Memoria 3D V-NAND de la Samsung pe înțelesul tuturor

Am primit zilele trecute de la Samsung un comunicat de presă atât de complicat încât cred că sunt vreo 1000 de oameni în România care l-ar putea înțelege pe deplin fără să caute informații suplimentare, iar majoritatea probabil lucrează la firmele locale de micro-electronică.

Comunicatul este despre memorii flash de tip V-NAND, metode de modificare a sarcinii electrice prin tunelare cuantică (ceva cu ecuații Schroedinger; da, ăla cu pisica) și noi tehnologii de realizare și depunere în spațiu a structurilor verticale a celulelor ce rețin toți acei 0 și 1 din memoriile digitale din telefoane, tablete, aparate foto și cam orice dispozitiv modern.

E complicat rău. În opinia mea, un astfel de comunicat nu trebuia trimis, depășește chiar și nivelul de detaliere pe care l-am învățat la cursul de Circuite Integrate Digitale din Electronică, în anul 2 cu Drăghici, reprezentând informații cu care jonglează doar cei ce avansează în acel domeniu și poate lucrează în cercetarea noilor tehnologii. Un simplu “Samsung lucrează la memorii cu densitate mai mare, ceea ce înseamnă capacități mai mari în viitorul apropiat” era suficient și util pentru consumatori.

Dar a fost trimis. Și l-am regăsit, copy-paste desigur, pe multe bloguri și site-uri de tehnologie de la noi (androidlive.ro, chip.ro, z0ltan77.com, pcnews.ro), fără nici o explicație decât cea copiată din textul original, explicație care nu lămurește nimic.

Mă iertați că spun asta, dar eu consider că un jurnalist sau blogger care scrie despre tehnologie sau cineva care vrea să-și informeze cititorii despre astfel de subiecte n-ar trebui să dea copy-paste, ci tocmai să traducă, să explice, să prezinte într-un limbaj accesibil tuturor ceea ce se spune atât de criptic. Cam ca aici sau aici sau ca mai jos.

Iată o parte din comunicatul despre care vă spuneam, ca să vedeți ce înțelegeți direct din el:

Samsung Electronics Co, Ltd., liderul mondial în tehnologii de memorie avansate, a anunțat extinderea producției pentru cardurile de memorie tridimensionale (3D) verticale NAND (V-NAND), care depășesc limita de scalare pentru tehnologia flash NAND deja existentă. Oferind performanță de neegalat și dimensiuni reduse, noile carduri de memorie 3D V-NAND vor fi utilizate pentru o gamă largă de dispozitive, precum unitățile de stocare NAND și SSD-uri.

Noul Samsung V-NAND oferă o densitate de 128 gigabiti (Gb) într-un singur cip, folosind structura verticală de celule bazată pe tehnologia 3D Charge Trap Flash (CTF), tehnologie dezvoltată în premieră de Samsung, alături de tehnologia interconectării pe verticală pentru celulele 3D. Prin aplicarea acestor două tehnologii, noile carduri de memorie 3D V-NAND de la Samsung oferă de două ori scalarea cardului NAND din clasa * 20nm plană.

Noul V-NAND de la Samsung rezolvă astfel de probleme tehnice prin inovații la nivel de structură a circuitelor și proceselor de fabricație. Pentru a face acest lucru, Samsung a restructurat arhitectura CTF, care a fost dezvoltată pentru prima dată în 2006. În arhitectura cardului NAND bazat pe CTF de la Samsung, o sarcină electrică este plasată temporar într-o cameră a stratului de non-conductoare a cardului, care este compusă din nitrură de siliciu (SIN), în loc de a folosi o poartă plutitoare pentru a preveni interferențele între celulele vecine.

Prin realizarea acestui strat CTF trei-dimensional, fiabilitatea și viteza de memorie NAND s-au îmbunătățit semnificativ. Noul 3D V-NAND prezintă nu numai o creștere a unui minim de 2X la un maxim de 10X a fiabilității, ci, de asemenea, performanța de scriere de două ori peste cea convențională a cardului de memorie NAND din clasa 10nm.

De asemenea, una dintre cele mai importante realizări tehnologice ale noului card Samsung V-NAND este tehnologia procesului de interconectare pe verticală ce poate stoca până la 24 de straturi de celule pe verticală, folosind o tehnologie specială de gravură care conectează electronic straturile prin ștanțarea unor găuri de la cel mai înalt strat până la cel de jos. Cu noua structură verticală, Samsung poate permite o densitate mai mare a cardului de memorie NAND prin creșterea numărului de straturi celulare 3D fără a fi nevoie să se continue scalarea plană.

Și acum în română, pentru cei doi cititori care n-au ieșit deja din articol.

Memorii flash nevolatile înseamnă memorii digitale, rapide, care păstrează informația pe termen lung. Cardurile SD, memoria din telefon, chiar și unitățile SSD pot fi exemple. Prin comparație, memoria RAM este volatilă, când ai întrerupt alimentarea a “uitat” tot ce avea stocat în ea.

Memoria NAND e un tip particular de astfel de memorii digitale. Numele NAND vine de la numele unor operațiuni logice care se fac în binar și practic indică modul de interconectare al tranzistoarelor ce o alcătuiesc, că din asta sunt făcute, pentru a putea indica cifrele de 0 și 1 în care stochează totul calculatoarele.

Bun. Cum arată deci o memorie digitală? Este o mulțime de tranzistoare puse unul lângă altul pe rânduri și coloane. Iar un astfel de tranzistor poate avea două stări, două moduri de lucru (chestie controlată, la modul simplist, prin tensiunea aplicată lui) și, prin convenție, o stare reprezintă bitul 0 și, dacă e în cealaltă stare se consideră că acolo este memorat un 1. Pune unul lângă altul 8 astfel de tranzistoare și obții un byte/octet. Calculați acum cam câte tranzistoare sunt într-o memorie microSD (care-i cât unghia de la deget) ce poate memora 32 GB de date.

(Modul complicat: uneori e nevoie de mai multe tranzistoare pentru a reține o singură cifră binară, iar totul se complică pentru că datele respective – și deci și starea fiecărui tranzistor – trebuie accesate, citite, modificate șamd. Tu ai un lanț de tranzistoare și cumva din curentul care trece prin toate trebuie să-ți dai seama ce-i în fiecare de pe acea linie).

Cum se reține efectiv un 1 în tranzistor? Pentru memoriile NAND cu poartă plutitoare, în tranzistor se încarcă o sarcină electrică mai mare. Poarta plutitoare înseamnă o bucată de material conductiv complet încercuită de material izolator. Se introduce o sarcină în acea mică bucată de material conductiv și, întrucât sarcina nu are cum să “plece” de acolo, zona fiind bine izolată de orice alt contact electric, sarcina rămâne acolo pe o perioadă lungă de timp.

Cum duci totuși sarcina electrică în acea poartă plutitoare, dacă este încercuită de material izolator, prin care nu poate trece un curent electric? Ei bine, aici intervine tunelarea cuantică, adică niște proprietăți foarte ciudate ale electronilor care reușesc să depășească astfel de bariere aparent imposibil de trecut. Se demonstrează cu ecuații Maxwell, Schroedinger și alte nume grele; eu le-am învățăt în anul 2 la Fizică. În anumite condiții, cu anumite situații și energii, se demonstrează că un electron poate trece peste o barieră energetică mult mai mare datorită, dacă mai țin bine minte, caracterului său dual de particulă și în același timp undă.

Acum despre ce-a făcut mai exact Samsung.

Închipuiți-vă o memorie digitală ca fiind o foaie de hârtie A4 pe care tu scrii cifre de 0 și 1. E ca un tabel Excel, iar calculatorul doar întreabă memoria “ce bit ai la coloana 2 cu rândul 5? dar la coloane 3 cu rândul 5?”. Și lumea vrea să scrie tot mai multe cifre, că ai nevoie de memorii tot mai mari în dispozitive și aparate foto, dar foaie de hârtie trebuie să rămână la aceleași dimensiuni, că nu poți scoate pe piață un card SD mai gros. N-ar încăpea.

(Modul complicat: se pot scrie tratate despre felul în care este citită memoria pentru a afla ce-i la un rând și o coloană a ei. De aici vin tot felul de timpi ce indică viteze de accesare și adresare, unele tipuri de memorie nu pot citi un singur bit, ci îți transmit un rând întreg – sau o pagină -, iar software-ul extrage apoi doar bit-ul care-i este necesar șamd)

Și atunci ce faci? O soluție este să scrii cu un font cât mai mic, în analogia noastră cu foaia de hârtie și cifrele scrise pe ea. Foarte mic. Vorbim de tehnologia de 10-19 nanometri, adică 0,00000001 metri. Asta e foarte mic. Sunt circuite și depuneri de diverse substanțe în diverse straturi și tranzistoare care se fac la aceste dimensiuni; tehnologia de fabricație a ajuns la niște precizii incredibile.

Problema este că nu poți micșora la nesfârșit dimensiunile. La dimensiuni foarte mici încep să se manifeste tot felul de alt proprietăți moleculare ale materiei. O poartă plutitoare, încărcată cu sarcini electrice, este înconjurată de izolator atât de mic încât acesta nu mai izolează perfect, sarcina dintr-o poartă o influențează și pe cea vecină, e greu sa controlezi cu precizie starea fiecărui tranzistor și să-i comanzi cu viteze mari. Gândiți-vă că la o rată de scriere de 30 MB/sec înseamnă că în fiecare secundă 240 de milioane de tranzistoare trebuie să-și modifice starea, în fiecare trebuie injectată sarcină prin tunelare sau extrasă tot prin tunelare șamd. În fiecare secundă. Vă dați seama acum cât de “magic” trebuie să fie controllerul de memorie care comandă toate acestea, iar acum gândiți-vă că și el este undeva în acea memorie microSD de dimensiunea unei unghii.

Și când ai făcut cât de mici puteai tranzistoarele pe foaia ta de hârtie și nu încap mai multe în plan, e cazul să te duci în sus. Asta face Samsung când vorbește despre memorii NAND verticale, tridimensionale. S-au dus și în sus, nu doar în plan. Acum datele arată ca niște fișicuri de monede puse unul lângă altul pe o masă.

Pare o idee simplă, dar în realitate tehnologia de realizare este foarte complicată, deoarece trebuie să depui multe straturi diferite de izolator și semiconductor, cu diverse conexiuni și decupaje în ele, totul la scara de 10 nanometri. Iar Samsung zice că depune 24 de straturi.

Mai apare un termen în comunicat: Charge Trap Flash. Mai știți tot ce v-am povestit mai sus despre porți plutitoare și cum se reține sarcina în ele, blocată acolo? Nu se mai folosesc acestea, ci niște zone numite CTF care totuși funcționează cam pe același principiu. Se folosesc alte materiale pentru realizarea straturilor, iar comunicatul amintește de nitrură de siliciu. Acest material are câteva proprietăți care-l fac mai avantajos, precum faptul că poate fi depus mai fin decât cel din porțile plutitoare și nu trebuie izolat pentru a păstra sarcina injectată în el.

Dintr-un foc, doar schimbând materialul, elimini deci interferențele dintre celule, dai o lovitură “teribilă” problemelor ce apar la dimensiunile prea mici ale tranzistoarelor și practic poți face toată memoria și mai mică. Ai micșorat fontul cu care scrii pe foaia ta de hârtie. Iar cum înainte v-am spus că acum scrii și în spațiu, pe aceeași foaie de hârtie ajungi deci să produci memorii de aceeași dimensiune fizică, dar de capacitate internă mult mai mare.

De asta Samsung a anunțat 128 Gb pe unitate de memorie. Ne apropiem tot mai mult de momentul când vom avea telefoane și carduri de memorie de 128 GB. De ce nu aveam și până acum, că doar ar fi putut pune două module de 64 GB sau patru module de 32 GB în telefon? Ar fi putut, dar spațiul pe placa de bază este de obicei limitat și ai loc pentru un cip de memorie. Îl pui pe cel mai mare de pe piață, dacă asta vrei, dar în acest moment cred că-i vorba de 64 GB.

În concluzie, pentru cine n-a adormit precum pisica de mai jos, Samsung are tehnologia de a produce memorii de capacitate tot mai mare într-o “cutie” de aceeași dimensiune, așa că atât memoriile integrate în dispozitive vor fi tot mai mari, cât și SSD-urile și cardurile SD/microSD/stick-urile USB de pe piață.