Speicherforschung: Samsung will beim 5-Bit-NAND 96 Prozent Energie sparen

Forscher von Samsungs Halbleitersparte arbeiten an einer neuen Form von NAND-Flash-Speicher. Mit Hilfe sogenannter Ferroelectric Field-Effect Transistors (FeFETs) soll sich die Leistungsaufnahme drastisch reduzieren lassen. Dennoch sollen beim „Ultra-Low Power NAND-Flash“ bis zu 5 Bit pro Zelle möglich sein.

Über das Forschungsprojekt wird in einem Nature-Artikel mit dem Titel „Ferroelektrische Transistoren für NAND-Flash-Speicher mit geringer Leistungsaufnahme“ (übersetzt aus dem Englischen) berichtet. Darin heißt es, dass NAND-Flash-Speicher mit seinen vielen in Reihe geschalteten Zellen einen Hochspannungsbetrieb erfordert, der wiederum vergleichsweise viel Energie benötigt. Um die Leistungsaufnahme zu verringern, müsse die sogenannte Durchlassspannung (Pass Voltage) reduziert werden. Dies sorge aber bei bisherigen Architekturen dafür, dass sich nicht mehr so einfach mehrere Bit pro Zelle (Multi Level Cell) speichern lassen. Inzwischen ist TLC-NAND mit 3 Bit pro Zelle üblich und künftig wird mehr und mehr auf QLC mit 4 Bit pro Zelle umgestellt.

Sehr sparsame FeFETs für bis zu 5 Bit pro Zelle

Doch mittels der besagten ferroelektrischen Feldeffekttransistoren (FeFETs) soll das Problem gelöst werden. Deren Gate-Stack besteht laut dem Bericht aus zirkoniumdotiertem Hafniumdioxid und einem Oxid-Halbleiterkanal. Diese Transistoren sollen nahezu keine Durchlassspannung aufweisen und so „im Vergleich zu herkömmlichen Alternativen bis zu 96 Prozent Energie im String-Betrieb“ einsparen. Parallel soll aber die Multi-Level-Funktion der Speicherzellen erhalten bleiben, sodass sich bis zu 5 Bit pro Zelle speichern lassen. Das entspricht also Penta-Level Cell (PLC) NAND, an dem NAND-Hersteller seit Jahren arbeiten. Auch wenn Solidigm (Intels frühere NAND-Sparte) bereits vor drei Jahren eine erste SSD mit 5 Bit pro Zelle demonstriert hatte, ist PLC-NAND heute noch kein kommerzielles Produkt.

Ebnet das den Weg für PLC-NAND?

Sehr wahrscheinlich liegt das daran, dass PLC-NAND in puncto Haltbarkeit nicht die Anforderungen an heutigen Massenspeicher erfüllen kann. Der neue technische Ansatz von Samsung liefert vielleicht die Basis für künftigen PLC-Speicher für den Masseneinsatz. „Unsere Arbeit ebnet den Weg für Speichermedien der nächsten Generation mit verbesserter Kapazität, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit“, heißt es zumindest vielversprechend von den Forschern.