「ストレージクラスメモリ」総ざらい【前編】

「ストレージクラスメモリ」とは？　重要技術の「ReRAM」から理解する

DRAMとNAND型フラッシュメモリの中間的な性質を持つ「ストレージクラスメモリ」。メインメモリとしてもストレージとしても使えるストレージクラスメモリとは何者なのか。代表的な技術と製品を紹介する。

公開 2020年03月04日 05時03分

更新 2020年03月10日 18時13分

著者

Stacey Peterson

[TechTarget]

印刷する連載新着通知を受け取る

　コンピュータのメインメモリに利用される「DRAM」（Dynamic Random Access Memory）は高速処理が可能だが、揮発性であるため永続的にデータを保持できない。つまり電源供給を失うとDRAMはデータを失う。高額であり大規模な拡張が難しいという課題もある。

　これに対してストレージに利用されている「NAND型フラッシュメモリ」は、DRAMと比べてデータの読み書きが高速ではない。ただし不揮発性であり大量のデータを永続的に保存できる。価格はDRAMと比べるとそれほど高額ではない。

　ストレージの次世代技術として注目を集める「ストレージクラスメモリ」は、DRAMとNAND型フラッシュメモリの中間的な性質を持ち、データの処理と保存の方法を大きく変える可能性があると期待されている。ストレージクラスメモリは不揮発性であり、電源供給がなくてもデータを失わない永続性メモリ（パーシステントメモリ）に分類される。

併せて読みたいお薦め記事

いまさら聞けないメモリの基礎知識

ストレージクラスメモリ「Optane」とは何か

　ストレージクラスメモリは何種類か開発が進み、既に製品化して市場に出回っているものもある。いずれも電源供給がなくてもデータやプログラムを保持できる。データ読み書きの速度ではDRAMや「SRAM」（Static Random Access Memory）に匹敵するストレージクラスメモリも珍しくはない。ストレージクラスメモリは、データ保持の永続性に加えて高いデータ読み書き速度を両立させているため、メインメモリとしてもストレージとしても使用できる。

　ストレージクラスメモリはメインメモリとストレージの未来を担う技術だと言える。今後数年でさらに注目度を高める可能性のあるストレージクラスメモリの技術や製品を取り上げる。

製品化が進む「3D XPoint」

　IntelとMicron Technologyが共同開発したストレージクラスメモリの技術が「3D XPoint」だ。両社がこれを開発した狙いは、まさにDRAMとNAND型フラッシュメモリの性能差を埋めることだった。3D XPointをベースにしたストレージクラスメモリは、データ読み書き時のレイテンシ（遅延）が非常に小さいことが特徴だ。NAND型フラッシュメモリと比べて耐久性が大幅に高い利点もある。

　既に3D XPointは製品化されている。Intelの「Intel Optane」シリーズがその代表例だ。Intel Optaneシリーズはレイテンシの低さやデータ書き込み速度の高速さに加え、DRAMと同様にバイト単位でデータにアクセスする「バイトアドレス指定」が可能であるといった特徴を持つ。

　後述する「抵抗変化型メモリ」（ReRAM：Resistive Random Access Memory）の一種に分類できる3D XPointは、データ読み書き時には抵抗変化の原理を使用している。3D XPointは電圧によってメモリセル（データ読み書きの最小単位である素子）の抵抗値を変化させ、その抵抗値に応じて「0」「1」の状態を与える。

　3D XPointは1bit単位でデータの読み書きが可能だ。そのため複数のメモリセルを束ねた「ページ」をさらに複数まとめた「ブロック」の単位でデータを読み書きするNAND型フラッシュメモリよりも、データの読み書きが高速化する。メモリセルを積層することで高い容量密度を実現していることも3D XPointの特徴だ。

　IntelとMicron Technologyの両社は、2019年前半に3D XPoint技術を共同開発する協力体制を終了させた。Intelは「Optane」シリーズとして3D XPointを利用したメモリモジュール「Intel Optane DC Persistent Memory」（写真）やストレージの「Intel Optane SSD」を製品化している。Micron Technologyに同様の動きはない。

Intelのメモリモジュール「Intel Optane DC Persistent Memory」《クリックで拡大》

　調査会社Objective Analysisでアナリストを務めるジム・ハンディー氏は、Optaneシリーズの利点の一つは、容量密度が非常に高い点にあると指摘する。メモリの標準的なフォームファクタ（形状や大きさの規格）である「DIMM」（Dual Inline Memory Module）に準拠したIntel Optane DC Persistent Memoryの容量単価は、DIMMに準拠した同じタイプのDRAMと比べて「半分ほどになるだろう」とハンディー氏は推測する。

NAND型フラッシュメモリの性能をはるかにしのぐ「ReRAM」

　RRAMとも呼ばれるReRAMは、通過した電荷によって抵抗値が変化する素子「メモリスタ」を内蔵する。メモリスタは、電圧が掛かった空間である電界内に置くと誘電分極（両端の表面に正負の電荷が現れる現象）を起こす「誘電体」を基にした物質で、電圧に応じて抵抗値が変化する。ReRAMは、一方向の電流を増やして反対方向の電流を減らすことで抵抗値を変えるスイッチの役目を持つ。

　ReRAMで使われる誘電体は通常であれば絶縁体として振る舞うので、電流を通さない。だが高い電圧を掛けると、絶縁体の内部や界面に部分放電が発生して絶縁状態を保てなくなる「絶縁破壊」が突如起き、電流を通すようになる。従来の誘電体は絶縁破壊が起きると恒久的なダメージを受けるが、メモリスタに使用される誘電体で生じる絶縁破壊は一時的かつ可逆的であるため、再び絶縁状態に戻すことができる。

　メモリスタの一例として、電圧によってその媒体の中で微細なフィラメント（電流を流すと光を発する金属線）状の電流経路が形成されるものがある。外部から電圧を掛けると、その電流経路が破壊される。大量の電流経路の形成と破壊を制御することで、データの読み書きを可能にしている。この種のメモリスタの候補として、さまざまな物質がテストされてきた。酸化ニッケルや二酸化チタンの他、各種の電解液や半導体、有機化合物などがその例だ。

　別種類のメモリスタの例では、ガラスの一種であるカルコゲナイドガラスを利用したものがある。カルコゲナイドガラスに電圧を掛け、結晶の状態相からアモルファス（非晶質）の状態へと変化させることで、その抵抗値を変える。

　NAND型フラッシュメモリと比べると、ReRAMの方がデータの読み書きの速度が速く、耐久性に優れ、容量密度が高い。さらに消費電力も少ない。メモリスタを使用した技術は工業用センサーなどのIoT（モノのインターネット）デバイスに適している。ReRAMは富士通やCrossbarなどのベンダーが提供している。

印刷する