新しいX-NAND技術の詳細：SLC速度、QLC容量、価格

2020 年の 3 日間にわたるバーチャルフラッシュメモリサミットで、NEO Semiconductor の CEO 兼創設者である Andy Hsu 氏が、SLC フラッシュの速度と QLC フラッシュの密度および低価格を組み合わせた同社の新しい X-NAND フラッシュアーキテクチャに関する詳細なプレゼンテーションを行いました。

NEO Semiconductorは2012年にカリフォルニア州サンノゼで設立され、メモリ関連の特許を20件保有しています。同社は2018年にAIと5Gの新興市場向けのストレージソリューションとしてX-NANDを初めて発表しましたが、今回、その詳細な情報を公開しました。

X-NAND: QLCからSLCへ — （画像提供：Tom's Hardware）

X-NANDは魅力的な性能数値を約束しています。同社によると、ランダムリード／ライトのワークロードはQLCフラッシュの3倍、シーケンシャルリード／ライトのワークロードはそれぞれ27倍／14倍の速度で処理できるとのことです（上記参照）。これは、16プレーン設計の約37%という、はるかに小型のダイで実現されています（下記参照）。速度とダイサイズの縮小は必要に応じてバランス調整できるため、ある程度の柔軟性があります。それでも、X-NANDはスマートフォンやM.2ドライブのような小型フォームファクターでも、非常に高いレベルの並列処理を提供します。同社はまた、耐久性やコストに影響を与えることなく、非常に低い消費電力でこれを実現できると主張しています。

NAND市場が高密度化を目指し、より安価だが低速なフラッシュメモリへと移行するにつれ、例えば3ビットTLCから4ビットQLCへと移行するにつれ、パフォーマンスと耐久性は必然的に低下します。読み取りと書き込みのレイテンシが増加し、シーケンシャルライトのパフォーマンスが低下する可能性があります。これは特にデータセンターやNASアプリケーションにとって大きな脅威となります。

コンシューマー向けQLCドライブは、シングルビットモードで動作するネイティブフラッシュの一部で構成されるSLCキャッシュに大きく依存する傾向があります。しかし、エンタープライズワークロードでは、書き込まれたデータをSLCバッファからプライマリQLCストレージに移行するための十分なアイドル時間が確保できません。

代わりに、X-NAND は、SLC と QLC の同時書き込みモードを許可することで、フラッシュが全体的に SLC パフォーマンスを維持する方法を提供します (以下を参照)。

スー氏は、高密度フラッシュメモリが急速に成長していることを指摘し、ウエスタンデジタルが2024年までに市場の最大50%がQLCフラッシュメモリになると予測していることを指摘しました。X-NANDにおけるスー氏の目標は、従来のNANDプロセスを採用し、構造変更や製造コストの追加負担なく、既存のNANDをベースとしたソリューションとして、迅速なサンプル提供による迅速な開発を実現することでした。この戦略は、特にデータセンターにおいて、フラッシュメモリの性能がI/O速度に大きく遅れをとることがなくなるため、QLCの導入を加速させることを目的としています。さらに、X-NANDのプログラミングおよび消去ポリシーは、QLCフラッシュメモリに比べて耐久性を大幅に向上させるように設計されています（下記参照）。

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X-NAND は、プレーンあたり 16 KB のページバッファーからプレーンあたり 1 KB のページバッファーに移行することでこれらの利点を実現しますが、一例としてプレーンの数は 16 倍になります。

フラッシュメモリのインターリーブの最小単位はプレーンであり、フラッシュダイごとに1つ以上のプレーンが存在します。ページバッファは、バスとフラッシュメモリ間の転送中データ（読み取りデータや書き込みデータなど）を保持します。フラッシュダイは、ビットラインまたはセルストリング（上記参照）を含むプレーンに分割されているため、プレーン分割によってビットラインの長さを短縮でき、パフォーマンス向上に貢献します。この技術は、隣接するビットライン間にシールドを配置することでさらに強化され、プログラムの読み取りまたは検証時のセトリングタイムを短縮します（下記参照）。最大16本のビットラインを並列にプログラムできるため、書き込みパフォーマンスが向上します。

X-NANDには、マルチビットライン書き込み、マルチプレーンQLCプログラミング、プログラムサスペンド、マルチビットライン読み出し、シングルラッチQLC読み出し、そして前述のSLC/QLC並列プログラミングという6つの主要機能があります。実装によっては、プログラミングシーケンスで複数のプレーンを使用できるため、プログラムスループットを大幅に向上させることができます（下記参照）。

複数のバンクを使用することで、SLCとQLCの同時プログラミングが可能になり、SLCページが常にフルになることを保証しながら、QLCページへのデータ書き込みはSLC速度で行えます。プログラムサスペクト機能により、内部で共有されるページ間バッファデータラインまたはI/Oバスを使用することで、追加のレイテンシを最小限に抑えることができます。読み出しは、ビットラインごとにプレーンラッチで読み出しを行うことで改善され、高容量によりDRAMのような非破壊的なデータリフレッシュが行われます。

X-NANDは既存のNANDレイアウトをいくつでも使用できるため、柔軟性と容易な変換性が向上します（下記参照）。NEO Semiconductorは、この技術がコスト効率に優れ、高速で、既存の設計に容易に実装できることを目指しています。

同社によると、この技術はQLCのような高密度フラッシュメモリに特に有効で、高性能とダイ面積の縮小を両立させながら大容量を活用できるだけでなく、優れた耐久性と消費電力を備えながらも手頃な価格を実現できるという。この技術は、組み込みデバイス、AI、そしてNAS、データセンター、エッジコンピューティングを含むクラウドを対象としている。