2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 NAND Flash 기술현황 및 SSD NAND Flash 기술현황 및 SSD 2009.3.27 Ki-Tae Park Ph.D Principal Engineer Flash Design Team Samsung Electronics.

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1 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 NAND Flash 기술현황 및 SSD NAND Flash 기술현황 및 SSD 2009.3.27 Ki-Tae Park Ph.D Principal Engineer Flash Design Team Samsung Electronics 0/32

2 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 Contents 1. NAND Flash 기술 Trend 2. SSD Overview 3. NAND Flash Reliability for SSD 1/32

3 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 NAND Flash born for Replacing HDD 2/32

4 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 NAND Application Trends (Web-Feet Research, 2007) 3/32

5 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 Evolution of NAND Flash Technology 4/32

6 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 Increasing Cell-to-Cell Interference 5/32

7 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 NAND Reliability Issues 6/32

8 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 Embedded Flash Solution 7/32

9 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 Embedded Flash Solution 8/32

10 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 NAND Technology Trend Beyond 30nm, Uncertainty of EUV Availability  Limit of Patterning Beyond 20nm, Uncertainty of Conventional Linear Scaling  Limit of Device  Super-MLC (3-bit, 4-bit, etc.), High Speed I/F, 3D Technology DPT 9/32

11 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 Super-MLC (3-bit, 4-bit, etc.) New PGM Algorithm : Three-step PGM (TSP)@43nm a cell PGM (1 st ) b cell PGM a cell PGM (2 nd ) c, then b cell PGM a cell PGM (3 rd ) d, b, c cell PGM (Toshiba-Sandisk, ISSCC, 2009) 10/32

12 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 High Speed Interface (DDR) NAND Pin Redefining Added Pin (DQS) for Data Strobe Signal (IMF, ISSSC 2008) 200MB/s100MB/s  ONFI (Open NAND Flash Interface) : Intel, Micron, Hynix, etc.  Toggle-mode NAND : Samsung, Toshiba 11/32

13 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 3-Dimensional NAND for Tera-bit Storage 2 nd Si Layer 1 st Si Layer (Samsung IEDM 2006 & ISSSC 2008) (Toshiba VLSI 2007) 3D Stacked NAND  High Performance Oriented, FG/CTF, MLC 512kb TEG Lower SG Cells Upper SG 3D Vertical NAND  High Density Oriented, CTF, MLC? 12/32

14 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 Contents 1. NAND Flash 기술 Trend 2. SSD Overview 3. NAND Flash Reliability for SSD 13/32

15 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 SSD  Solving the I/O Bottleneck Year SSD Bridge Performance Gap between CPU and HDD 14/32

16 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 SSD  Solving the Power Bottleneck World Data Center Electricity Use 15/32

17 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 NAND Flash Based SSD 16/32

18 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 SSD vs. HDD – (1) PC 향 Server 향 17/32

19 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 SSD vs. HDD – (2) RPMDrive 4200Hitachi GST Travelstar 4k120 5400Toshiba MK1032GSX 7200Hitachi GST Travelstar 7k100 10000Seagate Savvio 10K.1 15000Seagate Cheetah 15K.4 * HDD DATA background HDD: Higher RPM = Higher Power + Generates more Heat SSD: Less Power /No Heat saves lifetime Energy Costs… Watts used in Operation Mode Watts used in Idle Mode HDD RPM 18/32

20 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 Samsung SSD for Applications 19/32

21 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 Contents 1. NAND Flash 기술 Trend 2. SSD Overview 3. NAND Flash Reliability for SSD 20/32

22 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 MLC NAND is Essential for Cost Requirement 21/32

23 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 SLC SSD for Server, MLC SSD for PC (Web-Feet Research, 2007) MP3 Disk 22/32

24 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 (Sandisk, Flash Summit 2008) NAND Reliability  SSD Reliability Raw NAND Device Characteristics 23/32

25 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 SSD vs. HDD in Reliability HDD NAND Very low BER @ low cycling Very Predictable (N. Mielke, et. al., IRPS 2008) Error by Read Disturb Retention @ 5k cycling Retention Raw NAND Device Characteristics 24/32

26 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 Realistic Reliability for NAND @30k Cycling Test Time (hr) Standard Cycling Condition  Cycling with Little Delay in between  Maximizing Oxide Trap Charges In Real use, Cycling with Large Delay Time in between  Detrapping and Annealing will occur during operation (N. Mielke, et. al., TDMR 2004)

27 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 NAND Reliability Spec. (Y-J. Choi, et. al., IRPS 2008) 26/32

28 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 SSD Reliability Optimization – (1) Physical Block Address P/E Cycling Wear-leveling by FTL (Flash Controller) SSD (K. Takeuchi, ISSCC Forum 2008) MP3, USB, DSC etc. SSD Dynamic Wear-levelingStatic Wear-leveling 27/32

29 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 SSD Reliability Optimization – (2) (K. Takeuchi, ISSCC Forum 2008) Existing OS is for HDD!  OS should be optimized for SSD!!! 28/32

30 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 SSD Reliability Optimization – (3) (K. Takeuchi, ISSCC Forum 2008) SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) 29/32

31 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 SSD leads to Green IT (US)  SSD, DRAM, CPU, etc. 30/32

32 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 New Solid-State Memory Hierarchy 31/32

33 2009 특허청 차세대 스토리지 연구회 세미나 But, Current-Driven Device ??? 32/32