背景東芝は、シリコン貫通ビア (TSV) とセルのビット数を 4 に増やすことの 2 つの方法でフラッシュ チップの容量向上に取り組んでいます。
TSVの概念についてはここで解説しましたが、今回は4層レベルセル（QLC）フラッシュ技術について見ていきましょう。東芝は、8月8日から11日までサンタクララで開催されるFlash Memory Summitの基調講演で、この技術とTSVについて発表する予定です（基調講演は8月9日から11日）。
セッションの概要には、「QLC (Quadruple Level Cell) BiCS FLASH などの新しいテクノロジーは高密度で低コストのソリューションを提供し、TSV (Through Silicon Via) NAND は大幅な電力削減で高性能を実現します」と記されています。
まとめると、BiCSはBit Cost Scalable（ビットコスト・スケーラブル）の略で、東芝とフラッシュファウンドリパートナーであるWDCが3D NAND（通常の平面型（2D）NANDチップを積層する技術）に取り組んでいるアプローチです。現在48層セルを生産中で、64層セルも生産開始予定で、96層、さらには128層チップの開発も計画しています。
64 層を超えると、層に穴をエッチングするのが難しいため問題が生じます。そのため、TSV のアイデアでは、2 層の積層構造を採用しています。つまり、64 層チップ 2 つを重ね、両方に穴を開けて TSV を構成し、配線でチップをまとめてセル アクティビティ機能も実行します。
フラッシュセルは複数のビットを持つことができます。1ビットのシングルレベルセル（SLC）は、0と1の2つの電圧状態を持ちます。MLC（マルチレベルセル、つまり2ビット）は4つの電圧状態（00、01、10、11）を持ち、TLC（トリプルレベルセル、つまり3ビット）は8つの電圧状態を持ちます。つまり、4レベルセルは4ビットと16の電圧状態を持ちます。
セルにビットが追加されるたびに容量は増加しますが、速度と書き込み耐久性は低下します。
メーカーはフラッシュセルのサイズを縮小し、標準サイズのウェハにより多くのセルを収容できるようにすることで、フラッシュチップの容量を増加させてきました。セルの形状が縮小するたびに、書き込み耐久性は再び低下します。表を見ると、セルの形状は5倍から3倍、2倍から1倍へと縮小し、セルあたりのビット数は1ビットから2ビット、3ビットから4ビットへと増加しています。
これは古い表であり、SSDコントローラによる書き込みサイクルの増加や、摩耗したセルを補うためのスペアセルによるSSDのオーバープロビジョニングによる効果は反映されていません。しかし、エラーチェックおよび訂正（ECC）やデジタル信号処理（DSP）といったコントローラ技術は、今のところ書き込みサイクル数の増加にしか役立ちません。これは実際には、2倍セルおよび1倍セルジオメトリの2D TLCフラッシュは、オーバープロビジョニングと高度なコントローラ技術を用いても、耐久性が十分でないため、主流のエンタープライズ用途には不十分であることを意味します。
3Dフラッシュチップの製造に伴う副産物として、ベンダーはセルリソグラフィの技術を後退させ、セルサイズを4倍に拡大しました。これにより、基本的なセル耐久性が向上しました。これにより、3D TLCフラッシュは、現在では主流のエンタープライズ用途に十分対応できるようになりました。また、QLCは、ディスクやテープに比べて高速なフラッシュメモリへの読み取りアクセスは多いものの、書き込みアクセスは少ないアプリケーションにも利用可能になる可能性を秘めています。アーカイブアクセス速度の高低差の中で、アクティブな側に位置するアーカイブデータは、まさにそのようなアプリケーションの1つです。
3月に開催された不揮発性メモリワークショップで、東芝の幹部であるジェフ・オオシマ氏がTSVとQLCフラッシュについて講演し、500回の書き込みサイクル寿命を持つ88TB QLC 3D NAND SSDの量産化の可能性を示唆しました。フラッシュメモリサミットの基調講演では、この状況にさらに光が当てられるかもしれません。
少しだけ独自の色を加えてみましょう:
- サンディスクは東芝のファウンドリーパートナーでした。WDCがサンディスクを買収し、パートナーシップを継続しています。
- WDC の子会社 HGST は、Amplidata オブジェクト ストレージ ソフトウェアを使用した Active Archive ディスク アレイを保有しています。
- SanDisk (現在は WDC) は、Nexenta や Tegile などのパートナーがソフトウェアを提供する、InfiniFlash オールフラッシュ JBOD と同等の機能を備えています。
- Pure Storage の FlashBlade 開発では、2018 年に QLC フラッシュが使用される可能性があります。
これらの点を組み合わせると、QLCベースのActive ArchiveおよびInfiniFlash製品をアクティブアーカイブストレージデバイスとして活用し、画像や動画クリップ、地震学や生命科学、重要な監視データなどのデータセットを緊急分析のために取得するための高速アクセスを提供するという構想が浮かび上がります。これは、ディスクドライブ市場の新たな分野への挑戦となるでしょう。
QLCベースのアクティブアーカイブストレージが実用化されるかどうかは、コスト、信頼性、そして収益性など、様々な要素に左右されます。ファウンドリ事業者は、ウェハからMLC、TLC、QLCのチップを製造できます。どれが最も収益性が高いでしょうか？QLCの需要が低ければ、実用化は難しいでしょう。しかし、東芝（およびWDC）が真の需要を認識すれば、サムスンとマイクロンもそうでしょう。ありがたいことに、ストレージアレイのハードウェアおよびソフトウェアベンダーは、ハイパーコンバージェンス、さらにはパブリッククラウドストレージに対抗するための新たな武器を手に入れることになります。ストレージのジェットコースターに新たな乗り物が加わり、しゃれ好きのジャーナリストは「Quad erat demondstrandum（四重苦の悪魔）」と叫ぶことができるでしょう。®
* 5xは、セルの辺の長さが59～50ナノメートルであることを表します。したがって、4xは49～40ナノメートルを意味します。
