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24〜25nmプロセス世代でもSSDは安くならない!? 2011年春のSSD最新動向と課題,その対策をまとめてみる
24nmプロセスを採用した東芝製NANDフラッシュのシリコンウェハ |
今回は,そんな各SSDベンダーの動向と,採用する技術に注目したいと思う。
NAND型フラッシュメモリは
プロセスが進化するほど短寿命になる
ご存じの人も多いだろうが,NAND型フラッシュメモリには,データの書き換え回数に上限があり,これは書き換え寿命とも呼ばれている。
NAND型フラッシュメモリは,データを蓄積するために「セル」(Cell)という回路を備えており,このセルに電子を格納することでデータを保持している。半導体プロセスが進化すればセルの回路も小さくなり,同じダイサイズに多くのセルを実装することができるため,大容量化と低価格化に期待ができるわけだ。
また,今日(こんにち)的なNAND型フラッシュメモリでは,データ領域と反発する電子を「フローティングゲート」(Floating Gate)と呼ばれる領域に封止することでデータを安定して保存できるようにしているのだが,プロセスがシュリンクすると,このフローティングゲートも小さくなり,内部に封止できる電子の量が減る。それにより,データのリークが起こりやすくなり,いきおい,書き換え寿命を縮める要因になってしまうという問題もある。
一般に,NAND型フラッシュメモリの書き換え寿命は,半導体プロセスルールの進化(容量2倍)に伴い,概ね7分の1〜10分の1低下するという。
もう1つ,「半導体プロセスが微細化すると,データ書き込み時のエラー発生頻度が上がってしまう」というのも,書き換え寿命とは別に,NAND型フラッシュメモリの抱える問題として挙げられる。
この問題のため,NAND型フラッシュメモリを搭載するデバイスには,より高精度なエラー訂正(Error Check and Correct:以下,ECC)機能を搭載する必要があるのだ。たとえば,34nmプロセス世代では12bit ECCで十分だったのが,最新の25nmプロセス世代では16bit〜24bit ECCが必要になるといった具合である。
現在,NAND型フラッシュメモリは,ベンダーごとにコントローラの要求が異なるため,プロセス技術の進化や高性能化の足枷になっているようだ |
以上のような理由により,最新プロセスを採用したNANDフラッシュメモリを搭載するデバイスには,最新のコントローラを組み合わせることが推奨されている。
要するに,最新プロセスのNAND型フラッシュメモリを搭載したSSDが最新コントローラとの組み合わせを推奨する理由は,ECC機能によるところが大きいのだろう。
ある大手SSDコントローラベンダー関係者は,「2010年のコントローラは,Serial ATA 6Gbpsへの対応と,24〜25nmプロセス世代のNAND型フラッシュメモリチップへの対応という大きなハードルが立ちはだかる年だった」と振り返る。実際,Serial ATA 6Gbpsのインタフェース市場では,対応のコントローラチップをいち早く市場投入したMarvellのみがリードする結果となったわけだが,同関係者は「他社のSerial ATA 6Gbps対応コントローラが2011年にずれ込んだ原因は,NAND型フラッシュメモリのプロセス移行時期と重なったことが大きい」としている。
24〜25nmプロセス採用は
ECC機能の強化がカギとなる
では,ずれ込んだ結果としての2011年を迎え,各ベンダーは,Serial ATA 6Gbpsや,24〜25nmプロセスのNAND型フラッシュメモリを,どう扱おうとしているのだろうか。
Micron Technologyのコンシューマ部門であるLexar Mediaの,Crucial RealSSD C400(※正確にはその基板)。25nmプロセス世代のNAND型フラッシュメモリを採用する |
Crucial RealSSD C400が搭載するコントローラチップは,Marvell製「88SS9174-BKK2」。これは,従来製品「Crucial RealSSD C300」に搭載されていた「88SS9174-BJP2」の後継となる最新リビジョンだ。このコントローラチップは,別途検証記事をお伝えしているIntelの最新製品「SSD 510」シリーズや,Corsairの「Performance 3 Series」,プレクスターの「M2S」などといったところにも採用されている。
ここで気になるのは「NAND型フラッシュメモリチップのプロセスルールがシュリンクされているにもかかわらず,既存のコントローラで制御できるのか」という点だろう。ただ,そのタネは簡単。Crucial SSD C400に採用される25nmプロセス版のNAND型フラッシュメモリは,同34nm版の「MT29F128G08CKCBBH2-12(OAB11-NW172)」を単純にシュリンクしたもので,バス帯域幅などに変更がないのだ。
Micron Technologyの関係者は,CrucialRealSSD C400について,「コントローラとNAND型フラッシュメモリ間のI/Oチャネル数を従来の1から2へと増やし,ECC機能の制御によって増えたデータ転送を軽減している」と説明する。
しかし,「25nmプロセスのNAND型フラッシュメモリチップの採用でECCの頻度が増えるため,SSDを使い続けていくとパフォーマンスが落ち込むことは避けられない」(同関係者)。
このような状況のなか,Micron Technology(≒Lexar Media)といったNAND型フラッシュメモリのベンダーを除く,いわゆる独立系のSSDベンダーは,24〜25nmプロセス世代への移行に慎重な姿勢をみせている。
Alex Mei氏(CTO, Executive Vice President of Marketing, OCZ Technology) |
先ほどその名を挙げたとおり,Intelは,開発コードネーム「Elmcrest」(エルムクレスト)と呼ばれていたSerial ATA 6Gbps対応のSSDを,SSD 510シリーズとして近日中に市場投入する予定だ。
また,別記事で紹介しているように,IntelのSSD 510シリーズは,「X25-M Mainstream SATA SSD G2」(以下,X25-M G2)の上位製品という位置づけになっている。その価格は容量120GBモデルが284ドル,同250GBモデルが584ドルで,120GBモデルで比べるとX25-M G2より40ドル高い計算になるが,このSSD 510シリーズで組み合わされるNAND型フラッシュメモリは,34nmプロセス世代のものだ。
25nmプロセス世代のNAND型フラッシュメモリを採用し,X25-M G2の後継となる「Postville Refresh」(ポストヴィルリフレッシュ,開発コードネーム)も,Intelは2011年前半の市場投入予定を持っているが,こちらはSerial ATA 3Gbps世代に留まる見込みである。
状況はCorsairも同じ。同社の関係者は,「Corsairとして初のSerial ATA 6Gbps対応製品は,実績があるMarvell製コントローラと,34nmプロセスで製造された東芝製NAND型フラッシュメモリを組み合わせることで,安定的に供給することを優先している。なお,25nmプロセス品の採用は未定だ」と述べている。
Serial ATA 6Gbpsに対応したSandForce製コントローラ「SF-2500」のブロックダイアグラム |
Marvellを追う“第2グループ”で先行するのは,開発コードネーム「Phoenix」(フェニックス)ことSF-2000シリーズのサンプル出荷を開始していたSandForceで,同社は,OCZ Technologyが採用して話題を集めた「SF-2500」のほか,その上位モデルにあたる「SF-2600」と,下位モデル「SF-2300」「SF-2200」を展開予定だ。
SF-2000シリーズは,IntelやMicron Technologyがサポートする「ONFi 2.2」NANDインタフェースと,Samsung Electronicsや東芝がサポートする「Toggle DDR 1.0」NANDインタフェースの両方に(※)対応し,最大166MB/sのNANDバス接続が可能という。さらに,同シリーズは,55bit/512Bytes(512Bytesデータあたり55bitのECC制御が可能)のECC機能を備えている。このスペックは,Marvell製88SS9174-BKK2の48bit/2KBと比べてもかなり精度が高く,最大で8チャネル/16-wayアクセスをサポートすることもあって,SF-2500ベースのSSDで,読み出し最大550MB/s,書き込み最大525MB/sを実現できるという。
このほか,SSDの立ち上がり時期に活躍したINDILINXやJMicron Technologyも,Serial ATA 6Gbps対応のコントローラを複数用意して,巻き返しを図る。
INDILINXからまず第1弾として2011年第2四半期に市場投入が計画されているのが,8チャネル/8-wayアクセスと73bit/1KBのECC機能を搭載する「Thunderbolt」(サンダーボルト,開発コードネーム)で,読み出し最大500MB/s,書き込み最大400MB/sを目標に開発が進められている。
続けて2012年後半には,Thunderboltの性能を向上させた「Thunderbolt2」(サンダーボルト2,同),2012年中には「Jetstream」(ジェットストリーム,同)を市場投入する計画だ。
またINDILINXは,Serial ATA 3Gbps対応のコントローラでも,現行「Barefoot」の24〜25nmプロセス対応版となる「Barefoot2」(ベアフット2,開発コードネーム)を2011年半ばに市場投入するとしている。Barefoot2は,8チャネル/8-wayアクセスをサポートし,読み出し最大250MB/s,書き込み最大200MB/sとなる見込みである。
JMicron Technologyも,2011年半ばを目処にSerial ATA 6Gbps対応のコントローラ「JMF-660」投入計画を持っている。
コントローラの転送速度規格と登場時期を示したロードマップ |
※2分化するNANDインタフェース「ONFi」と「Toggle DDR」
一般的なUSB接続のフラッシュメモリなどは,コントローラとNAND型メモリチップが40MB/sのNANDインタフェースで接続されているが,この40MB/sという帯域幅は,SSDなどの高性能なストレージにとっては十分ではない。
そのため,IntelやMicron Technology,SanDiskなどは,より高速なNANDインタフェースとして,2007年に「ONFi」(Open NAND Flash Interface)を提唱しており,最新の「ONFi 2.3」ではDDR技術をベースに最大200MB/sの転送速度を実現するほか,「EZ NAND」(ECC Zero NAND)と呼ばれるECC機能をNAND型フラッシュメモリチップ側に統合する仕様も同時に定めている。
一方で,NAND型フラッシュメモリチップの市場シェアでリードしているSamsung Electronicsと東芝は,最大133MB/sで転送が可能な「Toggle DDR 1.0」インタフェースを採用しており,NANDインタフェースは2極化しているのが現状だ。
Toggle DDR 1.0に対応したフラッシュチップを採用するSamsung ElectronicsのSSD「470」シリーズ
両陣営は,メモリの標準化団体JEDECに対して,それぞれが採用しているインタフェースを次世代の標準化規格にさせようと働きかけているが,規格がひとつにまとまるのはしばらく時間がかかるだろう。
なお,両陣営が推し進めている次世代NANDインタフェース規格の「ONFi 3.0」と「Toggle DDR 2.0」は,いずれも最大400MB/sの転送速度を実現するとされている。
従来のNANDバス利用時とONFi利用時のレイテンシを比較したグラフ ONFiのロードマップ。現在は,ONFi 3.0の策定が進められている
フラッシュメモリにECC機能を搭載する「ClearNAND」と
セルを大きくして寿命を延ばす「eMLC」
SSDは,2013〜2014年頃までに,HDDを置き換えるようになるとまで言われていた。ただそれは,ここまで述べてきたコストや書き換え寿命の問題もさることながら,「大容量化がユーザーニーズに追いつかない」という問題が大きく,少なくとも“倉庫”用途で,2014年までにHDDを置き換えるのは難しそうだ。
しかし,フラッシュメモリベンダー各社も,この問題は認識している。少なくとも手をこまねいて見ているだけではない。
「NAND型フラッシュメモリにECC機能を統合した『ClearNAND』をメインストリームSSDに採用することで,コントローラへの負荷やコストを下げ,先端プロセスの採用や低価格化に拍車をかけられるようになる」(同氏)。
このClearNANDは,NAND型フラッシュメモリチップ上にECCコントローラも統合したMCM(Multi Chip Module)製品で,ONFi 2.3で拡張されたEZ NANDに準拠している。さらにMicron Technologyでは,ClearNANDの拡張版として,「チップ内でデータコピーを行うことで,ウェアレベリング(書き込み場所の分散)におけるデータ帯域幅の圧迫を防ぐNAND型フラッシュメモリ」の開発を進めている。ONFi 3.0で規格化したい意向だ。
Micron TechnologyでNAND型フラッシュメモリのテクニカルマーケティングを統括するJim Cooke氏は,「ECC機能を統合したNAND型フラッシュメモリチップが一般的になれば,プロセスルールが進化したときもコントローラ側を新しくする必要はなくなり,コントローラの低価格化につながるはずだ」と付け加えた。
「25nmプロセスルールを採用したNAND型フラッシュメモリの書き換え寿命を向上させる技術」としては,もう1つ,セルのサイズを大きくするなどして耐久性を高めた「eMLC」(enterprise Multi-Level-Cell)を採用する動きもある。
eMLCを採用したNAND型フラッシュメモリは,同じプロセスルールでMLCを採用したものと比べて約3倍長い書き換え寿命を持つと言われている。そのため,高性能化と大容量化が容易で,信頼性の高いSSDが比較的安価に入手できるようになる,というわけだ。
eMLCを採用する例としては,Intelが「X25-E Extreme SSD」(以下,X25-E)の後継として開発している「Lyndonville」(リンドンヴィル,開発コードネーム)が挙げられるだろう。Lyndonvilleで,SLC NAND型フラッシュメモリを採用するX25-Eに代わり,25nmプロセス技術で採用されるeMLCを採用すると,IntelはOEM関係者に明かしている。
またMicron Technologyも,25nmプロセスのeMLCを採用したNAND型フラッシュメモリの開発を表明しているほか,OCZ TechnologyはSerial ATA 6Gbps対応のSSDとなる「Vertex3 Pro」においてeMLC搭載モデルを市場投入する計画を明らかにしている。
ただし,SSDベンダーの関係者によれば,「現状,eMLCを採用したNAND型フラッシュメモリチップの価格は,一世代前のMLCチップの価格より若干安い程度になる」とのことで,すぐにSSDの低価格化が進むというわけではなさそうだ。
●Vertex 3 Proのパフォーマンスを検証してみる
SandForceのSerial ATA 6Gbps対応コントローラ「SF-2682」を搭載するOCZ TechnologyのVertex 3 Proのエンジニアリングサンプルを入手できたので,ベンチマークテスト結果を簡単にお届けしたい。
下に画面で示したように,64bit版「CrystalDiskMark 3.0」や「ATTO Disk Benchmark v2.34」の両方で,500MB/sを超えるシーケンシャルリード性能を示しており,Vertex3 Proのパフォーマンスは,これまでのSerial ATA 6Gbps対応SSDを大きく上回る。また,SandForce製コントローラを搭載したSerial ATA 3Gbps対応のSSDでよく見かけた,「使い続けるとパフォーマンスが大幅に落ちる傾向」もほとんどないようだ。
※検証時のシステム構成 CPU:Core i7-2600K/3.40GHz,マザーボード:ASUSTek Computer「P8P67 Deluxe」(Intel P67 Express搭載),メインメモリ:PC3-8500 DDR3 SDRAM 2GB×2,OS:64bit版Windows 7 Ultimate
ただ,Vertex 3 Proはエンタープライズ向け製品という位置づけ。より信頼性を高めるため,東芝のToggle DDR 1.0に対応した34nm MLC NAND型フラッシュメモリチップが採用されていることもあり,米国での市場想定価格は100GBモデルで525ドルと,かなり高価である。
SSD+HDDのハイブリッド技術で
大容量化と長寿命化を可能にする
以上のようにSSDの大容量化は依然として難しいわけだが,その打開策として現在注目されているのが,PCI Expressベースの小型SSDモジュールを使って,SSDをHDDのキャッシュとして利用するソリューションだ。このソリューションを使うことで,ストレージを大容量化でき,SSD並みの速度も確保できるというメリットがある。
これまでも,SSDを使ったキャッシュソリューションは,Intelの「Turbo Memory」やSanDiskの「Vaulter Disk」などがあったものの,いずれもプラットフォームやコントローラチップなどが限定されており,あまり普及していなかったというのが現状だ。
NVELOが提供するSSDキャッシュソリューションのデモ |
NVELOが開発しているキャッシュソリューションは,プラットフォームやコントローラを限定することなく,SSDとHDDのハイブリッド環境を構築できるうえ,SSDとHDDに組み合わせの制限もないというものだ。
NVELOでマーケティングを統括するDavid Lin副社長は,「我々のソリューションは,プラットフォームやコントローラなどに制限をつけず,大容量のHDDに,小容量のSSDをキャッシュとして組み合わせることで,SSD並みの性能と,HDDの大容量を両立させられる」とアピールする。しかも,「より高い性能を求める場合には,高速な2.5インチSSDや,PCI ExpressベースのSSDとHDDを組み合わせたりすることもできる」(Lin氏)とのことだ。
NVELOは,現時点でキャッシュ制御のソフトウェアのみを単体で提供する計画はないとしているが,同社の技術を採用しようとしているSSDベンダーは複数存在しているので,実際の採用製品が登場するとされる2011年半ば以降,面白い存在になるかもしれない。
Lin氏がわざわざ「2.5インチSSDやPCI ExpressベースのSSDもキャッシュに使える」と断った背景には,業界全体で,“2.5インチHDD型”よりも小型のフォームファクタをキャッシュ用に採用する動きがあるからだ。
このフォームファクタは「mSATA」と呼ばれており,mSATAフォームファクタ向けコントローラチップの出荷はすでに始まっている。
mSATAフォームファクタのIntel製SSD「310」シリーズ |
Troy Winslow氏(Director of Product Marketing,NAND Solutions Group, Intel) |
ほかのベンダーでも,SSDをキャッシュとして使う動きがある。
Marvellは,mSATAフォームファクタのSSD向けに「88NV9143」コントローラの量産を開始している。加えて,Serial ATA 6Gbps対応の同社製RAIDコントローラを採用した製品向けには,「SSD Acceleration Software」というソフトウェアの提供も計画しているという。
SSD Acceleration Softwareは,mSATAモジュールのSSDだけでなく,標準的な2.5インチSSDでも利用可能。HDD内にSSDと同容量のパーティションを作成してミラーリングする「Safe Mode」と,SSDとHDDとでRAID 0を構築する「Capacity Mode」の2つから,好みに応じて動作モードを選べるそうだ。
制約を糧ににして
さまざま方向へ進化&深化するSSD
ストレージ性能の引き上げは,システムのパフォーマンスアップを図るうえで重要な要素になってくるだけに,SSDの大幅な進化によって,より安価に高性能なプラットフォームを構築できるようになることは大いに歓迎すべきだろう。
HDDのみのシステムとHDD+SSDのシステムとをゲームのロード時間で比較したグラフ |
純然たるSSDの高速化&大容量化だけでなく,さまざまな制約から生まれ,本流になりつつある“SSDのキャッシュ化”も含め,SSD界隈の動きは依然として活発だ。デスクトップPCとノートPC,それぞれに向けてさまざまに進化していくSSDは,今後も体感できる高速化ソリューションとして,地位を固めていくことになりそうである。
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