Samsung 990 Pro SSDレビュー：王の帰還

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990 Proは、前面と背面の両方にドライブの基本情報が記載されたラベルが付いているだけで、特に目新しい外観ではありません。ヒートスプレッダーの背面ラベルは、負荷時の温度上昇を抑えるのに役立ちます。上部ラベルの下には、2つのNANDパッケージ、1つのDRAMパッケージ、そしてコントローラーがあります。コントローラーは放熱性を高めるためにニッケルメッキが施されていますが、990 ProはSamsungのDynamic Thermal Guard（DTG）も採用し、熱安定性を向上させています。これは980 Proにも見られましたが、SN850Xのアダプティブ・サーマル・マネジメント機能にも似ています。この技術自体は目新しいものではありませんが、ゲーミングワークロードに役立つ可能性があります。

Samsung 990 Proは、980 ProのElpisの後継として、新しいコントローラーPascalを搭載しています。PascalはSamsungの8nmプロセスノードで製造され、ARMベースです。表面的にはコントローラーに大きな違いはないように見えますが、Pascalの方がパフォーマンススペックが大幅に向上しています。Samsungによると、これは「ハードウェア自動化技術」によるNANDデータパスの最適化と「キャッシュアルゴリズム」による処理時間の短縮によるものだとのことです。この変更について質問したところ、Samsungはこのアーキテクチャにより、低消費電力モードの適用範囲が拡大し、リードキャッシュを活用できるようになると説明しました。

ハードウェア自動化は、ストレージデータパス、つまりホストインターフェースからフラッシュへのデータフローに関係します。SSDの並列化レベルが高まり、アドレス指定が複雑化すると、IOPSのボトルネックが発生し始めます。ハードウェア自動化はこれらのボトルネックを克服するのに役立つだけでなく、ドライブの高速化に伴ってますます重要になっている省電力化も実現します。一例として、ハードウェアアクセラレーションによるフラッシュマップ管理が挙げられます。これは、物理メモリアドレスと論理メモリアドレスを変換するフラッシュ変換層（FTL）をソフトウェアで管理する場合と比較して、IOPSを向上させることができます。I/Oキューとデータ転送も高速化の恩恵を受けます。また、ファームウェアにおける並列処理の改善は、PhisonのI/O+ファームウェアのように、ガベージコレクション/スケジューリングの改善にも役立ちます。

SRAMなどの揮発性メモリは、コントローラによってマッピング情報をキャッシュし、データをバッファリングして不揮発性NANDフラッシュにコミットするために使用されるため、アルゴリズムの最適化によって全体的なパフォーマンスを向上させることができます。書き込みパフォーマンスは多くの場合、このような進歩からより大きな恩恵を受けますが、変更はDirectStorageにも関連する可能性があります。Solidigmなどの一部のメーカーは、専用のNVMeドライバを介して特定のデータをキャッシュに保持する形式のキャッシュを導入することを決定しました。その場合、データのタイプとその利用方法（メタデータ）に関する知識は、インテリジェントなキャッシュによってパフォーマンスを強化することができます。Samsungは「読み取りキャッシュ」が何を意味するのかを詳しく説明していませんが、今後の読み取りを改善するために一部のホットデータをpSLCに保持することは珍しくありません。

典型的なキャッシュアルゴリズムは、最も最近使用されていないデータ（LRU）です。これは、最も最近アクセスされていないデータが、いっぱいになったキャッシュから最初に追い出されるというものです。このようなアルゴリズムは、空間的な局所性、つまり隣接するメモリ位置や近くのメモリ位置に関する情報を考慮しない場合、制約を受けます。アルゴリズムが複雑になると、必然的にFTLオーバーヘッドが増加し、パフォーマンスのボトルネックが発生する可能性があります。コントローラーに具体的な改良を加えることで、この処理の一部をオフロードまたは自動化し、最大IOPSを向上させることができます。これにより、一般的にレイテンシも低下しますが、コンシューマー向けデバイスではそのメリットが完全に実現される可能性は低いでしょう。

Samsungはコントローラーに関しては確かに進歩を遂げていますが、他のコンポーネントは馴染みのあるものです。メモリ（DRAM）はSamsungのLPDDR4で、多くのSSD製品に採用されています。従来のDDRよりも若干の省電力化を実現しています。このモジュールは2GBで、2TBのフラッシュメモリと理想的な比率で一致しています。1TBモデルは1GBになると予想されています。電源コンポーネントもSamsungの標準品です。980 Proと比較して約束されている省電力化は、新しいフラッシュメモリとコントローラーの最適化によって実現されると予想されます。

フラッシュパッケージにはK9DVGY8JRD-DCK0というラベルが付いており、これはSamsungの176層TLC NANDであることを示しています。2TB SKUでは、このフラッシュは「V」で示されるように512Gbのダイを備えていますが、今後発売される4TBには1Tbの「X」で示されるダイが必要になる可能性があります。これは、ISSCC 2021で詳細に説明されたSamsungのV-NAND命名法のV7です。Samsungは今年のISSCCで第8世代TLCを披露しましたが、フラッシュ市場の最近の傾向により、メーカーはより高層フラッシュの生産に関して一般的に待機状態にあります。いずれにせよ、このフラッシュは980 Proに搭載されているV6 128層TLCの直接的なアップグレードであり、私たちが目にするのは今回が初めてです。

Samsungはこの世代のフラッシュメモリで多くの改良を行いましたが、最も重要なのは4プレーン設計とCell-on-Periphery（COP）実装の採用です。プレーン数が多いほど並列化が進み、少なくとも帯域幅が向上します。COPはMicronのCMOS-under-Array（CUA）に似ていますが、Samsungがこの技術を採用するのは今回が初めてです。これは、制御回路をアレイの周辺部または側面から離すことを意味します。これにより電力効率が大幅に向上するだけでなく、周辺回路をデータセルアレイの下に配置することでダイ面積を削減できます。

この回路をアレイの下に配置することで、Samsungはいくつかの問題に直面しましたが、革新的なコンデンサ設計を採用することで解決しました。その結果、面積要件を削減しながら電力供給を改善できました。また、Samsungはデュアル方式の終端アプローチを採用しており、フルI/O速度を必要としない状況では電力効率を向上させることができます。これにより、低消費電力アーキテクチャの採用による電力効率向上というSamsungの主張を裏付けるものとなるでしょう。

Samsungは、複数のNANDアレイデッキを使用するストリングスタッキング（フラッシュ層数の増加）を回避できた唯一のメーカーです。このアプローチには多くの課題が伴いますが、デッキのメルディング（接合）の問題も回避できます。これほど多くの層をエッチングするとアスペクト比が増加し、特に異なる層のセル間の電圧閾値の偏差が大きくなる可能性があります。同じスペースに多くの層を配置すると、実質的にセル容量が小さくなり、パフォーマンスと耐久性にも影響を与える可能性があります。

Samsungのソリューションは、この問題を克服するために、ページバッファと同様に動的バッファの一種であるラッチを追加導入しています。この追加データは、ビットラインおよびワードラインフォーシング方式で利用され、セル電荷を精密化します。これは、ビット値をより厳密に維持するための追加の検証ステージを備えていることを意味します。メーカーは単純にデッキを追加し続けることも可能であり、この技術で理論的には800層以上まで対応可能ですが、独自の課題がないわけではありません。Samsungは、176層NANDがパフォーマンスと電力効率の最適なバランスを提供すると判断しました。

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Shane Downing は、Tom's Hardware US のフリーランス レビュアーで、消費者向けストレージ ハードウェアを担当しています。