Flash Memory Summit 2018 : le point sur les technologies des fabricants de flash NAND

A l'occasion du Flash Memory Summit, la plupart des grands fournisseurs de mémoire flash ont présenté leurs dernières innovations techniques. L'occasion de faire le point sur le XL-Flash de Toshiba, de Xtacking du Chinois YMTC ou la 4D NAND de SK HYnix

Les fabricants de mémoires flash NAND ont profité du Flash Memory Summit 2018 pour présenter leurs feuilles de route en matière de produits et d’architectures de nouvelle génération.

Comme prévu, Intel, Micron, SK Hynix et Toshiba ont parlé de puces flash NAND 3D qui peuvent stocker quatre bits de données par cellule, une technologie connue sous le nom de quadruple-level cell (QLC). Ils ont également mis en lumière leurs modules 3D NAND à 96 couches et discuté de leurs plans pour des modules allant jusqu’à 128 couches et au-delà afin d’augmenter encore plus la densité.

Les fabricants de flash NAND ont présenté de nouvelles initiatives pour accélérer les performances, augmenter la densité et réduire les coûts. Toshiba a lancé une option à faible latence appelée XL-Flash. La start-up chinoise Yangtze Memory Technologies Co. (YMTC) espère rattraper les acteurs établis de la flash avec son architecture « Xtacking », susceptible d’augmenter les performances et la densité de bits. Et le fabricant de puces sud-coréen SK Hynix nourrit des aspirations similaires avec ses modules dits « 4D NAND », une appellation que les experts de l’industrie s’accordent à considérer comme erronée.

Samsung était notablement absent des présentations du Flash Memory Summit 2018, un an après avoir discuté de sa technologie Z-NAND lors de l’édition précédente. Z-NAND est une autre tentative de réduire les coûts, en déplaçant la logique périphérique vers un endroit qui ne prend pas de place sur la puce flash, a déclaré Jim Handy, directeur général et analyste en semi-conducteurs chez Objective Analysis.

Voici un résumé des nouvelles technologies que les fabricants de flash NAND ont présentées lors du Flash Memory Summit de la semaine dernière.

Le XL-Flash de Toshiba

Le XL-Flash de Toshiba est basé sur la technologie 3D NAND bit column stacked (BiCS) à cellule unique (SLC) du constructeur et permet aussi d’optimiser les modules flash MLC. XL est synonyme d’excellente latence, selon Shigeo (Jeff) Ohshima, un responsable technique en ingénierie de SSD chez Toshiba Memory Corporation.

Ohshima explique que XL-Flash ne nécessite aucun processus supplémentaire et est entièrement compatible avec la flash conventionnelle en termes de protocole de commande et d’interface. La latence de lecture de XL-Flash pourrait être 10 fois meilleure que celle des mémoires flash TLC conventionnelles, selon Ohshima.

Ce dernier indique que la société a « beaucoup de marge de manœuvre » pour faire plus avec sa technologie actuelle de flash 3D NAND BiCS, avant que de nouvelles technologies de mémoires non volatiles telles que la RAM résistive (ReRAM), la RAM magnétorésistive (MRAM) et la mémoire à changement de phase n’entrent en production de masse et deviennent dominantes.

Ohshima indique qu’en combinant de la flash XL-Flash et de la flash QLC plus dense, on pourrait gérer un large éventail de charges de travail applicatives et améliorer les performances globales du système par rapport à une architecture serveur classique combinant de la DRAM et des disques durs. Il a noté que l’écart de performance entre le flash XL-Flash et le flash QLC est considérablement plus faible que le différentiel entre les DRAM et les disques durs. Et, bien que la XL-Flash soit plus lente que la DRAM, elle coûte bien moins cher et offre une plus grande capacité.

Les analystes de l’industrie considèrent le XL-Flash de Toshiba et le Z-NAND de Samsung comme la réponse des fabricants de flash en matière de faible latence à la technologie de mémoire 3D XPoint qu’Intel et Micron ont codéveloppé. Intel a commencé à livrer l’an dernier des SSD 3D XPoint sous la marque Optane. Cette année, il a commencé à livrer des échantillons de modules de mémoire DIMM qui utilisent la technologie 3D XPoint. Micron n’a pas encore lancé de produits basés sur la technologie et ne devrait le faire qu’en 2019.

David Floyer, CTO et cofondateur de Wikibon, explique que la XL-Flash de Toshiba et la Z-NAND de Samsung n’atteindront jamais tout à fait les performances des SSD Optane, mais qu’ils seront « assez proches » et ne coûteront pas aussi cher.

Handy s’attend à ce que XL-Flash et Z-NAND lisent les données à une vitesse similaire à celle d’Optane, mais ils ne pourront jamais vraiment rivaliser du fait des cycles d’écriture extraordinairement lents de la technologie flash NAND.

YMTC : Une « start-up » chinoise à l’assaut des acteurs historiques de la NAND

Yangtze Memory Technologies (YMTC), un nouvel acteur chinois de la mémoire NAND soutenu par le gouvernement chinois — la firme a levé 24 Md$ essentiellement auprès de fonds souverains et d’entité soutenues par le gouvernement — espère défier les fabricants de flash NAND établis avec sa technologie Xtacking. YMTC affirme que la nouvelle architecture peut améliorer l’efficacité et la vitesse des E/S, réduire la taille des modules flash et augmenter la densité de bits, tout en raccourcissant les temps de développement.

« Il faut vraiment du courage pour s’engager dans cette voie parce que nous savons qu’il n’est pas facile de faire fonctionner cette technologie », a déclaré Simon Yang, le PDG de YMTC.

Contrairement à la NAND conventionnelle, Xtacking sépare le traitement entre la matrice de cellules NAND et les circuits (ou la logique) à la périphérie, sur des « wafers » (ou tranches) différents. La start-up affirme que les transistors à haute tension utilisés par les modules NAND conventionnels, habituellement pour la logique en périphérie, limitent la performance en entrées/sorties. YMTC prétend que Xtacking permet l’utilisation de transistors à tension plus basse qui peuvent permettre des E/S plus élevées et des fonctions plus avancées.

« Nous pouvons vraiment égaler la vitesse d’entrée/sortie de la mémoire DDR4 sans aucune limitation » affirme Yang.

M. Yang a déclaré que les premiers résultats sont encourageants. Il explique que le rendement de fabrication est en augmentation, et que la fiabilité des bits de mémoire après de multiples cycles d’écriture/lecture est encourageante. YMTC prévoit de proposer des échantillons de la nouvelle technologie flash à base de Xtacking sur le marché au début de l’année prochaine, a dit Yang.

« J’espère que nous pourrons rattraper nos amis et contribuer à cette industrie », a déclaré M. Yang.

YMTC a commencé ses développements 3D NAND en 2014 avec une puce de test à neuf couches et a ensuite codéveloppé une puce de test à 32 couches avec Spansion — qui a ensuite fusionné avec Cypress Semiconductor. YMTC a mis la puce en production à la fin de l’année dernière, mais Yang a déclaré que l’entreprise a tardé à augmenter ses volumes parce que le produit de première génération n’était pas compétitif sur le plan des coûts.

« Nous sommes très axés sur le profit », a dit M. Yang. Il a ajouté plus tard : « Nous ne voulons augmenter le volume que lorsque les coûts sont compétitifs. »

Handy a exprimé son scepticisme quant à la capacité de YMTC à atteindre son objectif de coût, mais il a déclaré que les efforts de développement de Xtacking pourraient aider YMTC à s’implanter plus rapidement sur le marché.

SK Hynix dévoile sa "4D NAND" 

SK Hynix a trouvé un nouveau nom pour décrire sa dernière technologie NAND flash. La société a déclaré que sa « 4 D NAND » place le circuit périphérique sous la matrice de cellules NAND 3D à base de technologie charge-trap (littéralement piège de charge, où une chambre en nitrure de silicium stocke une charge électrique temporairement avant qu’elle ne traverse la cellule mémoire).

Le but est de réduire la taille des puces, réduire le nombre d’étapes du processus et diminuer le coût global par rapport au NAND conventionnel, dans lequel le circuit périphérique se trouve généralement à côté de la cellule NAND.

Mais, selon les analystes de l’industrie, le terme 4D NAND n’est qu’une appellation marketing accrocheuse et l’approche du fabricant n’est pas unique. « YMTC empile une puce l’une sur l’autre, alors qu’Hynix met la logique sur le même bit mais en la construisant juste en dessous », a déclaré Handy.

« Le coût de la puce est fonction de sa taille et si vous glissez des choses sous d’autres choses, vous réduisez la taille de la puce. Ce qu’Hynix fait est une bonne chose, mais je n’appellerais pas cela une innovation parce que c’est ce que font déjà Intel et Micron pour leurs principaux produits ».

Intel et Micron ont vanté leur technologie CMOS sous la matrice (CuA, ou CMOS under the Array) pour leurs modules de flash QLC 64 couches et TLC 96 couches. Selon eux, la technologie réduit la taille des modules et améliore les performances par rapport aux approches concurrentes. Handy indique que Samsung a également discuté de mettre la logique sous la puce flash.

Hyun Ahn, vice-président senior du développement NAND et de la stratégie commerciale chez SK Hynix, a déclaré que la feuille de route 4D NAND de sa société commence à 96 couches et s’étend à 128 couches et au-delà en utilisant la même plate-forme.

Des échantillons des premières puces SK Hynix 4D NAND seront disponibles au quatrième trimestre avec 96 couches de cellules NAND et une vitesse d’E/S de 1,2 Gbps par broche, le tout dans un module de 11,5 par 12 mm. La taille des puces est 30 % plus petite que les modèles antérieurs et la 4 D NAND peut remplacer deux puces de 256 Go avec des performances similaires, selon SK Hynix.

La nouvelle cellule SK Hynix 512 Gb à triple niveau (TLC) 4D NAND améliore les performances en écriture de 30 % et en lecture de 25 % par rapport aux modules antérieurs de 3D NAND TLC 72 couches de la société. L’efficacité énergétique est de 150 % supérieure.

Le TLC 4D NAND de 1 térabit (Tb) que SK Hynix échantillonnera au cours du premier semestre de l’année prochaine s’insère dans une matrice de type « Ball Grid Array (BGA) » de 16 mm x 20 mm, avec une capacité maximale par module de 2 To. Un fabricant de SSD U.2 utilisant cette technologie pourra ainsi concevoir des SSD d’une capacité allant jusqu’à 64 To, selon SK Hynix.

La firme prévoit de commencer l’échantillonnage de modules 4D NAND QLC à 96 couches avec une densité de 1 Terabit, au cours du second semestre de l’année prochaine. Elle a déclaré que la QLC 4D NAND pourrait lui permettre d’augmenter le nombre de modules produits de 20 % par rapport à la technologie TLC NAND qu’elle utilise depuis le second semestre de l’année dernière. Les modules 3D NAND à 72 couches de classe entreprise de SK Hynix représenteront plus de 50 % de sa production cette année.

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