3D NAND

In Smartphones, Digitalkameras und modernen Laptops sitzt ein Speicher, der Daten auch ohne Strom behält. Er besteht aus winzigen Zellen, von denen jede eine kleine Menge elektrischer Ladung festhalten kann. Ob eine Zelle geladen ist oder nicht, entspricht einer Null oder einer Eins. Früher lagen diese Zellen alle in einer einzigen Schicht nebeneinander, wie Häuser in einer flachen Siedlung. Bei 3D NAND werden sie dagegen in vielen Ebenen übereinander gebaut, wie Wohnungen in einem Hochhaus. Auf derselben Fläche findet so ein Vielfaches an Daten Platz.

Warum flache Speicherchips an ihre Grenze kamen

Jahrzehntelang wurden Speicherchips billiger, indem man die Zellen einfach schrumpfte. Je kleiner eine Zelle, desto mehr davon passen auf eine Scheibe Silizium. Doch irgendwann waren die Zellen so klein, dass nur noch wenige Dutzend Elektronen die gespeicherte Information trugen. Solche Zellen verlieren ihre Ladung leichter und störten ihre direkten Nachbarn. Die Chips wurden also nicht mehr besser, sondern unzuverlässiger.

Der Ausweg war, in die Höhe zu gehen. Die einzelne Zelle darf wieder etwas größer und robuster sein, wenn man stattdessen viele Ebenen stapelt. Die ersten Chips dieser Art hatten rund 24 bis 32 Ebenen. Heute sind über 200 Ebenen normal, und die Hersteller arbeiten an mehr als 400. Genau das ist der Grund, warum eine SSD mit einem Terabyte heute wenige Dutzend Euro kostet und nicht mehr mehrere hundert.

Für die KI-Branche ist das direkt relevant. Trainingsdaten für große Modelle bestehen aus riesigen Text- und Bildsammlungen, die schnell gelesen werden müssen. Herkömmliche Festplatten mit rotierenden Scheiben liefern die Daten dafür zu langsam. Ohne billigen Flash-Speicher wäre der Aufbau heutiger Rechenzentren wirtschaftlich kaum machbar.

Löcher durch den Stapel: der Aufbau der Ebenen

Ein 3D-NAND-Chip entsteht nicht dadurch, dass man fertige Chips aufeinanderklebt. Stattdessen wachsen auf einer Siliziumscheibe abwechselnd Schichten aus leitendem und isolierendem Material. Erst wenn dieser Stapel komplett ist, ätzt eine Maschine senkrechte Löcher hindurch – teils mehrere Mikrometer tief bei einem Durchmesser von unter einem zehntausendstel Millimeter. In diese Löcher wird das Material eingebracht, das später die Ladung speichert. Jeder Schnittpunkt von Loch und leitender Schicht ist eine Speicherzelle.

Der große Vorteil: Ein einziger Ätzschritt erzeugt gleichzeitig alle Zellen eines Turms. Mehr Ebenen kosten also kaum zusätzliche Arbeitsschritte. Die Schwierigkeit liegt darin, dass das Loch oben und unten gleich breit sein muss. Wird es nach unten schmaler, verhalten sich die unteren Zellen anders als die oberen.

Zusätzlich speichern moderne Zellen nicht nur ein Bit, sondern drei oder vier. Dazu unterscheidet die Steuerelektronik mehrere Ladungsstufen statt nur „voll“ und „leer“. Das erhöht die Kapazität weiter, macht die Zellen aber empfindlicher und begrenzt ihre Lebensdauer. Eine Zelle lässt sich nur eine begrenzte Zahl von Malen neu beschreiben, oft im Bereich einiger hundert bis wenige tausend Zyklen.

3D NAND in Geräten und in Quartalszahlen

Praktisch jeder Speicher, den man kaufen kann und der Daten ohne Strom behält, ist heute 3D NAND. Das gilt für SSDs im Notebook, für den internen Speicher des Handys, für USB-Sticks und für Speicherkarten der Kamera. Wichtig ist die Abgrenzung zum Arbeitsspeicher, der DRAM heißt: Dieser ist schneller, vergisst aber alles, sobald der Strom weg ist.

In Wirtschaftsnachrichten begegnet einem der Begriff vor allem über die Hersteller. Samsung, SK Hynix, Micron, Kioxia und Western Digital teilen den Markt praktisch unter sich auf. Ihre Umsätze schwanken stark, weil Speicher eine austauschbare Massenware ist. Gibt es zu viele Chips, stürzen die Preise ab; wird knapp geliefert, verdienen die Hersteller in einem Quartal Milliarden. Meldungen wie „Micron startet Serienfertigung mit über 200 Ebenen“ sind daher keine reine Technik-Nachricht, sondern ein Signal über künftige Preise.