速度、大きさ、容量はどうなるのか

東芝メモリ、YMTC、SK Hynixが語る、NANDフラッシュメモリの最新テクノロジー

本稿ではNANDフラッシュメモリの新技術について解説する。東芝メモリの「XL-Flash」、Yangtze Memory Technologiesの「Xtacking」、SK Hynixの「4D NAND」を取り上げる。

公開 2018年12月11日 05時00分

更新 2019年07月10日 12時24分

著者

Carol Sliwa

[TechTarget]

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　2018年8月に開催されたフラッシュメモリの展示会・講演会イベント「Flash Memory Summit」で、NANDフラッシュメモリのメーカー各社が次世代の製品やアーキテクチャのロードマップを明らかにした。

　予想された通り、Intel、Micron Technology、SK Hynix、東芝メモリの各大手半導体メーカーが熱心に語ったのは、セルごとに4bitのデータを格納できる「3D NAND」についてだった。これは「クアッドレベルセル」（QLC）としても知られる。96層の3D NANDも注目を集め、さらに密度を大幅に上げるために128層以上に拡張するロードマップも示された。

　NANDフラッシュメモリのメーカー各社は、速度パフォーマンスを高め、密度を上げ、コストを削減する新たな取り組みを紹介した。東芝メモリが発表したのは「XL-Flash」と呼ばれる低遅延オプションだ。中国のNANDフラッシュメモリメーカーYangtze Memory Technologies（YMTC）は、パフォーマンスとビット密度の向上が見込まれる「Xtacking」を武器にして、大手競合他社に続こうと考えている。韓国に拠点を置く半導体メーカーのSK Hynixも「4D NAND」で同様の野望を抱く。

　Flash Memory Summitの基調講演では大手NANDフラッシュメモリメーカーであるSamsung Electronics（以下Samsung）の不在が目立った。2017年のFlash Memory Summitで、同社は「Z-NAND」について論じていた。Z-NANDとは、フラッシュチップ上のスペースを取らない場所に周辺回路を移動させ、コストを削減しようとする試みだと話すのは、分析会社Objective Analysisで最高責任者兼半導体アナリストを務めるジム・ハンディ氏だ。

　以下では、2018年8月上旬に開催されたFlash Memory Summitで、NANDフラッシュメーカー各社が発表した新技術を取り上げる。

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東芝メモリの「XL-Flash」

　東芝メモリのXL-Flashは、同社のシングルレベルセル（SLC）3D NANDの「Bit Column Stacked」（BiCS）をベースにし、マルチレベルセル（MLC）フラッシュ向けの最適化を実現する。東芝メモリでSSD応用技術技師長を務める大島成夫氏は、XL-Flashは「Excellent Latency」（優れた低遅延）を示すと語った。XL-Flashの読み取り遅延は、従来のトリプルレベルセル（TLC）フラッシュデバイスの10分の1だという。

　大島氏は、XL-Flashとより密度の高いQLCフラッシュを組み合わせれば、多様なアプリケーションワークロードに対処できると話す。DRAMとHDDによる従来のストレージアーキテクチャに比べ、全体的なシステムパフォーマンスが向上する可能性があるという。XL-FlashとQLCフラッシュメモリのパフォーマンス差は、DRAMとHDDの差よりもはるかに小さいと同氏は指摘する。XL-FlashはDRAMに比べて低速だが、コストも低く容量も大きい。

　フラッシュメモリ業界のアナリストは、東芝メモリのXL-FlashとSamsungのNANDテクノロジー「Z-NAND」について、低遅延フラッシュメモリをベースにIntelとMicronが共同開発した「3D XPoint」の対抗馬になると見ている。Intelは2017年に3D XPointベースのSSDを「Optane」というブランド名でリリースした。さらに2018年から3D XPointを採用した「Optane DC Persistent Memory」の提供を始めている。一方のMicronは、2018年8月時点でまだ3D XPointをベースにした製品をリリースしていない。

　調査会社Wikibonの最高技術責任者（CTO）兼共同設立者であるデビッド・フロイヤー氏によると、東芝メモリのXL-FlashとSamsungのZ-NANDはOptaneのパフォーマンスにはやや及ばないもの近いレベルにあり、コストを抑えられるだろうと語る。

　ハンディ氏は、XL-FlashとZ-NANDはOptaneに近い速度でデータを読み取ると見込んでいる。だが「NANDフラッシュの量子的な仕組みが原因で、非常に低速な書き込みサイクルに悩まされることになるだろう」とも話す。

YMTCの「Xtacking」

　YMTCは新興企業であり、Xtackingによって他の大手NANDフラッシュメーカーに挑戦しようと考えている。同社によれば、Xtackingは効率とI/O速度を改善し、ダイサイズを小さくし、ビット密度を向上できるだけでなく、開発時間も短縮できるという。

　「この道を進むことは実に勇気が要る。そうしたテクノロジーをうまく機能させるのは簡単でないと分かっている」とYMTCのCEOサイモン・ヤン氏は話す。

　従来のNANDとは異なり、Xtackingはフラッシュメモリのセルアレイと周辺回路を別々のウエハーに分離する。YMTCによると、従来のNANDでは、一般的な周辺回路用の高電圧トランジスタを用いてNANDのI/O速度を制御しているという。Xtackingでは、より低電圧のトランジスタが使用できるようになっており、このトランジスタによって高速I/Oや高度な機能が実現すると同社は説明する。「実際、制約なしでDDR4のI/O速度に匹敵することが可能だ」とヤン氏は言う。

　同氏によると、結果にはさらなる希望が見えるという。フラッシュチップの良品率が向上しており、サイクル全体でのメモリビットの信頼性も上昇傾向だと語る。YMTCでは2019年初頭にも新しいXtackingベースのフラッシュメモリテクノロジーを応用した製品を市場に送り出す予定だ。

　YMTCが3D NANDの開発を始めたのは2014年のことだ。当時開発したのは9層のテストチップだった。2017年末には半導体メーカーSpansionと共同開発した32層のテストチップを製造段階に移したが、ヤン氏によると生産量を控えめにしたという。製品にコスト面での競争力がなかったためだ。「利益を第一に考える。コスト面での競争力が備わるまで生産量を増やすつもりはない」と同氏は付け加えた。

　ハンディ氏は、YMTCがコスト目標を達成できるようになるかどうかについては懐疑的だ。ただし同社のXtackingに影響を受け、市場の競争スピードが上がる可能性があるという。

SK Hynixの「4D NAND」

　SK Hynixの最新NANDフラッシュメモリテクノロジーである4D NANDは、「チャージトラップ」（電荷捕獲）方式を下敷きにしており、3D NANDセルアレイの下に周辺回路を配置するというものだ。それにより、従来のNANDに比べてチップサイズを小さく、工程数を少なく、全体コストを低くできると同社は説明する。従来型NANDは、周辺回路とNANDセルを並べて配置するのが一般的だ。

　ヒョン・アン氏はSK HynixでNAND開発とビジネス戦略部門のシニアバイスプレジデントを務めている。同氏によると、4D NANDのロードマップは96層から始まっていて、128層やそれ以上に拡張する計画もあるという。同社の予定では、4D NANDを利用した最初の製品は、96層でピン当たりのI/O速度は1.2Gbps、モバイルパッケージのサイズは11.5（幅）×12（高さ）ミリになるという。チップサイズは30％小型化される。

　新しくリリースされたSK Hynixの512GBのTLC 4D NANDは、同社の過去の72層TLC 3D NANDに比べて書き取りパフォーマンスが30％、読み取りパフォーマンスが25％改善している。また、電力効率も150％上がっている。

　今後予定されている1TBのTLC 4D NANDは、2019年前半に製品発売予定だ。16（幅）×20（高さ）ミリのBGA（ボールグリッドアレイ）パッケージに収まり、最大容量は2TBとなる。同技術を採用した企業向けU.2 SSDでは最大64TBの容量を提供するとSK Hynixは発表している。

　同社はダイ1つにつき1TBの容量を備えた96層QLC 4D NAND製品の提供を2019年後半に始める予定だ。同社によると、このQLC 4D NANDは同社が2017年後半から製造を始めたTLC NANDよりもウエハー容量が20％以上大きくなるという。2018年には、SK HynixのNAND製品のうち、企業向け72層3D NANDが50％を越えるだろうと同社は伝えている。

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