3B Flash‘lı Dev SSD’ler…

Ekonomik manyetik diskler 4TB’a kadar yer sunarken ekonomik SSD’lerde bu depolama alanı  sadece  250-500GB arası. Ne var ki SSD’lerin önünüzdeki birkaç yılda manyetik diskleri bu konuda  da yenmesi bekleniyor. Bunun olup olmayacağı  flash hücrelerinin boyuna ve tasarımına bağlı.Piyasada bulunan Nand-Flash yongaları tıpkı CPU transistorları gibi wafer üstünde üretiliyor ve aynı biçimde çalışıyor. Tek fark, flash hücrelerinin yüzer  kapıda bir elektrik yükünü kalıcı olarak saklayabilmesi. Şu anda üreticiler tasarım boyutunu 20 nanometrenin (nm) altına indirmeyi başardılar e hızla teknik limitlere yaklaşıyorlar çünkü her küçültme  işlemi üretim maliyetlerini artırıyor. O yüzden artık farklı bir tür hücreye, 3B Nand’a geçmeyi düşünüyorlar. SSD’nin kapasitesini belirleyen bir diğer etken de maliyet. SanDisk’in sunduğu Optimus Max daha şimdiden 4TB büyüklükte ama sadece her diske binlerce avro dökmeye hazır şirketlerin  ilgisini çekebilir. Ne var ki  mevcut flash teknolojisiyle  PC’lerde bundan daha büyük SSD görmek zor.

Samsung  ve hatta yıl ortasından beri Toshiba  farklı bir çizgide ilerliyor. Yüzer kapılarında  sekiz  farklı elektrik yük düzeyi bulunan,böylece her hücrede üç bit bulundurabilen TLC  flash hücrelerine  yöneliyorlar. Her düzey  O O O ile 1 1 1 arası bir bit kombinasyonu. TLC ‘de depolama yoğunluğu artsa da bu hücreler  ancak 1.000 yazma/silme döngüsüne dayanabiliyor. Normalde, son kullanıcıya hitap eden  SSD’lerdeki 2 bit kaydeden  MLC hücreleri 10.000 döngüye dayanabiliyor. Samsung, sunucular için ürettiği PM853T  modeli  yeni TLC diskinde  5 yıllık ömür garantisini vermek için 0,3 ila 1,6  DWPD (Diskful Writes Per Day) veriyor. DWPD değeri SSD’nin her gün kaç defa baştan yazılabileceğini  gösteriyor. PM853T sadece sıkça okunan ama nadiren yeniden yazılan veri kayıtları için uygun. Oysa normal sunucu SSD’lerinin DWPD değeri 10 ila 30 arası..

2B Flash Teknolojisinin Sınırları!

Ekonomik ve iyi TB  SSD’ler ancak flash hücreleri küçülürse yaygınlaşabilir. Fakat hücre boyu 20 nm’nin altına inince sorunlar artıyor. Silikona bu küçük  yapıları kazımak için 193 nm dalga boylu bir lazer kullanılıyor. Fakat ışının dalga boyundan küçük yapıları materyale işleyebilmek için çoklu pozlama ve maske yöntemleri kullanılıyor. Bu da her yeni Nand neslinde maliyeti yükseltiyor. Üretim sürecinin  dışında bir de fiziksel sınırlar var. 20 nm’nin altında hücre boyutlarında kimi bileşenlerin yoğunluğu sadece birkaç atom kalınlığa iniyor ve artık daha fazla küçültülemiyor.

Zayıf noktalardan biri kontrol kapısıyla yüzer arasındaki ara elektrik katmanı. Voltaj uygulandığında  kontrol kapısı deşarj  oluyor ve yüzer kapıyı dolduruyor. Yüzer kapının yazma ve silme süreçleri arasında yükünü koruması gerekli ve yalıtımın amacı da bu. IPD, elektrik yükünün kontrol kapısından sızıp gitmesini önlüyor. IPD’nin 10 nm2den küçük olmaması gerekiyor yoksa zaman geçtikçe yüzer kapının yükü azalıyor. Daha da kötüsü, flash hücreleri küçüldükçe aralarındaki mesafe de kısalıyor. Yüzer kapılar arası mesafe 20 nm’nin altına inerse bellek yongalarının yükleri arasındaki etkileşimi önlemek  için IPD’nin yine kalınlaştırılması gerekiyor.

Üreticiler üretimle ilgili tüm sorunları çözse bile, IPD’nin yine kalınlaştırılması  gerekiyor. Üreticiler üretimle ilgili tüm sorunları çözse bile, IPD’nin  ya da yüzer  kapıların küçültülmesi olanaksız. O yüzden  de 21 nm’den 12 nm’ye inişte artan veri yoğunluğu çok değil.Üreticiler mevcut flash hücrelerini daha şimdiden 16-19 nm arasına küçülttüler bile .Bunun için normalde silikon olan kontrol kapısının yerine metal, silikon oksit olan  IPD’yi ise iletkenliği daha iyi olan bir yüksek K metaryaliyle (örneğin hafniyum oksit) değiştirdiler. Böylece yüzer kapının üç yandan çevrilmesine  ihtiyaç duymayan daha etkili kontrol kapıları arasındaki mesafe,girişimi en aza indirgemek için hava baloncuklarıyla dolduruluyor. Fakat IPD sorunu söz konusu olduğunda bu da bir çözüm değil,sadece küçültme sürecini geciktirme çabası.

3B Hücreler Sınırları Aşabiliyor!

2B Nand’ın sınırlarını  farklı bir biçimde aşmak mümkün. Flash hücreleri yan yana değil de 3B Nand tüpleri halinde üst üste dizilebilir. Üst üste katman sayısı arttıkça depolama yoğunluğu  da artıyor. Samsung kendi  3B konseptini geçen yıl tanıttı. İlk nesilde V-Nand 24 katman halinde flash hücresi barındırıyor ve böylece 80 nm çaplı olduğu halde (çünkü hücreler çok yer kaplıyor) günümüzün en iyi 2B flash’ıyla aynı depolama yoğunluğunu sunuyor. Bu katman modelinin bir çok avantajı var. V-Nand’ı düşük voltajla çalıştırmak mümkün ve MLC ‘nin üç katı,yani 35.000 yazma/silme döngüsüne dayanabiliyor. Samsung, yazma hızının da ikiye katlandığını söylüyor. Üreticinin planları iddialı. V-Nand yongalarının boyutu 2018’e kadar 128GBit’ten 1 TBit’e çıkacak. Bu da ancak katmanların artmasıyla olanaklı. 1TB için 192 katman gerekiyor. Bu veri yoğunluğu sayesinde 4-8 TB kapasiteli SSD’ler sıradan kullanıcıların satın alabileceği fiyata inecek.

Sektör uzmanları 40 katman eşiği aşıldıktan sonra 3B flash üretmenin  2B flash’tan daha ucuz olacağını söylüyor. Teknik bakımdan Toshiba’nın BICS (Bit-Cost Scalable Flash) adlı ürünün V-Nand’dan pek bir farkı yok. BICS,elektriksel yükü silikon nitritten yapılmış ve iki adet oksit katmanıyla çevrelenmiş bir depolama katmanında saklıyor. Hücrenin kenarında, depolama katmanındaki  yükü kaldırabilen  ve gerektiğinde yazabilen kontrol kapısı bulunuyor. V-Nand da aynı biçimde çalışıyor fakat hücre katmanlarında kullanılan malzemeler farklı.Depolama katmanının etrafında silikon bazlı bir oksit yerine yüksek K’lı alüminyumdan  yapılmış bir malzeme var.Onun üstünde ise tantal nitrürden yapılmış kontrol kapısı bulunuyor ve Samsung’a göre bu sayede hücreler hızla silinebiliyor.Yeni materyaller yük düzeyleri arasındaki mesafenin açılmasını  ve dolayısıyla hücre ömrünü arttırıyor.

Toshiba şu anda eski yonga üretim tesislerinden birini BİCS üretimi için yeniden yapılandırıyor. İlk numuneler önümüzdeki yılın Mart ayından hazır olacak. Mevcut BİCS prototipleri sadece 16 katman için tasarlansa da V-Nand’la rekabet etmesi için ilk nesil yongaların piyasaya çıktığında 30’dan fazla katmana sahip olması bekleniyor. IHS piyasa uzmanları 3B Nand’ın önümüzdeki yıla kadar yaygınlaşacağını ve 2016’da büyük bir Pazar payına sahip olacağını söylüyor.O günden sonra veri yoğunluğu manyetik depolama ürünleri ile rekabet edebilecek. Fiyat da uygun olursa, manyetik diskler yakında tarihe karışacak.