キオクシア(旧 東芝メモリ)は1月24日、プライベートカンファレンス「KIOXIA SSD Forum 2020」を開催。同社が研究開発を進める最新のNAND型フラッシュメモリならびに、それを活用したSSD技術などの紹介を行った。

今回のカンファレンスのテーマは「Driving Transforomation」で、半導体メモリが進む社会のデジタル化(デジタルトランスフォーメーション)に対し、どういった可能性をもたらすのか、といった意味が込められている。

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    キオクシアの最新世代となる96層3次元フラッシュメモリウェハ

過去の記憶から未来予測へ変化するフラッシュメモリニーズ

同社 常務執行役員、SSD事業部長の横塚賢志氏は、「デジタルデータの活用によるビジネスモデル、社会、日常生活の変革を促すデジタルトランスフォーメーションが進んでいるが、そうしたデータを保存するためにはフラッシュメモリ技術、半導体ストレージ技術、それらをコントロールするSSD技術が大きく貢献している」と自社のビジネスである半導体メモリこそが、デジタルトランスフォーメーションの中核技術であるとしたほか、「これまでのストレージは過去を振り返り、今の生活を充実させるために使われてきた。今後は、AI(人工知能)や機械学習を活用して未来を予測し、未来に向けた選択をより良いものにしていくためにフラッシュメモリを活用するデジタルシステムへと進化していくことを描いている。そうした未来に向かうのであれば、データが持つ意義そのものが変化していく。それをキオクシアは自らの技術で加速させていく」と、今後のフラッシュメモリの方向性を示唆。

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    フラッシュメモリの進化により、さまざまなデバイスが生み出されることとなった (本レポートのスライドはすべてKIOXIA SSD Forum 2020にてキオクシアが使用したものを撮影したもの)

その実現のためにはより多くのデータを記憶することを可能とする「モアデータ(More Data)」と、未来予測を可能にする高度かつ高速なデータ分析を可能とする「モアパフォーマンス(More Performance)」、そしてそれらをつなぐネットワーク、これらの要件を満たすものが求められるようになってくるとした。

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  • デジタルトランスフォーメーション(DX)の時代において必要となってくるデータを解析し、より良い未来を実現するためには、より多くのデータを記憶でき、高速に処理できるメモリ技術が必要となってくる

高密度化のカギを握る3D化技術

では具体的に、どうやってそうした要件に対応を図っていくのか。キオクシア SSD事業部 技師長の大島成夫氏は「最適な技術の選択が必要」と説明する。SSDが用いられる市場としては、PCやタブレットなどのエンドポイント、サーバ/ストレージ向けのオンプレミス、そしてクラウドの3種類に大きく分けられるが、「より高速なフラッシュインタフェース」、「より高い読出し書き込み性能」、「BiCS FLASHソリューションによる読出し性能の低レイテンシ化」、「高密度への挑戦」の4つの技術がカギを握るとしたほか、「もちろん低コスト化への挑戦もある」とした。

わかりやすいのは高密度化であろう。これまでNANDは、ロジックやDRAMなどと同じく、プロセスの微細化を進めることで密度の向上を図ってきた。しかし、セルサイズが小さくなれば、そこに入る電荷の数も減少。フラッシュメモリの仕組みそのものが成り立たなくなるというジレンマがあった。そこで登場したのがプロセスの微細化ではなく、上方向にメモリセルを積んでいく、いわゆる3D NAND化である。

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  • BiCS FLASHの基本構造とメモリセル構造

同社では15nmプロセス世代まで2Dでやってきたが、それ以降は3D化へと舵を切って、合わせてメモリセル方式も従来のフローティングゲート方式からチャージトラップ方式へと変更することで、それを実現させた。

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    96層BiCS FLASHの模型

現在は96層品の生産、さらに100層以上の実現を目指しているが、そうした高積層を実現するためのメモリホールのアスペクト比は1:50。これについて大島氏は、「高さ634m、底辺の直系68mの東京スカイツリーを縦に6個建設できる技術が必要」と表現する。

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    3次元構造での課題は高いアスペクト比のメモリホールをいかに埋めていくかということになる

積層技術の進化に合わせてダイサイズも現行のBiCS FLASH Gen4では前世代のBiCS FLASH Gen3と比べた場合、512Gビットで132mm2から86.1mm2へと35%のシュリンクを実現している。

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    BiCS FLASH Gen3とGen4のダイサイズや各種性能の比較

大容量化を可能とするQLC、そしてPLC

積層数の増加とともに記憶容量の増加に寄与するのが、1つのメモリセルに複数のビットを記憶する多値化技術(マルチレベルセル)である。現在は2ビット/セルのMLC、3ビット/セルのTLC、4ビット/セルのQLCが実用化段階に入ってきた。同社でもQLC品の製品化を進めているが、それとは別に5ビット/セルのPLCの開発も進められている。「QLCに若干のプロセスを追加することで、PLC化が可能であることを実証した」とするほか、そのままPLCとしての活用のほか、開発したしきい値制御技術を活用することで、TLCやQLCでの性能改善にも寄与できるとしている。

このほか、最新の研究成果となるのが、2019年12月に開催された電子素子に関する国際学会「IEDM」にて披露された半円型構造セル「Twin BiCS FLASH」である。

これは、従来の円型メモリセルのゲート電極を分断し、半円型にすることでセルサイズを半分にすることで、さらなる高密度化を図ることを可能とする技術。同社のニュースリリースではフローティングゲート方式を採用したと記載されているが、大島氏は「フローティングゲート方式、チャージトラップ方式のいずれも並行して開発を進めており、どちらが良いか、近々結論を出す予定だ」としている。

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    「Twin BiCS FLASH」の概要。メモリセルを従来の半分にすることで、さらなる高密度化を実現できるようになる

NANDをSCM分野で活用するための技術「VML」

また、低レイテンシを実現する技術として、同社では「VML(Virtual Multi LUN)-Read」技術をBiCS FLASH Gen4より導入している。これは、通常であれば前の処理が終わってから次の処理を行う必要がある4KBのページ単位の読み出しを、タイミングフリー、アドレスフリーで制限なく読めるようにしたもの。これにより4KBランダムリード性能はリニアに向上することが可能となり、結果として低レイテンシなSSD(Low Latency SSD:LLSSD)をNANDで実現できるようになる。

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    VMLの概要

このLLSSD、いわゆるSCM(ストレージクラスメモリ)分野への適用を目指したもので、3D XPointやSamsung ElectronicsのZ-NANDなどと同じ市場セグメントに位置づけられる。会場でもPoCでのデモが実施されるなど、開発が順調に進んでいることが披露されていた。

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  • LLSSDのコンセプトと、会場に展示されていたPoCを用いたデモ

SSDがホストCPUの処理を肩代わり

SSDの高速な読み書き性能を発揮するためにはインタフェース周りの性能向上も求められてくることとなる。その最たる例がPCI Express Gen4(PCIe Gen4)への対応で、同社でもすでにサーバSSD製品では対応済み。時間軸的には、サーバの次がクライアントSSDで主にワークステーションやゲーミングを中心に2021年ころより本格的に市場が立ち上がり、2022~2023年ころにストレージ市場での採用が徐々に進むとみている。

また、ネットワーク越しにSSDにリモートアクセスを可能とする「NVMe-oF(NVMe over Fabrics)」への対応も着々と進めている。例えば同社が「KumoScale」と名付けて提供しているストレージソフトウェアスイートは、単にSSDを外部に出す、という意味だけにとどまらないものとなっている。一般的なJBOF(Just a Bunch of Flash)では、NVMeストレージノードにアクセスするのに、ストレージ管理用ソフトウェアを別途、どこからか調達してくる必要があるが、意外に調達コストがかかるという課題がある。KumoScaleでは、それをアレイ側に持ってきて対応してしまおうというもので、これによりコンピュートノードのCPU負荷を低減させ、付加価値を生み出すアプリケーションの使い勝手や性能向上を図ることを可能にしたとする。

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  • KumoScaleの考え方。ホストCPUで処理していたストレージ管理ソフトなどの機能をストレージ側に搭載することで、ホストCPUの負荷を軽減させて、別の処理に回すことを可能とする

また、その先にはネイティブなイーサネットに対応したNVMe-oF SSDの開発も進められている。これは、SSD側にイーサネットポートを持たせて、ダイレクトにスイッチに接続させてしまうことで、システム全体のコスト低減と性能の両立を可能とするもの。同社のSSD技師長である柳茂知氏は、「プロセッサの世界はムーアの法則が終わったと言われているが、メモリの高性能化はまだまだ続いている。その結果、これからはCPU性能とメモリ性能のギャップが広がっていく。これは大きな課題となっていく」とし、そうしたギャップを埋めることができるさまざまな機能を搭載したSSDをスマートSSDとしてホストの処理の一部を肩代わりすることで、ホスト側のCPUの負荷を減らし、処理能力を高付加価値なアプリケーションにアロケートすることを可能とするといった、SSDがネットワークのボトルネックを軽減することができる未来を見据えているとした。

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  • ネイティブEthernet NVMe-oF SSDのシステム概要とそのメリット

こうした仕組みを「In Storage Computation」と同社では呼んでいるが、「コントローラSoCが差別化のカギ」と柳氏は説明する。SSDの出始めのころは、SSDを提供せずにコントローラだけを提供する半導体メーカが多々あり、「〇〇のコントローラを搭載したSSDが登場」などと煽り文句をつけて販売された時代もあったが、買収や撤退などが続き、現在はその多くがフラッシュメモリベンダ自身が開発したコントローラSoCとなってきた。

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  • SSDのコントローラは、かつてはSandForceやJMicron Technology、Marvell Technologyなど、さまざまな半導体メーカーが参入していたが、フラッシュメモリの技術革新が進み、セルの寿命予測などを把握して、長寿命化を実現する必要などから、ほぼメモリベンダ自身が開発する形となってきた

「基本構成は変わらないが、いろいろな技術を搭載してきた」(柳氏)とするが、In Storage Computationの時代には、さらに圧縮・復元だけではなく、HASH生成やRSパリティ生成、重複チェック、スナップショットなど、従来はホストCPUが行ってきたストレージ処理を肩代わりできるようになってくるとしており、今後のさらなる進化を目指すとする。

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    In Storage Computationの考え方は、いわゆる専用素子でのアクセラレーションといえる。決まりきった処理をハード化し、搭載することで、高速かつ低消費電力で当該処理を実行することで、ホストのCPU負荷を減らし、そこに新たな付加価値を付け加える余地を生み出そうというものとなる

なお、同社ではPCIe Gen6や50Ggpsイーサネット、IntelのCXLといったインタフェース技術へのアクセスも積極的に進めているとのことで、柳氏も「キオクシアと一緒に『ミライのカタチ』造りをリードしませんか?」と聴衆に向けたメッセージを発信していた。