Wat is V-NAND?

V-NAND staat voor Vertical NAND en verwijst naar de flash-architectuur die wordt gebruikt in flash-geheugen. Het is een relatief recent concept dat pas in commerciële productie is sinds 2013, toen Samsung het eerste product met het maakte.

Verticale NAND kan ook 3D NAND worden genoemd en bevat geheugenstapels met verticaal gestapelde cellen. Hierdoor kan een specifieke chipgrootte een hogere bitdichtheid hebben dan anders het geval zou zijn. Dit in tegenstelling tot 2D NAND – de traditionele versie waarbij geheugencellen worden beheerd in een tweedimensionale matrix.

De voordelen van 3D-opslag zijn vrij eenvoudig: meer opslagruimte in hetzelfde gebied, vergelijkbaar met hoe een hoog gebouw meer kantoorruimte kan bevatten dan een gelijkvloers gebouw op een perceel van dezelfde grootte. Bovendien levert het stapelen van meerdere lagen op elkaar dankzij de zeer dunne siliciumchips geen bijzondere hoogteproblemen op.

De grondbeginselen van V-NAND

Naast zijn structuur en 3D-vorm verschilt V-NAND niet veel van gewone NAND. Het is in wezen een logische poort die werkt met twee ( of soms meer ) ingangen en één uitgang. Meerdere NAND-poorten zijn op specifieke manieren gerangschikt om hun doel te bereiken. NAND werd voor het eerst ontwikkeld in de jaren tachtig en is nog steeds het meest populaire type flash-geheugencel op de markt. De belangrijkste concurrent is de NOR-poort. Hoewel ze op dezelfde manier zijn gestructureerd, werken NOR- en NAND-cellen anders. Ze gebruiken verschillende logica om output te creëren van de input die ze krijgen. De circuitlay-out voor NOR-flash biedt enkele voor- en nadelen, wat leidt tot andere use-cases.

Input in een NAND-poort is altijd in de vorm van een 0 of een 1, en er zijn er altijd minstens 2. Commercieel kun je tot 8 inputs in één poort vinden - maar twee is de standaard. Deze twee ingangen worden vergeleken met de waarheidstabel van de poort en op basis daarvan wordt een uitgang gegenereerd. In het geval van NAND-poorten wordt het resultaat ( opnieuw een 0 of een 1 ) bepaald door hoeveel ingangen een 1 zijn.

Als alle ingangen 1 zijn, retourneert de NAND-poort een 0 als uitvoer. Als een of meer ingangen nullen zijn, is de uitgang hoe dan ook 1. Dit is het directe tegenovergestelde van NOR-logica. Daar, als alle ingangen 0 zijn, retourneert de poort een 1. Wat er ook gebeurt, als een ingang een 1 is, is de uitgang 0.

Geavanceerde V-NAND

Inmiddels is deze technologie aan de 8e generatie toe. Vanaf november 2022 is Samsungs 1-terabit triple-level cell V-NAND de krachtigste versie van Vertical NAND-flitser. Het beschikt over de hoogste bitdichtheid en de hoogste opslagcapaciteit van alle V-NAND tot nu toe. Als direct resultaat van de implementatie van deze nieuwste generatie Flash-geheugencellen, zal de volgende generatie serversystemen ( hun primaire gebruik ) toegang hebben tot meer opslag met een kleinere voetafdruk.

Het verhogen van extra lagen bovenop de enkelvoudige laag in 2D NAND verhoogt natuurlijk de capaciteit en prestaties. Ervan uitgaande dat een bepaald gebied in 2D NAND honderd geheugencellen heeft. V-NAND zou er bijvoorbeeld driehonderd in dezelfde ruimte kunnen opslaan door drie lagen op elkaar te stapelen. Moderne V-NAND gebruikt echter honderden lagen, waardoor de opslagcapaciteit aanzienlijk toeneemt. Er zijn natuurlijk nog steeds beperkingen, maar 3D NAND heeft bewezen een levensvatbaar alternatief te zijn voor de oudere 2D-versie. Met uitzondering van de hierboven genoemde Tb-versie, hebben de meeste V-NAND-chips die commercieel worden gebruikt momenteel 256 Gb of 512 Gb. De technologie zelf is immers nog relatief nieuw.

Conclusie

V-NAND is een flash-geheugenspecifieke technologie. Het omvat het verticaal op elkaar stapelen van meerdere matrijzen van NAND-geheugen, met de juiste connectiviteit tussen de lagen. Hiermee kan de capaciteit van het flashgeheugen worden vermenigvuldigd met behoud van dezelfde voetafdruk zonder dramatische knooppuntverbeteringen aan te brengen. Door matrijzen op elkaar te stapelen, wordt de hoogte van de flash-chip vergroot. Elke matrijs is echter zo dun dat de totale hoogte nog steeds verwaarloosbaar is, zelfs met honderden lagen.

Deze aanzienlijke toename van de opslagdichtheid is uitstekend voor de opslagcapaciteit. Met name voor hyperscalars biedt de toename van de dichtheid echter specifieke voordelen. Door het aantal benodigde serverracks te verminderen en tegelijkertijd de opslagcapaciteit te vergroten, wordt het algehele stroomverbruik verminderd. Het capaciteitsvoordeel van V-NAND ten opzichte van regulier NAND-geheugen heeft ertoe geleid dat NAND volledig is vervangen.