Comment fonctionne la NAND 3D?

Depuis plusieurs années maintenant, les SSDs sont équipés de NAND 3D.

Quelles en sont les spécificités, pourquoi les constructeurs sont passés sur de la NAND 3D plutôt que sur du 2D? Comment comprendre ce terme de « 3D »? Qu’est ce qui différencie de la NAND 3D d’une mémoire qui serait simplement 2D?

La NAND 3D: plus de données dans moins d’espace physique.

La NAND 3D permet tout simplement d’emplier plusieurs niveau de NAND. Au lieu de mettre des puces cote à cote pour pouvoir stocker plus de données, celles-ci sont empilées:

Comme on le voit ici, il y a différents niveaux (plats) de NAND dans lesquels les données sont stockées. L’avantage est évident en terme de place: une puce est équivalente à plusieurs puces, le constructeur économise donc du PCB et peut loger plus de données dans un espace plus compact. Plus il y a de couches ajoutées, plus la densité de bits (et donc d’octets!) augmente.

Les constructeurs utilisent en ce moment (2021) couramment des puces 96L donc avec plus de 90 niveaux de NAND empilés. Certains proposent des puces allant jusqu’à 256 couches! Cela permet de concevoir des puces de 512Gb, voire de plusieurs Tb!

Exemple: passage du MX500 en 96L.

Dans les photos ci-dessous on peut voir l’intérieur du MX500 de chez Crucial dans sa première version, et dans sa version mise à jour. La seconde voir le passage à de la NAND de 64L à 96L, le PCB est réduit:

Dans ces deux cas nous sommes sur de la NAND 3D, mais le nombre de couches évolue. Cette évolution n’est-elle que liée à une volonté pour le constructeur de réduire ses coùts de production? Pas forcément!

En effet le passage à la NAND 96L, permet un gain en performance: la latence est améliorée, ce qui permet de meilleures performance en lecture séquentielle « random », et donc plus d’opération I/O par seconde (IOPS).

Si cela se sent sur des SSD en TLC, c’est encore plus vrai sur les SSDs en QLC, qui de part le fait que 4 bits différents sont stockés induit un ralentissement certain. Il est possible d’arriver à des peformances correctes en QLC grace à un passage à 96L ou plus, comme on le voit par exemple dans l’étude de Kalavade (pdf).

A l’avenir? Toujours plus d’étages!

Comme on le voit ci-dessous, dans un document de l’IMEC, les constructeurs projettent de rajouter plus d’étages à leurs puces, et d’augmenter ainsi la capacité par puce, laissant présager des puces de 4 à 12Tb (!!) dans un avenir proche:

Faut il s’inquieter de cette augmentation? Non: en terme de capacité à durer dans le temps, la finesse de gravure (et donc la quantité comme la qualité de matière composant une cellule) est plus importante que le nombre d’étages. Pour une même capacité et à dimention équivalente, mieux vaut une NAND en 96L qu’une NAND en 64L gravée plus finement, la durée de vie de la NAND étant limitée à un certain nombre de cycles de lecture et écriture sur les cellules, lié à la finesse de gravure: moins il y a de matière, moins la durée de la mémoire flash sera grande.

Bien entendu, si un composant venait à « lacher », le volume de données perdues serait plus grande. Les constructeurs prévoient ce scénario sur les disques de qualité, et offrent des solutions pour palier à une éventuelle défaillance de plusieurs cellules – voire d’un étage entier – sans impacter le fonctionnement du disque, par exemple avec la Technologie RAIN si l’on reste sur ce que fait Crucial, permettant un fonctionnement similaire (en simplifiant) à un RAID 5.