NAND flash SLC vs MLC: Cual funciona mejor y es más confiable ?

¡Hola Amigos! Como Uds. saben este tema me fascina y es el que “da vida” a todos los Discos de Estado Solido (SSD), Flash Drives (Pen Drives) y formatos BGA para dispositivos móviles.

La Memoria NAND flash SLC (Single Level Cell 1 bit) y MLC (Multi Level Cell 2bits) es un tipo de memoria planar, es decir 2D (2 Dimensiones). Tenemos más, como TLC y QLC, pero nos vamos a remitir únicamente a estos dos por ahora. Los primeros SSD utilizaban SLC, pero luego y debido a la creciente demanda de la industria por más capacidad de Almacenamiento se empezó a usar MLC. La diferencia es que la SLC almacena solo 1 bit y la MLC 2, es decir el doble, algo a considerar, pero, obviamente más costosa de fabricar.

Qué es electrónicamente una Celda de NAND Flash?

Cada Celda está hecha de un solo Transistor con una compuerta flotante (Floating Gate) adicional. La Compuerta Flotante está puesta en forma de sándwich entre dos capas de Oxido que actúa como aislante.

Como se escribe o borra un dato en una Celda de Memoria?

Para esta explicación vamos a recurrir al tipo más sencillo de Celda que es la SLC.

Simple NAND Cell Diagram

 

Si la corriente no fluye entre Source (S) y Drain (D), indica que la compuerta flotante tiene una carga (los puntos azules son los electrones) y entonces decimos que la celda está programada con el número binario 0 (ver figura a la izquierda).

Si por lo contrario circula corriente entre S y D, significa que la carga ha sido borrada representando el número binario 1 (ver figura a la derecha).

Como se hace para almacenar más de un bit por Celda?

Bueno, ya vimos como se hacía para almacenar 1 bit en una Celda de Memoria SLC, la más simple de todas, ahora vamos a ver el funcionamiento de Celdas capaces de almacenar 2 bits 3 bits (MLC, TCL).

Con MLC (Multi Level Cell) vamos a almacenar 2 bits de información, lo que requiere 4 estados diferentes, es decir que 1 bit es o un 0 o un 1, tenemos 2 estados posibles, por tanto 2 bits son 4 estados posibles. Para poder hacer esto la Celda MLC debe ser capaz de aplicar una carga a la compuerta flotante en 4 niveles diferentes y más tarde, detectar cuál de los 4 esta seteado.

Veamos este diagrama:

4 States of MLC NAND

En el diagrama de arriba los electrones adicionales se representan en azul dentro de la compuerta flotante y deben setearse en niveles precisos para que puedan leerse con precisión. Esto hace que MLC sea un desafío más grande que SLC NAND.

TLC (Triple Level Cell) es aún más complejo ya que hablamos de que se almacenarán 3 bits por Celda, por tanto, requerimos de 8 estados diferentes.

Una Explicación más Profunda y Científica de la Operación de Lectura y Escritura:

En forma de introducción les he contado la operación básica de una Celda de Memoria NAND flash, SLC, MLC y reseña sobre TLC. Pero nos vamos a poner más complejos y ver la realidad a nivel de la física misma.

Volvamos a la primera imagen:

Proceso de Lectura:

La Celda opera de esta manera. Para Leer, la compuerta está eléctricamente desconectada. La conductividad entre Source (S) y Drain (D) va en función (o a depender de) la cantidad de carga en la compuerta flotante. Cuando la corriente fluye entre Source y Drain, se establece una diferencia de potencial entre las mismas llamadas Vd (voltaje en drain) y Vs (voltaje en source) y este es variado para determinar el Treshold (voltaje de disparo), al cual llamamos Vt (voltaje treshold). El Vt representa la cantidad de carga existente en la compuerta. Una carga grande se usa para representar un estado lógico 0 y una carga pequeña para representar un estado lógico 1.

Proceso de Escritura:

La Escritura se realiza aplicando un Voltaje de Programación al que llamamos Vp, aplicado a la compuerta y a Tierra (Grounding Channel), esto genera un Campo Eléctrico así los electrones son atraídos a la superficie del canal. Algunos electrones colisionan o encuentran una barrera con suficiente energía para atravesar la placa aislante.

Proceso de Borrado:

Borrar es la Operación opuesta, con la compuerta (gate) a Tierra con un Voltaje Vp aplicado sobre el canal para crear un Campo Eléctrico con la polaridad opuesta. Esto atrae a los electrones de vuelta al canal. Este proceso se llama Fowlder-Nordheim Tunneling.

Notas Importantes sobre los 3 Procesos:

Todo lo que vimos explica el gran desafío que es la Tecnología Flash Memory. Mientras es fácil atraer electrones a la compuerta flotante por cada celda, es muy difícil hacer que se vayan. Invertir este proceso requiere poner el canal a un voltaje que puede interferir las celdas de memorias a su lado debido a que el canal es común entre ellas. Por esta razón, la Memoria Flash se borra en Bloques y no dé a un bit.

Saludos a  Todos ! Sergio.