Bộ nhớ flash 3D BiCS FLASH là gì, công dụng ra sao mà lại là một trong những công nghệ đột phá nhất trên ổ SSD?

[trangthutd.2404]

Năm 2007, KIOXIA là công ty đầu tiên trên thế giới công bố công nghệ bộ nhớ flash 3D BiCS FLASH. Từ đó đến nay, BiCS FLASH đã trở thành một trong những công nghệ đột phá nhất trên ổ SSD, giúp tăng dung lượng, giảm giá thành, mang tới những chiếc ổ SSD ngày càng dễ tiếp cận hơn với mọi người.

Từ nhu cầu cấp thiết về việc tăng dung lượng trong bộ nhớ flash​

Quá trình số hóa của xã hội đang tiến triển nhanh chóng và lượng dữ liệu phải được lưu trữ ngày càng bùng nổ. Vì lý do này, cần phải tăng dung lượng để lưu trữ lượng dữ liệu lớn hơn nữa trong một bộ nhớ flash.
Để đạt được dung lượng lớn này, KIOXIA đã phát triển công nghệ thu nhỏ các ô nhớ, nhằm giảm diện tích chiếm dụng của một ô nhớ càng nhiều càng tốt để có thể gắn càng nhiều ô nhớ vào một sản phẩm bộ nhớ flash, đồng thời hãng cũng nhận thấy tiềm năng thương mại hóa công nghệ này ở mức độ 15 nm (nanomét).
Tuy nhiên, có những hạn chế đối với công nghệ thu nhỏ. Ví dụ, các ô nhớ nằm gần nhau dẫn đến hiện tượng dòng điện chạy ngoài ý muốn. Ngoài ra, như hình phía dưới, số lượng electron tích lũy trong một ô nhớ sẽ giảm đi do quá trình thu nhỏ, do đó, chỉ những rò rỉ electron rất nhỏ cũng bắt đầu có tác động đến tính ổn định của dữ liệu.

Hình minh họa về việc Thu nhỏ ô nhớ

Đến sự ra đời của công nghệ BiCS FLASH​

Những vấn đề này dẫn đến ý tưởng tăng số lượng ô nhớ trên một đơn vị diện tích bằng cách xếp chồng các cấu trúc phẳng của bộ nhớ flash theo chiều dọc. Nếu chúng ta nghĩ về ví dụ về một tòa nhà, thì điều này giống như lấy một tòa nhà một tầng chỉ có 10 người ở và xây lại thành một tòa nhà chung cư 5 tầng nơi 50 người có thể sinh sống trên cùng một diện tích đất. Nói cách khác, xếp chồng càng cao thì càng có nhiều người có thể sống ở đó mà không làm tăng diện tích đất.

Hình ảnh khái niệm của bộ nhớ flash 3D BiCS FLASH so sánh với bộ nhớ 2D
Tuy nhiên, những vấn đề mới cũng được tạo ra vào thời điểm đó. Khi bộ nhớ flash cấu trúc phẳng được xếp theo thứ tự từ dưới lên, mỗi khi thêm một lớp bộ nhớ bổ sung, công việc tạo cấu trúc bộ nhớ flash cũng tăng lên. Nói cách khác, càng xếp chồng nhiều lớp thì chi phí càng cao.
Để giải quyết vấn đề này, KIOXIA đã phát triển thành công bộ nhớ flash BiCS FLASH 3D vào năm 2007 như một giải pháp cho vấn đề chi phí sản xuất.
Kể từ khi trình bày khái niệm “công nghệ xử lý hàng loạt” BiCS FLASH tại một hội nghị học thuật vào năm 2007, sản phẩm BiCS FLASH đã được thương mại hóa với 48 lớp vào năm 2015, 96 lớp vào năm 2018, 112 lớp vào năm 2020 và 162 lớp vào năm 2018. Đến thời điểm hiện tại, công nghệ này đã được sử dụng trong nhiều sản phẩm khác nhau.

Quá trình tạo ra bộ nhớ flash 3D “BiCS FLASH”

Công nghệ BiCS FLASH hoạt động thế nào?​

Với BiCS FLASH, có sự xếp chồng xen kẽ của một điện cực hình tấm đóng vai trò là cổng điều khiển (các tấm màu xanh lá cây trên hình phía dưới) và một chất cách điện, sau đó một số lượng lớn các lỗ được mở ra (đục lỗ) cùng một lúc vuông góc lên bề mặt. Tiếp theo, các phần bên trong của các lỗ mở ra trên các điện cực hình tấm được lấp đầy bằng màng lưu trữ điện tích (phần hiển thị màu hồng) và các điện cực hình cột (cấu trúc cột hiển thị màu xám). Trong điều kiện này, giao điểm giữa điện cực dạng tấm và điện cực dạng cột là một ô nhớ.

Quy trình cơ bản cho việc xếp lớp
Chúng ta hãy xem hình ảnh phóng to của ô nhớ BiCS FLASH phía dưới. Trong ô nhớ BiCS FLASH, các electron được trao đổi giữa điện cực đi qua tâm cột (cấu trúc hiển thị màu xám) và màng lưu trữ điện tích (màu hồng).
Bằng cách này, thay vì xếp chồng các ô nhớ từng lớp một, đầu tiên các điện cực hình tấm được xếp chồng lên nhau, sau đó một lỗ được mở xuyên qua chúng và các điện cực được kết nối sao cho các ô nhớ được hình thành cho tất cả các lớp. tất cả cùng một lúc để giảm chi phí sản xuất. Công nghệ đột phá này được gọi là BiCS FLASH.

Ô nhớ BiCS FLASH

Để có dung lượng bộ nhớ lớn hơn nữa​

Để đạt được dung lượng bộ nhớ lớn hơn nữa, KIOXIA đã tiếp tục đầu tư vào việc nghiên cứu và phát triển để tăng số lượng lớp trong hơn 10 năm qua. Tính đến tháng 3 năm 2023, việc xếp chồng hơn 200 lớp đã được thực hiện.

Bạn hãy tưởng tượng các điện cực hình tấm được xếp chồng lên nhau và các lỗ được mở xuyên qua chúng để xuyên qua các điện cực cùng một lúc, tất cả đều ở phạm vi nanomet, thì có thể thấy BiCS FLASH này là một công nghệ cực kỳ chính xác và tinh vi đến nhường nào. Hiện các chip nhớ BiCS FLAS có chiều rộng chỉ 12mm, còn nhỏ hơn cả một đồng xu.
Nhờ BiCS FLASH mà hiện tại chúng ta đã có những ổ SSD dung lượng cực cao đạt mức nhiều Terabytes, thoải mái lưu trữ phim ảnh, game, file tài liệu mà khỏi phải lo thiếu thốn dung lượng trống. Đồng thời, độ bền bỉ, tốc độ truy xuất cũng được tăng cao.
>> KIOXIA là của nước nào? Sự ra đời của thương hiệu KIOXIA
>> “Tất tần tật” về SSD KIOXIA: SSD KIOXIA có ưu điểm gì? Tổng quan những dòng sản phẩm SSD KIOXIA tại Việt Nam
>> Ai phát minh ra bộ nhớ flash NAND? dẫn đến sự phát triển của smartphone, tablet, laptop, máy ảnh kỹ thuật số và nhiều thiết bị điện tử mới