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XL-FLASH: Toshiba Memory stellt Turbo-NAND vor

| Redakteur: Michael Eckstein

Vor gut einem Jahr hat der japanische Flash-Pionier Toshiba Memory neuartige nichtflüchtige Speicherchips angekündigt. Jetzt sind die XL-FLASH genannten Bausteine fertig. Sie sollen deutlich schneller sein als herkömmliche TLC-NAND-Speicher.

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Lückenfüller: Der neue XL-FLASH-Speicher von Toshiba Memory soll den Leistungsbereich zwischen DRAM und NAND-Flash besetzen.
Lückenfüller: Der neue XL-FLASH-Speicher von Toshiba Memory soll den Leistungsbereich zwischen DRAM und NAND-Flash besetzen.
(Bild: Toshiba Memory Corporation)

Noch vor der anstehenden Umfirmierung in Kioxia hat Toshiba Memory seine XL-FLASH-Speicher vorgestellt. Die neuen Chips sollen die Leistungslücke schließen zwischen herkömmlichen NAND-Flash- und DRAM-Speicher. DRAM ist schnell, aber im Vergleich teuer. Zudem vergisst es seine Zelleninhalte ohne permanent anliegende Spannung sofort. Das nichtflüchtige NAND hingegen ist günstig, schreibt und liest Daten aber nur langsam.

Die neuen XL-FLASH-Bausteine sollen diese Makel beheben. Sie basieren auf bewährter 3D-NAND-Flash-Technologie, die bei Toshiba „BiCS FLASH“ heißt. Statt der bei „Triple Level Cell“-(TLC-)Chips üblichen drei Bits speichert XL-FLASH aber nur ein Bit pro Zelle. Damit zählt es zu den Pseudo-Single-Level-Cell-(SLC-)Speichern, kurz „pSLC“. Vorteil: Toshiba kann die Chips in erprobten, gut skalierbaren Prozessen als Massenprodukt fertigen und somit günstig anbieten. Nachteil: Die XL-FLASH-Chips haben eine geringere Kapazität, nämlich 128 GBit (16 GByte) pro Siliziumchip (Die). Toshiba packt zwei, vier oder acht Dies in ein Gehäuse. Die Chips fassen also 32, 64 oder 128 GByte Daten. Zum Vergleich: TLC-NAND-Chips gibt es mittlerweile mit 1 TBit, die BiCS4-QLC-Chips aus eigenem Haus fassen sogar 1,33 TBit.

XL-FLASH ist ein pSLC – mit interessanten Detailverbesserungen

Beim Optimieren ihrer Flash-Technologie lassen sich die Hersteller ungern in die Karten schauen.

Toshiba hat immerhin einige Details bekanntgegeben: So spielen laut Shigeo Ohshima, Technology Executive für SSD Application Engineering bei Toshiba Memory, im Vergleich zu herkömmlichem NAND-Flash kürzere Word- und Bit-Lines eine wichtige Rolle.

Auch die interne Aufteilung des Speichers sei essenziell für das Performance-Plus: So bestehe jeder XL-FLASH-Die aus 16 horizontal angeordneten Ebenen, den so genannten „Planes“. Diese Planes sind nicht zu verwechseln mit den Die-Layern, die Toshiba in seinen Bausteine übereinander schichtet. Herkömmliche NAND-Dies haben nur zwei bis vier Planes. Die zusätzlichen Planes sollen für einen höheren Parallelisierungsgrad sorgen.

Drastisch verkürzte Lese-Latenz, aber kein DRAM-Ersatz

Auch die geringe Blockgröße von 4 KByte kommt einem höheren Tempo beim Wiederbeschreiben zugute. Denn Flash ist grundsätzlich blockweise organisiert. Wegen der internen seriellen Verschaltung lassen sich die Zellen nur blockweise auslesen oder beschreiben.

Nach eigenen Angaben konnte Toshiba durch diese technischen Kniffe die Seiten-Lese- und Programmierzeiten drastisch verkürzen. Demnach benötigt XL-FLASH weniger als 5 µs zum Auslesen und wäre damit rund zehnmal schneller als aktuelle TLC-Chips. Leider hält sich das Unternehmen bei den wichtigen Programmierzeiten bedeckt.

Haupteinsatzgebiet für XL-FLASH sind zunächst SSDs und NVDIMMs

Toshiba geht davon aus, dass seine XL-FLASH-Chips zunächst in Solid State Drives (SSD) verbaut werden. Doch es lässt sich laut Hersteller auch in Bausteinen nutzen, die auf dem DRAM-Bus angeordnet sind. Dazu zählen nichtflüchtige NVDIMMs (non-volatile dual in-line memory module).

„Dank unserer BiCS FLASH-Technologie ist XL-FLASH das NAND mit der höchsten verfügbaren Performance im SLC-Modus“, sagt Axel Stoermann, Vice President der Toshiba Memory Europe GmbH. „Da wir nur ein Bit pro Zelle abspeichern, können wir die Performance erheblich steigern. Und weil XL-FLASH auf bestens bewährten Technologien basiert, die wir bereits in großem Volumen fertigen, können unsere Kunden die Marktreife ihrer Entwicklungen mit dem Einsatz von XL-FLASH als Massenspeicherlösung beschleunigen.“

Unter dem Strich ist XL-FLASH keine neue Speichertechnologie wie Phase Change Memory, die etwa bei 3D XPoint/Optane oder ReRAM verwendet wird. Vielmehr handelt es sich um im Detail optimierte NAND-Flash-Speicher – ähnlich wie Samsungs Z-NAND. Entsprechend wird XL-FLASH voraussichtlich als Cache zum Einsatz kommen, weniger als schneller DRAM-Ersatz.

Erste Samples will Toshiba ab September ausliefern, ab 2020 soll die Massenproduktion der XL-FLASH-Chips anlaufen.

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