Intel e SK Hynix mostram dois caminhos para o futuro da memória flash

À medida que a demanda por armazenamento de dados explode, os fabricantes de semicondutores estão correndo para aumentar a densidade dos chips de memória enquanto reduzem o custo por bit. A Intel e a SK Hynix apresentaram dois avanços importantes sugerindo unidades de memória de estado sólido mais baratas e com maior capacidade na 70ª Conferência Internacional de Circuitos de Estado Sólido (ISSCC) do IEEE, realizada em São Francisco no final de fevereiro.

A Intel apresentou o primeiro chip de memória flash NAND tridimensional que armazena cinco bits de dados em cada célula flash NAND. Isso é um pouco mais do que as unidades de 4 bits por célula disponíveis comercialmente hoje. O chip de 192 camadas possui a maior densidade de dados até agora em 23 gigabits por milímetro quadrado e pode armazenar até 1,67 terabits de dados totais.

Enquanto isso, a coreana SK Hynix ultrapassou o limite de 300 camadas com um chip de memória flash NAND de 1 Tb. O chip armazena 3 bits por célula (chamado célula de camada tripla, ou TLC) e tem a maior velocidade de gravação já relatada, de 194 megabytes por segundo. A Samsung anteriormente tinha a melhor taxa de transferência de gravação em 184 MB/s para uma memória flash NAND de 3 bits por célula que eles apresentaram no ISSCC de 2021.

"Acredito que apresentamos a melhor densidade e taxa de transferência de gravação para um produto TLC", disse Seungpil Lee, vice-presidente do departamento de design NAND da SK Hynix.

Os fabricantes de memória flash NAND fizeram o salto de 2D para 3D na última década para ir além das restrições de redução de tamanho de recurso. Desde então, eles aumentaram regularmente a densidade de armazenamento aumentando o número de camadas de células flash em um chip ou aumentando o número de bits armazenados em cada célula. A Hynix e a Intel seguiram esses dois caminhos contrastantes - a Hynix empilhando mais camadas, a Intel densificando os bits.

O TLC é o flash mais usado atualmente, embora existam no mercado chips de 4 bits por célula. Lee diz que a Hynix está procurando aumentar o número de camadas e o número de bits por célula. Mais camadas oferecem maior desempenho e densidade de bits no TLC, diz ele. Aumentar o número de bits por célula, por outro lado, pode fornecer memória maior e mais barata, mas afeta o desempenho ao comprometer as velocidades de leitura e gravação.

No IEEE International Electron Devices Meeting de 2021, o presidente da Samsung, Kinam Kim, previu que o flash de 1.000 camadas poderia ser possível até 2030. Isso é um grande desafio do ponto de vista da fabricação. As células flash são feitas gravando orifícios profundos e estreitos através de camadas alternadas de condutor e isolante e, em seguida, preenchendo os orifícios com materiais dielétricos e outros. Gravar e preencher furos profundos o suficiente de forma confiável e rápida através de um número crescente de camadas é um limite fundamental para a tecnologia.

Além do problema de fabricação, quando o número de camadas de pilha passa de 300, torna-se cada vez mais desafiador melhorar o desempenho da memória NAND, diz Lee. Isso porque cada camada na pilha deve ser mais fina, o que aumenta a resistência. Isso introduz erros e reduz as velocidades de leitura e gravação. A Hynix usou cinco técnicas diferentes para superar esses desafios e alcançar alta taxa de transferência de gravação com 300 camadas.

A Intel diz que foi capaz de desenvolver seu novo chip de 5 bits por célula de alta densidade por causa da tecnologia de célula NAND de porta flutuante que escolheu para aderir. Esse design armazena bits em uma camada condutora. A maioria dos outros fabricantes escolheu a outra tecnologia principal de célula flash, flash com armadilha de carga, na qual as cargas são armazenadas em uma camada dielétrica, porque reduz o custo de fabricação.

Ir para 5 bits por célula traz preocupações de menor resistência e velocidades. A Intel implementou algoritmos especiais de leitura rápida para superar isso. Além disso, a empresa diz que o novo chip também pode ser operado no modo de 3 bits por célula ou de 4 bits por célula.

A Micron Technology foi a primeira a ultrapassar a marca de 200 camadas, no ano passado, e agora está recebendo pedidos de sua tecnologia de memória flash NAND de 232 camadas, que possui uma densidade de armazenamento de bits de 14,6 gigabits por milímetro quadrado, o dobro dos concorrentes em o mercado. Para não ficar para trás, a SK Hynix diz que começará a fabricar em volume seus chips TLC NAND de 238 camadas este ano.