Flash-Speicher Der Schritt von 2D- zu 3D-NOR-Flash

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Höhere Dichte, bessere Skalierbarkeit, optimierte Performance: Auch bei NOR-Flash-Speichern soll die vertikale Stapelung von Speicherzellen die bisher planaren 2D-Architekturen ablösen. Was verspricht das 3D-NOR-Flash?

Da Systeme immer komplexer werden, ist der Bedarf an Speicherkomponenten, die mit den immer weiter steigenden Anforderungen Schritt halten können, enorm: Neben immer höher werdenden Speicherdichten sind gleichzeitig für viele Anwendungen Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit erforderlich, die nicht von allen Speichertypen angemessen erfüllt werden können. Hier kommt der 3D-NOR-Flash-Speicher ins Spiel.

Um die Bedeutung dieser Veränderung zu verstehen, ist es wichtig, die Grundlagen von NOR- und NAND-Flash-Speichern zu verstehen, um den Übergang von 2D-NOR zu 3D-NOR nachvollziehen zu können. Obwohl sowohl NOR als auch NAND als FLASH bezeichnet werden, unterscheiden sich ihre Anwendungen und Einsatzbereiche.

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NOR-Flash ist bekannt für schnellen Lesezugriff bei anspruchsvollen Execute-in-Place-Anwendungen, hohe Zuverlässigkeit und Funktionalität bei extremen Temperaturen. NOR-Flash ist ein fester Bestandteil in Anwendungen, bei denen die Codespeicherung von entscheidender Bedeutung ist, z. B. in Automotive-, Cloud-Computing- und Industriesystemen. Hinzu kommen Anwendungen, die aufgrund ihrer hohen Einsatzdauer mehrere Aktualisierungen durchlaufen können, etwa bei Over-the-Air-Updates. NAND wird in anderen Bereichen zur Datenspeicherung bevorzugt, da es höhere Dichte bei geringeren Kosten pro Bit bietet, jedoch ohne die sonstigen Vorteile von NOR. NOR-Flash wird jedoch hauptsächlich in Boot-Code, kritischen Daten und sicherheitsrelevanten Einstellungen verwendet. Seine Anwendung erlaubt keinen Bitverlust und die Anforderungen an Qualität und Zuverlässigkeit sind viel höher als bei NAND-Produkten.

Bei NAND-Flash-Speichern hat sich die vertikale Stapelung von Speicherzellen, das sogenannte 3D-Stacking, bereits seit Jahren etabliert. 3D-NAND-Anwendungen werden hauptsächlich zur Datenspeicherung verwendet. Ihre Anwendung stellt keine allzu strengen Anforderungen an den Bitverlust und erlaubt auch das Vorhandensein fehlerhafter Blöcke. Für die Verwaltung ist ein zusätzlicher Controller erforderlich. Bei NOR-Flash gestaltete sich diese Umsetzung allerdings schwieriger. Mittlerweile haben aber Speicherhersteller wie Macronix Verfahren entwickelt, die auch die vertikale Stabelung von NOR-Speicherzellen ermöglichen, ohne dabei die für NOR relevanten Eigenschaften wie Zuverlässigkeit oder Ausfallsicherheit bei höheren Temperaturen einzubüßen.

Die Anforderungen an die Entwicklung von NOR-Prozessen sind höher als bei NAND. Daher ist es schwierig, auf einen sehr fortschrittlichen Technologieknoten zu migrieren (die meisten hören bei 4xnm auf ), was zu einer erhöhten Dichte von NOR-Flash führt. Laut OTA werden jedoch funktionale Sicherheit und KI-Anwendungen immer gefragter, sodass auch die Anforderungen an die Dichte von Code und kritischen Daten steigen. Deshalb steigt Macronix auf die 3D-NOR-Technologie um.

Das ist auch notwendig: Da sich der Anwendungsbereich weiterentwickelt, getrieben durch die Verbreitung von künstlicher Intelligenz (KI), dem Internet der Dinge (IoT) und Edge-Computing, sind die Grenzen von 2D-NOR-Flash immer deutlicher geworden. Diese Anwendungen bzw. ihre Nutzer benötigen immer höhere Speicherdichten, ohne auf die Vorteile der hohen Zuverlässigkeit von NOR verzichten zu können. 3D-NOR-Flash rückt hier in den Fokus, da es diese Herausforderungen durch höhere Speicherdichten, größere Skalierbarkeit und verbesserte Zuverlässigkeit bewältigen kann.

Grenzen bestehender 2D-NOR-Speicher

Die zunehmende Komplexität von Anwendungen wie KI-gesteuerte Lösungen oder hochentwickelte Fahrerassistenzsysteme (ADAS) erfordert Speicher, die nicht nur eine höhere Dichte bieten, sondern auch schnellere Zugriffszeiten und höhere Zuverlässigkeit. 2D-NOR-Flash-Speicher haben sich hier bewährt, stoßen aber inzwischen an ihre Grenzen bezüglich Speicherdichte und Leistung. Ihre planare Architektur schränkt die Skalierbarkeit ein, höhere Dichte bei vergleichbarer Latenz ist kaum noch möglich.

Hier kommt 3D-NOR-Flash ins Spiel. Durch die vertikale Stapelung von Speicherzellen überwindet 3D-NOR-Flash die Skalierbarkeitsprobleme, die der 2D-NOR-Architektur innewohnen. 2D-NOR-Flash, wie es im Portfolio von Macronix zu finden ist, kann 512 MBit auf einem einzigen Chip erreichen, sodass für höhere Dichten ein System-in-a-Package (SIP) aus mehreren Dies erforderlich wäre. Mit 3D-NOR ist Macronix in der Lage, 4 GBit auf einem einzigen Die bereitzustellen. Diese vertikale Stapelung ermöglicht höhere Speicherdichten bei gleichem Platzbedarf, was 3D-NOR attraktiv macht für Anwendungen, die viel nonvolatilen Speicher (NVM) auf begrenztem Raum benötigen. Somit können Anbieter von Systemlösungen den Bedarf an mehreren Datenspeichern wie eMMC und/oder NAND reduzieren.

3D-NOR-Flash bietet zudem geringere Latenzen. Das optimiert die Boot-Leistung, was für Anwendungen, die einen nahezu sofortigen Zugriff auf gespeicherte Daten benötigen, von entscheidender Bedeutung ist. Weitere Vorteile gegenüber 2D-NOR sind eine Verbesserung des Gesamtstromverbrauchs, da weniger Daten zwischen separaten Speicherchips verschoben werden müssen, und eine verbesserte Sicherheit, da weniger Chips Angriffen ausgesetzt sind. Die Architektur von 3D-NOR-Flash und die damit verbundene Zuverlässigkeit sprechen zudem Anwendungen an, in denen Datenintegrität von entscheidender Bedeutung ist, etwa bei Automotive und im Industriesektor.

Technische Merkmale von 3D-NOR-Flash

3D-NOR-Flash-Speicher verdeutlichen, dass die Grenzen des Möglichen im Bereich der nonvolatilen Speicher immer weiter verschoben werden. Die technischen Grundmerkmale von 3D-NOR-Flash unterstreichen das Potenzial, den Speichermarkt grundlegend zu verändern. Nachfolgend sind nur einige wesentliche Merkmale aufgeführt:

8-fache Dichte gegenüber 2D-NOR: Einer der wichtigsten Vorteile von 3D-NOR-Flash besteht darin, eine bis zu achtmal höhere Dichte als bei 2D-NOR-Flash zu erreichen. Wie oben erwähnt, kann die 3D-Architektur dank der vertikalen Stapelung 4 GBit auf einem einzelnen Die erreichen, während die maximale Speicherdichte bei einer 2D-Architektur bei 512 MBit liegt. Daher ist etwa Macronix in der Lage, eine Single-Die-Lösung für Speicherdichten von 1 GBit bis 4 GBit bereitzustellen. Durch diese enorme Steigerung der Speicherdichte können viel größere Datensätze auf derselben physischen Fläche gespeichert werden, wodurch eine der dringendsten Herausforderungen auf dem heutigen Speichermarkt adressiert wird. Die Architektur wird auch Anwendungen unterstützen, die noch höhere Dichten erfordern, indem eine Stacked-Die-Konfiguration eingeführt wird, die bis zu 8 GBit Speicherplatz bietet. Durch diese Flexibilität eignet sich 3D-NOR-Flash für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Konsumelektronik bis hin zu High-End-Industriesystemen.

QSPI- und Octal-Schnittstellenoptionen: Um die Kompatibilität mit bestehenden Systemen zu gewährleisten und die Datenübertragungsraten zu maximieren, unterstützt das 3D-NOR-Flash von Macronix sowohl die Quad Serial Peripheral Interface (QSPI)- als auch die Octal-Schnittstellenoptionen gemäß dem JEDEC xSPI-Standard. Diese Schnittstellen ermöglichen es Entwicklern, diese neue Technologie ohne wesentliche Redesigns einfach in ihre Produkte zu integrieren.

200 MHz Double Transfer Rate (DTR): Die Geschwindigkeit ist ein entscheidender Faktor in modernen Speichersystemen, insbesondere für bestehende NOR-Kunden, die eine zusätzliche Dichte benötigen. 3D-NOR-Flash-Speicher bieten daher eine doppelte Übertragungsrate (DTR) von 200 MHz. Diese Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsfähigkeit eignet sich besonders für Anwendungen, die einen schnellen Zugriff auf große Datenmengen erfordern, wie KI-Verarbeitung und Echtzeitanalysen.

Temperaturgrades für Industrie und Automotive: 3D-NOR-Flash-Speicher sind für den Einsatz in unterschiedlichsten Umgebungen ausgelegt und funktionieren in einem breiten Temperaturbereich. Dadurch eignen sie sich für eine Vielzahl von Märkten und Anwendungen, einschließlich Industrie und Automotive, wo extreme Temperaturen eine häufige Herausforderung darstellen.

Fazit: Die Zukunft nonvolatiler Speicher

Die Einführung von 3D-NOR-Flash stellt einen signifikanten Fortschritt für den Speichermarkt und die globale Elektronikindustrie dar. Macronix plant, im dritten Quartal 2026 mit der Bemusterung von 3D-NOR-Flash-Chips zu beginnen. Die Serienproduktion soll in der zweiten Hälfte des Jahres 2027 anlaufen. Durch die Nutzung einer eigenen bestehenden Fertigungsinfrastruktur und die gleichzeitige Optimierung der Produktionsprozesse für 3D-NOR-Flash-Speicher will der Hersteller sicherstellen dass die von den Kunden erwarteten hohen Qualitäts- und Zuverlässigkeitsstandards erfüllt werden.

Da die Nachfrage nach höherer Leistung, größerer Dichte und verbesserter Zuverlässigkeit weiter steigt und die physischen Abmessungen gleich bleiben sollen, werden die Grenzen herkömmlicher 2D-NOR-Flash-Speicher immer deutlicher. Die Einführung von 3D-NOR-Flash-Speichern hat zum Ziel, eine Lösung für diese Probleme zu bieten. (sg)

* Omar Mohammed ist Technical Marketing Manager von Macronix America.

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