Technologie SSD : le piège de charge remplace la porte flottante dans les NAND

Le dilemme de la porte flottante

Les SSD utilisent des cellules à porte flottante depuis leur création. Chaque cellule contient une porte flottante intégrée dans sa structure. La porte flottante piège les électrons lorsque la tension est appliquée à la cellule d’une manière spécifique et libère les électrons lorsque la tension est appliquée d’une autre manière.

Sur un SSD SLC, où chaque cellule ne contient qu’un bit, la porte flottante est considérée comme chargée ou programmée, lorsqu’elle contient des électrons ; dans ce cas, la valeur binaire de la cellule est enregistrée à zéro. Dans le cas contraire, la cellule est considérée comme non chargée, ou effacée, et sa valeur binaire est enregistrée à un. Les calculs sont plus complexes pour les SSD qui stockent plus de bits par cellule (MLC, TLC, QLC), mais le principe de base reste le même.

À l’intérieur de la cellule, une couche d’oxyde sépare la porte flottante du substrat de silicium où la tension entre et sort. La couche d’oxyde est suffisamment fine pour que les électrons passent entre la porte flottante et le substrat, lorsqu’une tension est appliquée. Lors d’une opération de programmation (ou d’écriture), les électrons pénètrent dans la porte flottante. Lors d’une opération d’effacement, les électrons sortent de la porte flottante.

Chaque cycle de programmation/effacement endommage légèrement la couche d’oxyde. Après un certain nombre de cycles, la couche d’oxyde s’érode suffisamment pour que les électrons commencent à s’échapper de la porte flottante. Et, ce, jusqu’à ce qu’elle ne puisse plus retenir une charge et que la cellule devienne inutilisable.

À mesure que la taille des cellules diminue et qu’elles contiennent davantage de bits, elles deviennent encore plus susceptibles d’être endommagées. Des technologies telles que le nivellement de l’usure et l’amélioration de la logique des contrôleurs ont permis de prolonger la durée de vie des SSDs, mais les cellules finissent toujours par être hors service à un moment ou l’autre.

Le passage à la NAND 3D a plus que jamais mis à l’épreuve la cellule à porte flottante. Plus le nombre de couches de cellules est élevé, plus il est difficile de fabriquer et d’aligner les puces de NAND. Certains disques SSD 3D dépassent aujourd’hui les 200 couches, et des projets beaucoup plus denses se profilent à l’horizon.

Technologie à porte flottante ou à piège de charge

En raison des limitations liées aux cellules à porte flottante, les fabricants de SSDs tels que Samsung, Micron, SK Hynix et Kioxia se sont tournés vers les technologies à piège de charge pour la plupart de leurs produits. Les cellules à piège de charge existent depuis un certain temps, mais ce n’est qu’avec l’arrivée de la technologie flash 3D que les fournisseurs ont commencé à s’y intéresser sérieusement pour les SSD d’entreprise.

La cellule à porte flottante utilise du silicium polycristallin comme conducteur pour piéger les électrons. La cellule à piège de charge utilise du nitrure de silicium non conducteur comme isolant.

À bien des égards, les cellules à piège de charge fonctionnent de la même manière que les cellules à porte flottante, avec différents modèles de tension qui font entrer et sortir les électrons d’une couche de piégeage. Mais il y a une différence importante. La cellule à porte flottante utilise du silicium polycristallin comme conducteur pour piéger les électrons. La cellule à piège de charge utilise du nitrure de silicium non conducteur comme isolant.

Le nitrure de silicium est moins sensible aux défauts et aux fuites que le silicium polycristallin, et il nécessite une tension plus faible pour supporter les cycles de programmation/effacement. De ce fait, la cellule à piège de charge peut utiliser une couche d’oxyde plus fine et réduire les contraintes sur la couche, ce qui se traduit par des taux d’endurance plus élevés que sur les SSD dotés de cellules à porte flottante. L’approche du piège de charge permet également des opérations de lecture et d’écriture plus rapides et consomme moins d’énergie.

À mesure que les cellules à porte flottante deviennent plus petites, elles deviennent également plus sensibles aux perturbations, telles que les électrons qui passent par inadvertance d’une porte flottante à l’autre. Ces perturbations peuvent entraîner des chutes de performances et des données erronées. La couche de piège de charge étant un isolant, ces perturbations sont moins probables, ce qui permet de réduire la taille des cellules de piège de charge par rapport à celle des cellules à porte flottante et, par conséquent, de produire des SSD plus denses avec une plus grande endurance. 

Aussi prometteuses que soient les technologies NAND à piège de charge, elles présentent des problèmes. L’un d’eux est que les électrons ne puissent plus ressortir malgré la bonne tension appliquée. L’autre est que les électrons recommencent à s’échapper à partir d’une certaine température.

Le marché des SSD dotés de NANDs à piège de charge

Malgré les inconvénients liés aux cellules à piège de charge, les fabricants de NAND 3D adoptent cette technologie. Ils prennent également des mesures pour résoudre les problèmes potentiels liés aux cellules à piège de charge. Par exemple, les fournisseurs améliorent leurs processus de fabrication, mettent à jour les logiciels des contrôleurs et introduisent de nouvelles caractéristiques de conception dans leurs disques SSD.

Kioxia et Western Digital ont récemment annoncé une mémoire NAND 3D à 218 couches qui stocke 1 To de données en utilisant une configuration TLC ou QLC, toutes deux basées sur des cellules à piège de charge. Une technologie, baptisée CBA, permet de fabriquer séparément puis d’assembler les cellules de NAND et les liaisons CMOS intermédiaires. Cela permet d’améliorer la densité des bits et offre des vitesses d’entrée-sortie plus rapides.

SK Hynix fait quelque chose de similaire avec son CMOS à piège de charge. La société a récemment présenté un circuit à 238 couches qu’elle appelle NAND 4D. Dans ce cas, le 4D fait référence à une puce avec une couche CMOS au-dessus d’une couche Peri Under Cell (PUC), laquelle contient le circuit logique. Selon SK Hynix, la technologie PUC permet de réduire la taille de la puce et d’optimiser l’efficacité de la production. Le fournisseur affirme également que sa technologie avancée de piège de charge améliore les performances de lecture et d’écriture.

Bien que Micron ait été plus lent que d’autres fournisseurs à adopter la NAND à piège de charge, le fabricant livre désormais une puce NAND à 232 couches qui l’utilise. La puce intègre également le même type d’approche empilée que les puces de Kioxia, Western Digital et SK Hynix. Le wafer de stockage est collé au-dessus du wafer logique, que Micron appelle CMOS under array.

Samsung a été l’un des pionniers des technologies 3D NAND et des pièges de charge avec sa gamme de disques SSD V-NAND, introduite en 2013. Depuis lors, Samsung est un leader mondial de l’industrie 3D NAND. Les disques SSD actuels de Samsung, de septième génération, comprennent 176 couches. Les disques SSD de huitième génération sont maintenant en production et devraient comporter 236 couches.