NANDより1000倍速くて1000倍長寿命。IntelとMicronが発表した新世代の不揮発性メモリ技術とは？

　北米時間7月28日，IntelはメモリチップメーカーのMicron Technology（以下，Micron）と協同で，新しいメモリ技術「3D XPoint」（3Dクロスポイント）を発表した。3D XPoint技術で作られるメモリ（以下，3D XPoint）は，既存のNAND型フラッシュメモリよりも1000倍高速で，1000倍の寿命があり，しかも10倍のセル密度を実現できるという。
　もう「夢のメモリ技術」としか言いようがない感じだが，果たしてこれは何であって，ゲームとはどう関わる可能性があるだろうか。本稿では，発表された3D XPointの概要を紹介してみたい。

NANDよりも1000倍速くて1000倍長寿命で，10倍高密度，というのが3D XPointだ

メインメモリとストレージの中間的な特徴を持つ3D XPoint

　3D XPointは，電力供給がなくても記録された内容が消えない，「不揮発性」のメモリである。つまり，SSDやSDカード，USBフラッシュメモリでお馴染みのNANDと同じようなものだ。ただし，読み書きが非常に高速であるため，メインメモリの代わりに使うことも不可能ではないという点で，NAND型フラッシュメモリ（以下，NAND）とは大きく異なる。

　「不可能ではない」という回りくどい言い方をしているのは，現在のPCやゲーム機，スマートフォンで主流のDDRメモリと比べれば読み書きが遅いからだ。冒頭でも記したとおり，IntelとMicronは，3D XPointのアクセス速度がNANDフラッシュメモリの1000倍高速であると謳っているが，それでも，DDR方式のメモリと比べた場合，その速度は一桁MB/s以上遅い。ただ，過去には3D XPointよりも低速なDRAMがPCのメインメモリとして使われていたこともあるので，メインメモリとして使うことが不可能ではないというわけである。

3D XPointのサンプルチップ

　Intelは，3D XPointをNANDやDRAMとは違う「新しいメモリ技術」だとしている。その仕組みや特徴を説明するには，ちょっと小難しい話をしなくてはならないのだが，しばしのお付き合いを願いたい。

3D XPointの構造をイメージしたイラスト。黄色と緑の縦棒が記憶構造で，黄色い部分がセレクタ，緑の部分がメモリセルになる。その上下に，アクセスラインが直交するように配線されている

　さて，3D XPointは，NANDのようにフローティングゲートで電荷を閉じ込めたり，DRAMのように微少なコンデンサに電力を蓄えたりするものではない。記憶の原理がNANDともDRAMとも異なる。

　3D XPointの内部は，記憶を行う「メモリセル」と，「セレクタ」と呼ばれる部分から構成されており，その上下には，「アクセスライン」と呼ばれる配線が，直交するような配置で敷かれている。アクセスラインがクロスしており，クロスしたところに書き換えるポイントがあるから「XPoint」というわけだ。
　メモリセルは，「抵抗値」が変化する物質から作られているそうで，高い抵抗値の場合に「1」を，低い抵抗値の場合に「0」を記憶するという。Intelが公式に表明したわけではないのだが，この原理から想像するに，3D XPointのメモリセル部分は，メモリ技術の一種である「抵抗変化メモリ」を使っているのではないかと思われる。

上下のアクセスラインに電圧をかけると，交点に当たる1つのメモリセルに電圧がかかる。その電圧を変えることで，「1」か「0」を記憶できる

　上下のアクセスラインにそれぞれに電圧をかけると，交点に当たるメモリセルが選択されるので，そのメモリセルを読み書きできる。この仕組みなら，メモリセルの1つ1つを直接読み書きできるので，NANDのように，ブロック消去やウェアレベリングといった手法を使う必要がない。そのため，NANDよりも読み書きの速度を高められるというわけである。


　3D XPointが持つもう1つの特徴は，3D NANDのように，メモリセルが垂直方向に積まれていることだ。3D XPointの「3D」はこのことを示している。現在はメモリセル2層分ながら，将来的には積層数を増やすことも可能だという。

　以上のように，3D XPointは，抵抗変化メモリという記憶方式に，メモリセルの3次元配列技術を応用したメモリ技術という理解がおそらく正しい。では，この新しいメモリを何に使うのだろうか。

3D XPointでメインメモリとストレージが融合したコンピュータが実現？

　Intelは，3D XPointを使って，新しいコンピュータシステムの構成を考えている。現在のコンピュータでは，メインメモリとストレージは別々のデバイスだ。それに対して，3D XPointを使えば，メインメモリとストレージが融合したシステムを実現できるのではないか，というわけである。
　現在でも一部のシステムでは，フラッシュメモリをメインメモリ空間に割り当てて，プログラムをそこに格納したり，そこで動作させたりといったことを行える。そうしたシステムと同じように，3D XPointを使うことで，OSやアプリケーションが常にメモリ上でアクセスが可能な状態のシステムを構築できるというのだ。
　そうしたシステムであれば，電源をオンにしてからOSをメインメモリへ読み込んだり，OS起動後にアプリケーションを読み込む処理などが不要になるので，「すぐ動作するシステム」が実現できるだろう。

　Intelでは，こうしたシステムの応用事例として，高精度のパターン認識や遺伝子解析といった用途に加えて，ゲーム用途を挙げている。曰く，3D XPointをメインメモリ兼ストレージとして使うことで，シーン生成のために大量のデータをストレージから読み込む必要がなくなり，全体の処理が高速化されるとのことである。

3D XPointの応用事例。ゲームがその筆頭に挙げられている点に注目

　そうはいっても，前述のとおり，3D XPointはDDRメモリよりかなり遅い。そのため，ゲーム機におけるすべてのメモリを3D XPointで代替するというのは，現実的ではない。Intelとしては，「ストレージの読み書きがボトルネックになるようなプログラムなら3D XPointを採用するメリットがある。であれば，これを使ったゲームシステムで，ストレージからの読み出し待ちを限りなくゼロに近づけられるはず」程度の考えなのではないかと思う。
　DRAMよりもビット単価が低いという特性を生かして，ストレージ代わりに512GBくらいの3D XPointを搭載するゲーム機が実現できれば，ゲーム機の「データ読み出し待ち」を死語にできるかもしれない。

3D XPointはフラッシュメモリとDRAMを置き換えるのか？

　以上のように優れた特徴を有する3D XPointだが，課題もある。

　第1の課題は，容量あたりの製造コストである。先ほど3D XPointのビット単価（＝容量あたりの製造コスト）が低いという話をしたが，それでもNANDよりた高い。3D XPointが，いきなりNANDに匹敵する価格で供給されるというのは，まずあり得ない話だ。また，3D NAND分野で先行するSamsung Electronicsを追いかけるように，それ以外のNANDベンダーも，3D NANDのサンプル出荷を開始している。NANDの大容量化と低コスト化は当面続くはずであり，そこに3D XPointが割って入れるかというと，疑問が残る。

　第2の課題は速度。繰り返しになるが，読み書きの速度はDRAMのほう遙かに高いため，3D XPointがDDRメモリ並みに速くなるというのは当面ないと見ていい。そのため，大量のメモリを使用してメモリアクセス速度が重要になるようなアプリケーション――PlayStation 4/Xbox One世代のゲームもそうだ――では，3D XPointでDRAMを置き換えることはできない。

　第3の課題は書き換え回数だ。NANDよりも1000倍多いとはいえ，3D XPointにも書き換え回数の上限はある。書き込みによりメモリセルには劣化が起きるので，いずれはデバイスとしての寿命を迎えるわけだ。その点，DRAMの書き換え可能回数ははるかに大きく，一般的な用途であれば，それを気にする必要がない。
　NANDの書き換えサイクルは，1万〜10万回程度といわれているので，その1000倍といっても1億〜10億回程度。1秒に1回の書き込みがあると仮定すると，寿命が来るのは悪くすると1億秒，つまり，3年ちょっとでメモリセルが寿命を迎えるわけだ。NANDを置き換えるにはこれでも十分だが，メインメモリに使うDRAMと比較したら，まだまだ寿命が短すぎる。

　3D XPointは，2015年末から特定顧客向けのサンプル出荷が始まるという。本格的な生産は2016年になってからだろう。サンプルは2層構造で，ダイあたりの記憶容量は128Gbit，つまり16GBとなる。PC用SSD並みの容量を実現するには，まだ物足りない。
　ある程度価格が下がれば，PCでも活用される可能性があるだろうが，3D XPointのメリットを生かすには，CPUとメインメモリ，ストレージの関係を大きく変える必要がある。普及には数年以上の時間がかかるはずだ。しばらくの間は，専用システムや組み込み機器で使われつつ，「超高速な小容量SSD」的な製品にも応用されるという形で，採用例を増やしていくのではないかと考えられる。
　将来有望な技術であることは確かなので，3D XPointの今後に期待したい。

Intelによる当該プレスリリース