Před několika lety jsme koukali skrz prsty na TLC NAND, tedy paměti Flash, které ukládají tři bity do jedné buňky, a za ideální SSD jsme měli to, které má paměti SLC s jen jedním bitem. Od té doby se z TLC stala norma a jako horší kategorie přišly čipy QLC se 4 bity na buňku a o to horší životností a výkonem. A dost možná to bude pokračovat dál, Kioxia a WD totiž připravují „hepta-level cell“ NAND, která by ukládala najednou 7 bitů.
Výzkum tímto směrem běží zřejmě kontinuálně. Po vyvinutí a v podstatě úspěšném komerčním nasazení QLC práce na čipech PLC (penta-level cell) NAND oznámil Intel a dříve také Kioxia.
Nicméně PLC už zvýší kapacitu čip jen o 25 % proti QLC, a tak Kioxia zkusila jako další krok skočit rovnou o další dva bity a ukládat do jedné buňky rovnou 7 bitů. Takováto hepta-level cell NAND by zvýšila kapacitu o 40 % proti PLC a o 75 % proti QLC NAND.
Bude to ale také velká technologická výzva. Zatímco přidání každého dalšího bitu má klesající užitek (ve smyslu procentuálního nárůstu kapacity), každé takové navýšení vyžaduje zdvojnásobení úrovní napětí, které buňka musí rozlišit, aby se do ní dala data uložit a pak přečíst. Počet těchto rozlišitelných hladin tedy roste exponenciálně. A tím také roste choulostivost technologie, náchylnost na opotřebení a chybovost čtení. Zatímco MLC vyžaduje 4 úrovně napětí, TLC 8 a QLC 16 úrovní, PLC by bylo na 32 a čipy HLC (se 7 bity na jednu buňku) by potřebovaly rozlišovat 128 úrovní napětí. Rozdíly mezi těmito hladinami budou tedy velmi malé a fluktuace a případná degradace napětí časem se bude do tohoto úzkého rozpětí muset nějak vejít.
Distribuce 128 úrovní napětí v 7bitové Hepta-level cell NAND (zdroj: Kioxia)Kioxia ale uvádí, že už má navržen a ověřen v laboratořích koncept paměti NAND, která by s takovýmito buňkami a 128 úrovněmi napětí pracovala. Není to ale nic jednoduchého. Tato NAND používá nový výrobní proces, který místo polykrystalického křemíku aplikuje monokrystalický křemík, ze kterého je kanál tranzistoru tvořícího paměťové buňky. Monokrystalický křemík výrazně snižuje šum v signálu (o nějakých 40 %), takže je možné lépe rozlišovat ony mnohočetné úrovně napětí. Kanál by také měl být plný, zatímco dnešní paměti používají dutý sloupec („makarón“).
Vlevo řez klasickou 3D NAND, vpravo buňky s monokrystalickým kanálem (zdroj: Kioxia)KryoSSD pro datacentra?
Toto zní dobře a stejná inovace by doufejme šla aplikovat i na NAND s nižším počtem úrovní napětí pro zlepšení její robustnosti, životnosti a výkonu. Kromě toho ale Kioxia studuje ještě jednu metodu, která má praktické využití hepta-level cell pamětí umožnit: kryogenické chlazení. Aby se totiž šum v signálu snížil ještě víc, mají tyto paměti pracovat na teplotách hluboko pod nulou.
Ve studii se uvádí srovnání mezi čipy provozovanými na 300 stupních Kelvina (26,85 °C) a 77 K, tedy -196,15 °C. Toto má snížit úroveň šumu v signálu o dalších 40 %. Kombinace této kryogenické teploty a použití monokrystalického křemíku má znamenat redukci šumu až o dvě třetiny.
Graf ukazující, jak je potlačen šum v signálu pomocí monokrystalického křemíku a kryogenického chlazení (zdroj: Kioxia)Tato úložiště by tedy musela být chlazená kapalným dusíkem, aby fungovala. Asi si dokážete představit, jak komplikované by to bylo. SSD by musela být mimo počítač (server) ve zvláštní jednotce s chladicím aparátem na kapalný dusík, na jehož běhu by byla závislá. Toto řešení by se tedy realisticky dalo použít jen v nějakém vysoce integrovaném pokročilém datacentru. Výpadek chlazení by asi měl vtipné konsekvence, protože by teoreticky dokonce mohl způsobit, že data z velkého množství jednotek nepůjdou znovu přečíst.
Podle Kioxie se přesto může takováto technologie vyplatit – firma si zřejmě myslí, že náklady na tuto komplexitu se vrátí ve vyšší kapacitě úložiště. Ovšem jde zatím jen o výzkum, který předestírá možnosti a od něhož jde ještě dlouhá cesta k tomu, aby tyto možnosti opravdu byly komerčně použité. Nedivili bychom se, kdyby kryogenické chlazení v datacentrech nakonec zákazníky nenašlo a zůstalo jen v laboratořích.
Střízlivě vzato zní jako lepší nápad spíš počkat, až se kapacita úložišť zvýší nějakými konvenčnějšími metodami a tuto nebo jinou technologii se podaří zprovoznit při pokojových teplotách. Ona materiálová část projektu s monokrystalickým křemíkem každopádně zní nadějně a je možné, že ji uvidíme v nějaké „přízemnější“ verzi třeba s PLC či HLC (hexa-level cell, 6 bitů na kanál) NAND.
Zdroje: Tom's Hardware, Kioxia
ČLÁNKY DO MAILU