حافظه فلش NAND سه بعدی چیست؟

[نسیم]

امروزه، تجهیزات ذخیره‌سازی فلش (مانند SSD) به یکی از نیازهای مبرم کامپیوترهای شخصی تبدیل شده‌اند.
این روزها کمتر سیستمی را می‌توان بدون SSD تصور کرد. حافظه‌های فلش به مرور زمان و با توجه به رشد فناوری (گرچه این رشد آن‌قدر که انتظار داریم سریع نیست) با حجم بیشتری در دسترس قرار گرفته‌اند و ارزان‌تر شده‌اند تا از نظر قیمتی به هارددیسک‌های مکانیکی نزدیک‌تر شوند.
در بین فلش‌های NAND، بیشترین پیشرفت را فلش‌های NAND سه بعدی (NAND عمودی یا V-NAND نیز نامیده می‌شوند) دارند. اگر به‌صورت غیر تخصصی به قضیه نگاه کنیم، این امر منجر به تولید حافظه و تجهیزات ذخیره‌سازی ارزان‌تری می‌شود. ولی برای واکاوی تخصصی این مسئله، با ما همراه باشید.

یک قطعه از حافظه‌ی فلش را به‌عنوان یک آپارتمان در نظر بگیرید. خانه‌های مجزایی وجود دارند که مردم داخل آن می‌شوند یا از آن خارج می‌شوند و زمان‌های متفاوتی در داخل (در این مثال همانند یک بیت حاوی مقدار ۱ است) و خارج از آن (حالت صفر) سپری می‌کنند. حال اگر شما در حال ساخت یک آپارتمان جدید باشید، ارزشمندترین منابع شما، املاک و مستغلاتی هستند که در حال ساخت آن هستید. بنابراین بدون در نظر گرفتن محدودیت‌های مهندسی و بودجه، هدف شما به حداکثر رساندن تعداد افرادی است که در این زمین‌ها ساکن می‌شوند.

حدود 100 سال پیش، جواب این سؤال به تقسیم کردن زمین به کوچک‌ترین ابعاد ممکن و جای دادن افراد در یک طبقه ختم می‌شد. ولی اکنون با به وجود آمدن ساختمان‌های فولادی و آسانسورهای سریع و ایمن، ساختن آپارتمان‌های چندطبقه به‌راحتی امکان‌پذیر است و می‌توان با داشتن زمینی با مساحت مشابه، افراد را ۱۰، ۲۰ یا ۵۰ برابر بیشتر از قبل در ساختمان‌ها جای داد.

این همان تفاوتی است که در NANDهای دوبعدی و سه‌بعدی وجود دارد. از‌ آنجایی که در این مطلب به‌جای افراد با بیت‌ها روبرو هستیم، شرکت‌های پیشرو برای به حداکثر رساندن تعداد بیت‌هایی که در یک سطح دوبعدی X و Y جا می‌گیرند، تلاش‌های زیادی انجام داده‌اند و اکنون در حال ساخت عمودی مدارات هستند. البته محدودیت‌های فیزیکی همیشه وجود دارند؛ برای مثال استفاده از یک ماژول رم با ضخامت ۳ اینچ امر غیر معقولی است؛ حتی اگر بتوان ترابایت‌ها داده را در آن جای داد. ولی فناوری‌های جدید در ساخت حافظه و چیپ، اجازه می‌دهند لایه‌های میکروسکوپی و بسیار ریز از معماری NAND را روی هم سوار کنید (بسیار شبیه به ساخت خانه‌های طبقاتی امروزی). روش‌های لایه‌بندی و ساخت حافظه‌ی عمودی، تراکم، سرعت و کارایی را در مقایسه با مدل قدیمی‌تر بهبود می‌بخشند.

با استفاده از سبک جدید ساخت حافظه به‌صورت لایه‌ای، داده‌‌ی بسیار بیشتری نسبت به قبل در همان فضای فیزیکی قبلی جای می‌گیرد. علاوه‌‌ بر این، تکنیک‌های کوچک‌سازی به‌صورت پشته‌ای عمل می‌کنند؛ به این معنی که می‌توان لایه‌های بیشتری را در یک ماژول حافظه قرار داد. کاهش فاصله‌ی سیم‌بندی‌ها (فناوری ساخت که با نانومتر بیان می‌شود) در مدارات، باعث کاهش فضای فیزیکی، تأخیر و توان مصرفی می‌شود و از سوی دیگر سرعت خواندن و نوشتن را افزایش می‌دهد. پیشرفت‌های صورت گرفته در این زمینه، مانند Channel Holes، باعث افزایش سرعت انتقال داده‌ بین لایه‌های نیمه‌رسانا شده‌اند و اگر مثالی را که زدیم به یاد بیاورید، این ایده مانند یک آسانسور کوچک بین طبقات آپارتمان عمل می‌کند.

روش V-NAND در تمامی بخش‌هایی که تجهیزات ذخیره‌سازی فلش نقشی در آن ایفا می‌کنند، ریشه دوانده است؛ ولی پیش‌بینی می‌شود بیشترین نفع را از شاخه‌ی صنعتی داشته باشد. فرایند ساخت فوق‌العاده پیچیده برای ساخت رم و تجهیزات ذخیره‌سازی با ظرفیت بالا، هزینه‌های ساخت را بالا می‌برد؛ به‌طوری‌که قیمت این محصولات مناسب یک کاربر معمولی نیست و بازار هدف این محصولات، دیتاسنترها و ورک‌استیشن‌های پرقدرت است.

با این وجود، NAND سه‌بعدی راه خود را به بازار مصرف‌کنندگان پیدا کرده و مزیت‌های پرشماری برای ذخیره‌سازی داده‌ در SSDها به نمایش گذاشته است. با توجه به افزایش تقاضای حافظه‌ی فلش از سوی شرکت‌های الکترونیکی، شرکت‌های بزرگ و مشتریان معمولی، حافظه‌ی فلش در تمامی دنیا با کمبود مواجه شده است؛ بنابراین قیمت‌ها هنوز هم نسبتا بالا هستند.

در پی افزایش نیاز بازار در تمامی سطوح و افزایش مداوم هزینه‌های ساخت (برای ساخت قطعات پیشرفته‌تر)، انتظار می‌رود تغییر قیمت و موجودی رم کامپیوتر استاندارد و SSD غیرقابل پیش‌بینی ولی سخت باشد. با اینکه حافظه‌های NAND سه‌بعدی، با سرعت بالاتر و کارایی بیشتر، در دسترس هستند؛ ولی روند کاهش قیمت، افزایش سرعت و ظرفیت کمتر از حد انتظار است. رؤیای اینکه سیستم گیمینگ خود را مزین به ترابایت‌ها حافظه‌ی فلش با سرعت بالا کنید، با روند فعلی، رؤیایی دور از دسترس است.

با این حال، تأثیر فناوری‌های جدید اجتناب‌ناپذیر است. با توجه به این‌که بسیاری از تأمین‌کنندگان با تغییر در خط تولید محصولات خود، درصدد افزایش توانایی‌های تولید حافظه‌ها و تجهیزات ذخیره‌سازی فلش هستند؛ در سال‌های پیش رو، شاهد رونق و رواج بیشتر این دست از محصولات خواهیم بود. البته این انتظار ممکن است چند سال بیشتر از رؤیاهایمان طول بکشد.