به عنوان مثال، SSD ها به راحتی در ظرفیت های 1 ترابایت و 2 ترابایت در دسترس هستند.
هزینه
حافظه فلش از همان رابطه هزینه در هر بایت مانند سایر فناوری های ذخیره سازی پیروی می کند، و فلش NAND 3D می تواند هزینه هر بایت را در مقایسه با فلش 2 بعدی NAND بسیار کاهش دهد. در سال 2017، یک NAND دو بعدی ایجاد شده در یک مرکز ساخت ممکن است 1.6 ترابایت را ذخیره کند، در حالی که یک NAND سه بعدی ممکن است بیش از 17 ترابایت ذخیره کند. حتی اگر حافظه 3 بعدی NAND تقریبا دو برابر هزینه حافظه 2 بعدی NAND باشد، بهبود ظرفیت چشمگیر NAND سه بعدی هزینه هر بایت را برای فناوری 3 بعدی NAND بسیار کمتر می کند. این امر NAND سه بعدی را برای بسیاری از انواع برنامه های ذخیره سازی مقرون به صرفه تر می کند.
عملکرد و قدرت
هنگامی که سلول های حافظه در یک ماتریس دو بعدی قرار می گیرند، فاصله محدودی برای جابجایی بیت ها به سلول ها و از سلول ها وجود دارد. این فاصله برابر با زمان یا تأخیر است. برای افزایش ظرفیت ذخیره سازی ماتریس دو بعدی، این فواصل نیز باید افزایش یابد و به طور مؤثری عملکرد دستگاه های فلش NAND دو بعدی بزرگتر را کاهش دهد. با انباشتن و به هم پیوستن لایه های سلول های حافظه NAND، می توان فاصله فیزیکی و بنابراین تأخیر را کاهش داد تا عملکرد بالا تر در ظرفیت های ذخیره سازی بالاتر حفظ شود. علاوه بر این، حافظه فلش 3 بعدی NAND را می توان با یک پاس نوشت و تا 50٪ کمتر از NAND 2D انرژی مصرف می کند.
چالش های تولید ساخت دستگاه های فلش سه بعدی NAND می تواند بسیار دشوار باشد، و به هزاران فرآیند جداگانه نیاز دارند تا سلول های حافظه ایجاد شوند. خطا یا آلودگی در هر بخشی از فرآیند ساخت می تواند سلول های بدی را ایجاد کند و کل قالب ها را غیرقابل استفاده کند. تولید خوب نیازمند اقدامات احتیاطی فوق العاده در برابر آلودگی، کنترل ساخت بسیار بالا و خلوص مواد است.
کنترل فلاش پیچیده اگرچه فناوری حافظه فلش مانند DRAM به مدار های تازه سازی نیاز ندارد، فلاش به مدیریت پیچیده داده ها و کنترل تصحیح خطا برای نظارت بر نحوه ذخیره داده ها در یک تراشه فلش نیاز دارد. به عنوان مثال، یک فلش NAND سه بعدی ممکن است نیاز به نقشه برداری مجدد، جابجایی کل بلوک، صفحه و ذخیره سازی داشته باشد اگر به اندازه یک بیت از کار بیفتد، بنابراین مداری برای بررسی خرابی بیت ها مورد نیاز است. در عین حال، کنترل بیشتری برای تسطیح سایش مورد نیاز است: توزیع داده های ذخیره شده در سراسر تراشه برای به حداقل رساندن چرخه های پاک کردن/برنامه و افزایش عمر کاری دستگاه فلاش. این کنترل ها برای NAND 3 بعدی در مقابل NAND 2D پیچیده تر هستند.
موارد استفاده NAND سه بعدی
فلش مموری در طیف وسیعی از موارد استفاده جذاب است که در آن تحرک، عدم فرار بودن و انعطاف پذیری فیزیکی، مانند ضربه، فشار و دما، ویژگی های مفیدی هستند. مثال های زیر مقطعی از موارد استفاده رایج را ارائه می دهند.
درایو های کوچک USB
درایو های USB که برای اولین بار در سال 2002 معرفی شدند، گزینه های ذخیره سازی کوچک، قابل حمل و غیر فرار را برای همه انواع کاربران رایانه فراهم می کنند. در واقع، درایو USB یک زیرسیستم ذخیره سازی مستقل است که هم ظرفیت حافظه با کارایی بالا و هم تمام مدار های کنترلی را شامل می شود. ظرفیت درایو های USB امروزی به 128 گیگابایت می رسد. برخی از درایو های USB پیشرفته حتی دارای ویژگی هایی مانند رمزگذاری و امنیت رمز عبور هستند.
کارت های حافظه فلش
کارت های حافظه فلش برای اولین بار در اواسط دهه 1990 ظاهر شدند و برای بسیاری از انواع دستگاه های الکترونیکی مانند دوربین ها، تبلت ها و ضبط کننده های ویدئویی مانند GoPros، سهولت پلاگین را ارائه کردند. کارت های فلش مموری امروزی می توانند تا 256 گیگابایت ظرفیت ذخیره سازی را فراهم کنند و سرعت انتقال داده ها از 80 مگابایت بر ثانیه تا 170 مگابایت در ثانیه متغیر است.
SSD ها
SSD ها در دستگاه های مختلف از لپ تاپ های کاربر نهایی تا آرایه های ذخیره سازی درجه سازمانی ظاهر می شوند. SSD ها می توانند جایگزین هارد دیسک های مغناطیسی سنتی شوند و IOPS بسیار سریع (عملیات ورودی/خروجی در هر ثانیه) و مصرف انرژی کمتری را برای سیستم های محاسباتی به ارمغان بیاورند، در حالی که حذف قطعات متحرک باعث بهبود قابلیت اطمینان درایو و کاهش نویز می شود.
محصولات SSD امروزی به راحتی در محدوده 1 تا 2 ترابایت در دسترس هستند و اکنون با ظرفیت های بالا و قیمت رقابتی که معمولاً با هارد دیسک ها مرتبط است رقابت می کنند. SSD ها اغلب در آرایه های ذخیره سازی فلش و سایر استقرار های محاسباتی مانند محصولات زیر ساخت های بیش همگرا (HCI) استفاده می شوند.
فروشندگان NAND سه بعدی
سامسونگ اولین تولید کننده ای بود که در سال 2013 فلش سه بعدی NAND را با نام Vertical NAND (V-NAND) به تولید انبوه رساند. دیگر تولیدکنندگان NAND 3D عبارتند از Intel و Micron Technology، با مشارکت. SK Hynix; و Kioxia (توشیبا تغییر نام داد) که با SanDisk وسترن دیجیتال شریک است.
امیدواریم این پست اطلاعات مفیدی در رابطه با فناوری NAND سه بعدی موجود در فلش مموری ها و SSD ها به شما داده باشد. همچنین شما می توانید برای خرید بهترین SSD هایی که از این فناوری استفاده می کنند، فروشگاه اینترنتی تک یک را بررسی کنید.
منبع: searchstorage
