福田昭のセミコン業界最前線
【IMW 2016】袋小路に追い込まれつつある次世代不揮発性メモリ
（2016/5/18 12:05）
半導体メモリ技術の研究開発に関する国際学会「国際メモリワークショップ(IMW 2016: 8th IEEE International Memory Workshop)」が、2016年5月15日～18日に、フランスのパリで開催されている。
本会議初日である16日の午後には、「ストレージクラスメモリ(SCM: Storage Class Memory)」の技術課題と商用化課題をテーマとしたパネル討論が開催された。「ストレージクラスメモリ」とは、コンピュータシステムのメモリ階層で「メインメモリ(DRAM)」層と「ストレージ(SSDおよびHDD)」層の間に入ることが期待されている、新しいメモリ階層のことである。
メインメモリとストレージの間を埋めるSCM
現在のPCやサーバー、スマートフォンなどのコンピュータシステムにはもちろん、SCMは搭載されていない。メインメモリ層の下は、ストレージ層となっている。
ここで問題となるのが、メインメモリとストレージのアクセス時間の違いである。メモリサブシステムの階層構造では、隣接する層間でアクセス時間と記憶容量の違いが適切な値の範囲であることが望ましい。その範囲とは、おおよそ1桁～2桁程度の違いである。この程度の違いだと、メモリサブシステムの性能が最も高まるとされている。
しかし従来から、メインメモリ階層とストレージ階層ではアクセス時間の違いが大きすぎると指摘されてきた。特に、NANDフラッシュメモリがSSDとしてストレージ階層を担う以前は、違いが大きかった。ストレージ階層をHDDが担っていたからだ。HDDのアクセス時間とDRAMのアクセス時間には4桁～5桁もの違いがあり、HDDへのアクセスが発生すると、コンピュータシステムの処理速度を一時的に著しく低下させる恐れがあった。
1990年代にNANDフラッシュメモリが商品化されて大容量化とコスト低減が急速に進んだことで、2010年代にはNANDフラッシュメモリを記憶媒体にしたストレージ、SSDが登場した。現在、SSDはハイエンドのストレージで主役の地位を占めつつある。
SSDは高速だが、DRAMに比べるとアクセス時間の違いはまだ3桁ほどあり、かなり大きなギャップがあると言える。そこで半導体メモリのエンジニアリングコミュニティが提唱したメモリ階層が、SCMだ。
SCMは次世代不揮発性メモリが最も期待する市場
SCMは、次世代不揮発性メモリが最も期待する応用分野である。コンピュータシステムのメモリ階層に普遍的に入り込めれば、メインメモリやストレージなどに近い市場規模(数兆円)が期待できるからだ。
話題をIMW2016のパネル討論に戻そう。SCMのパネル討論にパネリストとして参加したエキスパートエンジニアは以下の5名である。
- Zvonimir Bandic氏(Western Digital)
- Michael Gaidis氏(Samsung Electronics)
- Seiichi Aritome氏(コンサルタント)
- Jong Hoon Oh氏(SK hynix)
- Annie Foong氏(Intel)
モデレータは半導体製造装置の大手メーカーApplied MaterialsのAmulya Athayde氏。このパネル討論セッションは、Applied Materialsがスポンサーとなっていた。
パネル討論セッションは、始めにパネリストが順番に短時間のプレゼンテーション(注: 写真撮影は禁止されていた)を実施し、その後にモデレータが用意したいくつかの質問にパネリストが適宜、回答するという形で進行した。
パネリストのプレゼンテーションは多岐に渡っており、ビッグデータやIoT(Internet of Things)などのSCMとは関係の薄い話題に終始したパネリストもあった。そこで本稿では、SCMと関連の深いスピーチだけを取り上げることにする。
まず、取り上げられた次世代不揮発性メモリ技術は、「抵抗変化メモリ(ReRAM)」、「スピン注入型磁気メモリ(STT-MRAM)」、「相変化メモリ(PCM)」の3種類である。またIntelとMicronが開発した「3D Xpointメモリ」も取り上げられた。
対するSCMの目標仕様は、以下のようなものである。基本的には、過去に半導体メモリの研究開発コミュニティで議論されていた仕様とあまり変わらない。
- アクセス時間は、NANDフラッシュメモリに比べて短いこと。具体的には10ns～1μsである
- 記憶容量当たりの製造コスト(ビットコスト)は、DRAMに比べて低いこと
- 記憶容量はGbit(ギガビット)クラスであること、あるいは、DRAMよりも大容量であること(別のパネリストの意見)
- 書き換えサイクル寿命は、100万回以上であること、あるいは、100億回以上であること(別のパネリストの意見)
- 消費電力は、DRAMに比べて低いこと
- データ保持期間(不揮発性)はできれば、10年間であること
興味深かったのは、10年間のデータ保持期間が、それほど重視されているようには感じられなかったことだ。ストレージではなく、メモリとして使うのであれば、10年間もデータを保存しておくことは考えられない。重要なのは不揮発性であることよりも、不揮発性がもたらす結果である「消費電力の低さ」であることが覗えた。
メモリインターフェイスが議論されていない
もう1つの興味深い事実は、SCMではメモリインターフェイスが定まっていないことだ。NANDフラッシュメモリのようにストレージとしての製品化が始まれば、HDDのインターフェイスを当初は流用できる。
しかしメモリであるならば、標準インターフェイスは不可欠である。にも関わらず、インターフェイスの標準化に関する議論は全くといって良いほどされていない。パネリストの1人であるAritome氏は、この点を指摘し、いずれは標準化の争いが起きるのではないかと心配していた。
次世代不揮発性メモリには「期待しない」という現実
さらに、本来はSCMの主役となるはずだった「次世代不揮発性メモリ」には、今や、ほとんど期待していないという厳しい現実が明らかになった。これはSCMの要求仕様の重要な部分で、次世代不揮発性メモリ技術で達成する見通しが得られていないことを意味する。即ち、
- DRAM以上の記憶容量をシングルチップで、なおかつ量産レベルで達成できる見通しが得られていない
- 量産レベルのビットコストがDRAMよりも低くなる見通しが全く立たない
という事実が、共通認識となったということだ。先ほど述べた候補技術の中では、PCMは見捨てられつつあり、ReRAMは量産可能な記憶容量の大きさが課題であり、STT-MRAMは記憶素子の製造が複雑すぎる(原子層レベルで40層前後の成膜が必要)ことなどから、近い将来にSCMの本命になることはありえない、という見方が主力になりつつある。
残る3D Xpointメモリはどうなのかというと、公開された技術情報があまりに少なすぎてエンジニアにも判断が付かないというのが、正直なところだろう。とりあえずは触れない、という雰囲気である。
DRAMとNANDフラッシュがSCMを攻略へ
SCMを現実に攻略しつつあるのは、DRAMとNANDフラッシュメモリだ。特に、NANDフラッシュメモリの進出が目立つ。
NANDフラッシュメモリはビットコストがDRAMよりも低い。しかも製品のシングルダイで実現している記憶容量がDRAMよりも遥かに大きい。SCMの要件であるDRAMと同等以上の容量、DRAMよりも低いビットコストの両方を製品で達成している。そしてデータの読み出しに限れば、その性能(アクセス時間と読み出し回数)はDRAMと遜色ない。
問題は書き込みが遅いことと、書き込み回数に制限があることだ。この弱点をDRAMバッファの追加で補う。こうしてDRAM DIMMよりも遥かに記憶容量の大きな、NANDフラッシュのDIMMを実現する。このようなDIMMは「NVDIMM」と呼ばれており、半導体業界の標準化団体JEDECによって標準仕様が策定されている。SCMの一部を近い将来、NVDIMMが担うことはほぼ間違いない。
DRAMからSCMを狙うアプローチもある。パネリストのJong Hoon Oh氏は、SK hynixが「MDS(Managed DRAM Solution)」と呼ぶ製品をSCM向けに開発中であると述べていた。MDSの詳細は残念ながら不明だ。ただ、2018年には製品がリリースされるとしている。
次世代不揮発性メモリは一部、小容量品や埋め込み品などから製品化が始まっている。いわゆるニッチな市場だ。かつて次世代不揮発性メモリの有力候補として注目を浴びた強誘電体不揮発性メモリ(FRAM)はニッチ市場で製品化が始まり、今もなお、ニッチ市場に留まっている。ReRAMやSTT-MRAM、PCMなどがニッチ市場に留まるのか、それともメインストリームとなるのか。現在の状況は芳しくない。ニッチ市場という袋小路に追い込まれつつあるように見える。