Tipos Charge Trap NAND Flash: BiCS, P-BiCS, VRAT, Z-VRAT, VSAT, A-VSAT, TCAT, V-NAND

La memoria flash de tipo NAND se presenta bajo diferentes tecnologías de transistores, como las de la puerta flotante o las de trampa de carga. En este artículo nos centraremos en ésta segunda tecnología, y veremos los tipos que existen dentro de esta familia, entre ellas la conocida como V-NAND de la que tanto se habla actualmente.

Como sabes, la memoria flash es un tipo de memoria no volátil que se utiliza comúnmente en dispositivos electrónicos como unidades USB, tarjetas SD, SSDs y otros. A diferencia de la RAM, la memoria flash retiene los datos incluso cuando se corta la alimentación. Para ello, en vez de basarse en condensadores, como la RAM, las células de flash se basan en transistores, en celdas como las de tipo NOR y NAND.

La principal diferencia entre la memoria NOR y la NAND radica en la estructura de sus celdas de memoria y en la forma en que se accede a los datos:

• Memoria Flash NOR: las celdas de memoria NOR están organizadas en paralelo, lo que permite un acceso aleatorio rápido a los datos. Esto la hace ideal para aplicaciones que requieren tiempos de acceso bajos y ejecución de código, como el BIOS o el firmware de un dispositivo. Sin embargo, la densidad de almacenamiento de la memoria NOR es menor en comparación con la NAND, además de tener otras desventajas.
• Memoria Flash NAND: por otro lado, las celdas de memoria NAND están organizadas en series, lo que permite una mayor densidad de almacenamiento. Sin embargo, el acceso a los datos es secuencial, lo que significa que se debe acceder a los datos en bloques. Esto la hace ideal para aplicaciones de almacenamiento masivo como unidades SSD y tarjetas SD.

Característica	Floating Gate NAND	Charge Trap NAND
Densidad de almacenamiento	Alta	Muy alta
Velocidad de lectura	Rápida	Rápida
Velocidad de escritura	Rápida	Ligeramente más lenta
Retención de datos	Buena	Muy buena
Resistencia a la escritura	Menor	Mayor
Complejidad de fabricación	Alta	Menor

Dentro de las memorias de este tipo, tanto la memoria NOR como la NAND, utilizan transistores para almacenar datos como he comentado antes. Sin embargo, existen dos tipos principales de transistores utilizados en la memoria NAND: Floating Gate y Charge Trap.

• FG NAND: almacenan datos mediante la captura de electrones en una puerta flotante aislada del canal. La presencia o ausencia de electrones en la puerta determina si la celda está en estado de 1 o 0. Este tipo de transistor permite una alta densidad de almacenamiento, con un bit por cada transistor, además de tener una buena capacidad de retención de datos y resistencia a los ciclos de acceso. Sin embargo, también tiene algunas desventajas, como un proceso de fabricación algo más complejo en comparación con otros transistores convencionales, y también necesitan medidas para prevenir la pérdida de datos por el efecto túnel.
• CT NAND: en este caso almacenan datos entre un material dieléctrico, llamado trampa de carga, ubicado cerca del canal. La carga eléctrica se inyecta o se extrae de la trampa de carga para cambiar el estado de la celda, según sea 0 o 1. Este tipo de transistor también permite una gran densidad de almacenamiento, pero tiene menor riesgo de pérdida de datos, por lo que resulta en memorias más duraderas y fiables. En cuanto a las desventajas, tiene también una fabricación compleja y una velocidad de escritura algo más lenta en comparación con FG.

Tipos de Charge Trap NAND

Tecnología	Características Clave	Ventajas	Desventajas
V-NAND	Estructura vertical, alta densidad	Mayor capacidad, menor tamaño físico	Mayor complejidad de fabricación
BiCS, P-BiCS	Optimización para densidad y escalabilidad	Alta densidad, bajo costo por bit	Puede tener limitaciones en el rendimiento en algunas aplicaciones
VRAT, Z-VRAT, VSAT, A-VSAT	Optimización para rendimiento de lectura	Mayor velocidad de lectura, latencia reducida	Puede ser más compleja y costosa de fabricar
TCAT	Celdas más pequeñas, alta densidad	Mayor capacidad en un área determinada	Puede comprometer la fiabilidad y el rendimiento

Para finalizar, entre los tipos de Charge Trap NAND que se utilizan para las actuales unidades SSD, pendrives, tarjetas de memoria, etc., tenemos que destacar los siguientes:

Grupo 3D NAND

La arquitectura 3D NAND representa un salto cualitativo en la densidad de almacenamiento, apilando celdas de memoria en capas verticales en lugar de solo horizontalmente. Es decir, se implementan chips de memoria y luego se apilan verticalmente, conectados mediante TSV entre sí, para que funcionen como una sola memoria con capacidad unificada. Dentro de estos tipos de memoria con transistores Charge Trap tenemos que destacar:

• V-NAND (Vertical NAND): este término se utiliza a menudo de manera intercambiable con 3D NAND, refiriéndose a la estructura vertical de las celdas. Samsung fue pionera en esta tecnología.
• BiCS (Bit Cost Scalable): desarrollada por Toshiba, BiCS es una implementación específica de 3D NAND que enfatiza la escalabilidad de la densidad de almacenamiento a través de un diseño de celda optimizado.
• P-BiCS (Perpendicular BiCS): es una evolución de BiCS que utiliza una estructura de celda perpendicular para mejorar el rendimiento y la densidad.

Variantes de celdas 3D NAND

A medida que la tecnología 3D NAND ha madurado, han surgido diversas variantes con características y optimizaciones específicas y que deberías conocer, como son:

• VRAT (Vertical Read Array Technology): esta tecnología mejora el rendimiento de lectura al optimizar la arquitectura de la matriz de lectura en las celdas 3D NAND.
• Z-VRAT (Z-shaped Vertical Read Array Technology): básicamente es una evolución de VRAT que utiliza una estructura en forma de Z para mejorar aún más el rendimiento de lectura.
• VSAT (Vertical Stacked Array Technology): similar a VRAT, pero con una arquitectura de apilamiento vertical optimizada para una mayor densidad en forma de matrices.
• A-VSAT (Advanced Vertical Stacked Array Technology): una versión avanzada de VSAT con mejoras en el rendimiento y la densidad, mejorando aún más las prestaciones de la anterior.
• TCAT (Thin Cell Array Technology): esta tecnología se enfoca en reducir el tamaño de las celdas individuales para aumentar la densidad de almacenamiento, y para ello se ha mejorado el tamaño del transistor a nivel del sustrato.