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3D NAND型フラッシュメモリについて

【3D NAND型フラッシュメモリについて】

3D NANDフラッシュメモリを搭載したストレージが増えてきた
ので、今回は3D NANDフラッシュメモリについて書きます。
(2017/3/31時点公開)



【3DNANDフラッシュメモリとは】
従来のNAND型フラッシュメモリは【フラッシュメモリとは】で
説明している素子を【SSDのデータ構造について】で説明してい
る様に平面に実装したものでしたが、


データ容量を上げる為に記憶素子の微細化をすると製造コストが
跳ね上がるのと、微細化する事で絶縁や記憶素子間で干渉する問
題が出たり、

素子自体を縮小出来ても電子のサイズは変えられない為、微細化
にも限界が来ていました。


そこで、平面実装していた素子列(bit Line)を中間で折り曲げて
縦に設置し、更に横に同じものを並べて配線する事で、面積辺り
の記憶素子の集積量を一気に増やす方式に変えました。

尚単純に記憶素子列を縦にしたのではなく、構造自体それ専用に
なっている
ので微妙に耐性が上がっている物もあります。



【3D NANDフラッシュメモリの素子】
3D NAND(素子)(クリックすると拡大)
東芝の方式で説明しますが、平面実装時と違い円筒形状の記憶素
となっています。

制御ゲートと半導体柱に電圧を加えると制御ゲートのある内側の
電荷捕獲層に電子が捕獲される事で数値の判定が出来ます。

因みに、平面実装の素子と違い円筒形状なので多少余裕が出来て
いますが、絶縁膜を破壊しながら電子を捕獲する方式自体は同じ
なので同様にいつか壊れます。


3D NAND(素子 他社例)(クリックすると拡大)
尚、半導体製造会社によっては画像の様に素子の形式が違ってい
ます。

画像は平面実装の素子の上を伸ばして横に制御ゲートを持ってき
て各制御ゲート毎に記憶する感じです。

また、他には電荷捕獲層ではなく従来のフローティングゲートを
利用している物も存在している様ですが、基本的に円筒形になっ
ているのは変わりません。



【3D NANDフラッシュメモリの構造】
3D NAND(構造)(クリックすると拡大)
此方も東芝の方式で説明しますが、bit Lineに折り曲げた素子列を
決められた数接続し、更にbit Lineを横並びにしてWord Lineで
記憶素子をつなげる事で読み書きします。

尚、基本的な1セットは左側のソースラインからソースラインまで
です。(点線で囲った部分)


気がついた人もいると思いますが、ソースラインと素子列の接続
部にN型半導体を置き、内部の半導体柱(P型)そしてPip Gateから
半導体柱に電圧を加える様にしているので、

制御ゲートで記憶素子となっている部分が増えていますが、方式
としては2D NAND型フラッシュメモリの素子と同じ
です。



【3D NANDフラッシュメモリの回路構造】
3D NAND(回路1)(クリックすると拡大)
上記の構造の図の1セット分を回路で表すとこうなります。

制御ゲート毎に1素子としているのが分かると思います。

3D NAND(回路2)(クリックすると拡大)
上記の回路図を並べて制御用の配線を素子につなげていくとこん
な感んじに立体的な配線になります。

尚、わかり難くなるので4つしか重ねていませんが、実際はもっと
並べて接続しています。(現状でも認識し難いですが)



【アクセスと消去単位】
立体的になっただけで基本的に従来と変わりません。

上記の回路図のWord Lineで接続された素子列単位がページ(書き
込みと読み込み単位
)になります。


今回から立体的に回路が配線されているので、消去はソースライ
ンからソースラインまでの1セットと、更に横の制御用の配線をし
た回路を一まとめで消去すると思われます。

当然ですが、仕様上一部だけ消すことや上書きは出来ません

全て書き換えになります。

平面実装時よりも大きいブロック単位で消去がされるの事になり
ますので、不具合時に消滅するデータも大きくなります。

データ管理により気を付けた方が良いかもしれません。



【2D 3Dでの耐久度の違い】
円筒形化して絶縁膜の面積が広がった分だけ多少耐久度は上がっ
ていますが、素子自体はほとんど変わりません。

但し、素子の集積度がかなり上がっているので2Dに比べたら全体
としては寿命は延びてはいます


MLCやTLCについては上記した様に素子自体の耐久度がそれほど
上がっている訳ではないので、2DのMLCと3DのTLCが同じ位の
耐久度になる事はありません。

全体としては近づいていますが、やはり電子量が2倍必要になるT
LC
では劣化が早いのは変わりません。

買うなら3D NANDでMLCの物を買った方が良いですね。



3DだからTLCでも前世代のMLCと変わらなくなった、と言う事は
無いので、うたい文句で宣伝していても引っ掛からない様にしま
しょう。



【関連記事】

フラッシュメモリとは
SSDのデータ構造について


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