ソリッドステートドライブの進化：70年代の最初のモデルから現在まで

2016年10月に、WD BlueとGreen SSDの2.5インチソリッドステートドライブの2つのラインをすぐに発表しました。 他の業界では、Western Digitalのような企業にとっても、そのような動きは危険を伴うように思えるかもしれません。 確かに、影響範囲が長く特定されているニッチでの新製品の宣伝は、ほとんどの場合、大きな金銭的費用をもたらし、肯定的な結果につながることはめったにありません。 ただし、SSD市場には独自の特性があり、技術的特徴と多くの歴史的前提の両方による競争の大きな機会を開いています。 今日お話しするのは、ソリッドステートドライブの出現の歴史です。

SSDの先駆者-誰にとってもではなく、高速で高価

厳密に言えば、SSDはフラッシュメモリの発明よりもずっと前に登場しました。 結局のところ、実際には、ソリッドステートドライブとは何ですか？ これは、機械部品を含まない情報記憶装置です。 このように、世界で最初のSSDは、1976年に導入されたバルクコアという誇りのある名前を持つDataram Corporationの創設と呼ぶことができます。 19 x 15.75インチのスチールシャーシには、それぞれ256キロバイトの容量の揮発性RAMメモリが8ストリップ含まれていました。 このデバイスは、9700米ドルの開始時の良好なUPS（および、バックアップバッテリーの可用性、対応する重量のため）のコストです。 これらのデバイスは、産業およびハイテク産業で使用されていますが、コストが高く信頼性が低いため（データ損失のリスクが非常に大きかったため）、普及しませんでした。







Dataram Bulk Core-初めてのSSD



それにも関わらず、わずか6年後、Axlonは1982 Apple IIパーソナルコンピューター専用に設計された外付けRAMディスクドライブで市場に参入し、消費者セグメントを征服しようとしました。 目新しさは320キロバイトのRAMを搭載し、最新のコンパクトなNASに匹敵する寸法を持ち、停電の場合に3時間のバッテリー寿命を提供する充電式バッテリーを備えていました。







Axlon RAM Disk Advertising Brochureは、Apple IIの「ブースト」を奨励します



価格を見ると、この決定がどれほど人気になっているのかを推測できます。販売開始時のデバイスの価格は1,400ドルでしたが、4キロバイトのRAMを搭載したバージョンのApple IIの価格は1,298ドルでした。 内蔵の読み取り専用メモリがあったとしても、このPCには4キロバイトがあり、カセットレコーダーを接続する機能があり、その後5.25インチドライブがこの欠点を補って余りありました。 同時に、法外な価格とすべての情報を失うリスクにより、特にほとんどのユーザーは追加の読み取り/書き込み速度を必要としないため、RAMディスクはエンドユーザーにとって魅力的ではありませんでした。

フラッシュメモリの発明-SSDの開発における新時代

上記のデバイスはすべて、高コストのために不採算であり、一定の電源が必要なため信頼性が低く、設計機能のために不必要に面倒です。 言い換えれば、過去のソリッドステートドライブは、現代モデルのすべての利点を奪われており、それが彼らの大失敗を説明しています。 真に革新的なソリューションを作成するためには、根本的に新しい技術が必要でしたが、これは80年代半ばにフラッシュメモリが発明されて初めて登場しました。



半導体記憶装置は以前から存在していました。最初のEPROMは1971年にDov Frohmanによって作成されましたが、そのようなチップはリムーバブルドライブの役割にも適していませんでした。 情報消去手順は、トランジスタマトリックスに紫外線水銀ランプを直接照射することで実行されたため、ケースのチップの真上に小さな石英ガラス窓さえありました。 より高度なEEPROMはすでに電気的に消去可能なROMでしたが、この機能を実装するには、記録モードと消去モードを制御する2番目のトランジスタを標準セルに導入する必要がありました。 このため、マトリックスコンポーネントの配線面積（したがって、チップ自体）が大幅に増加し、その結果、デバイスのコンパクト性を犠牲にする必要がありました。



したがって、主要な科学的研究は、イレースチェーンのより密な配列を備えた超小型回路を作成する分野で行われました。 そして、1984年に東芝で働いていた増岡不二夫が、電気電子技術者協会（IEEE）で開催された国際電子デバイス会議で不揮発性フラッシュメモリのプロトタイプを発表し、成功を収めました。







フラッシュメモリの発明者、増岡不二夫



名前自体は彼の同僚である有泉正治によって造られました。彼はデータを消去するプロセスを稲妻の閃光と比較しました。 EEPROMとは異なり、フラッシュメモリはMOSトランジスタに基づいており、p層とゲートコントロールの間にフローティングゲートが追加されているため、非常に小さなチップを作成できました。



Intelの最初のNOR（Not-Or）テクノロジーは、1988年に最初の商用フラッシュメモリモデルとして発売されました。 このタイプの行列は、各メモリセルが行と列の交差点にある2次元配列でした（対応する導体はトランジスタの異なるゲートに接続され、ソースは共通の基板に接続されていました）。 ただし、すでに1989年に東芝はNANDフラッシュメモリを導入しました。 アレイの構造は似ていましたが、各ノードには、1つのセルではなく、複数の直列接続されたセルが配置されていました。 さらに、2つのMOSトランジスタが各ラインで使用されました-放電ラインとセルの列の間に配置されたコントロール、および接地トランジスタ。



高密度の配置はチップの容量を増やすのに役立ちましたが、読み取り/書き込みアルゴリズムはより複雑になり、情報交換の速度に影響しました。 この点で、新しいアーキテクチャは組み込みROMの作成に使用されたNORに完全に取って代わることができませんでしたが、NANDはポータブルドライブ（USBフラッシュドライブ、SDカード）の製造に使用されました。 ちなみに、後者の生産は、フラッシュメモリのコストが十分に低下し、そのようなデバイスが完済できる2000年にのみ可能になり、IBM DiskOneKeyモデル（わずか8メガバイト）が最初の「兆候」になりました。 ただし、キーチェーンのサイズの小型デバイスが8つの3.5インチフロッピーディスクを正常に交換したことを忘れないでください。







IBM DiskOneKeyフラッシュドライブ



フラッシュチップの生産は技術的に複雑で知識集約型のプロセスであるため、生産に特化した企業は数社しかなく、その中でもサンディスクを強調する必要があります。 彼女はアカウントに200以上の特許を所有しており、その使用ライセンスはその後Intel、Hitachi、Samsung、Sonyなどの有名なプレーヤーによって取得されました。 企業の主な成果の中で、CompactFlash規格（1994）の導入、2000年に東芝と共同で作成されたMultiMedia Card（1997）およびSecure Digital Memory Card（SD）フォーマットの開発に言及する価値があります。 東芝が米国市場に向かったとき、日本の巨大ドミニオンセミコンダクターの娘の生産施設に基づいて、合弁会社FlashVision LLC（2001年に開始）の設立の戦略的パートナーとして選ばれたのはサンディスクであったことは驚くことではありません。 2015年10月、SanDiskはWestern Digitalに買収されました。 フラッシュテクノロジーの創始者の1人と力を合わせ、すべての主要な開発と革新にアクセスすることにより、今日、真に現代的で、競争力のある、信頼性の高い消費者向けソリューションを作成する機会があります。

皆のためのフラッシュSSD

ただし、議論の主題であるSSDに戻ります。 最新のフラッシュベースのソリッドステートドライブの祖先は、1988年にDigiproによってリリースされました。16メガバイトを搭載し、5,000ドルの費用がかかりました。 1年後、M-Systemsは多かれ少なかれ現代のデバイスを連想させるデバイスのコンセプトを導入しました。 3.5インチのフォーマットで、16〜896メガバイトの情報を収容できました。 シリアルモデルは1995年にのみリリースされ、FFD-350（Fast Flash Disk）と呼ばれていました。 高い価格が数万ドルに達するため、軍産複合体や航空産業などの産業での用途があります。速度と量の記録保持者は小売に適さないことが判明しています。







Digipro Flashdisk-NANDベースの最初のSSD



2003年にリリースされたトランセンドIDEフラッシュモジュールは、コンシューマセグメントのパイオニアと呼ばれ、44ピンのパラレルATAインターフェイスを介して接続され、128または512メガバイトの容量がありました。 この製品は、極端な条件で動作する高速で耐障害性のあるドライブとして位置付けられました。 薄型モジュールはわずか2センチだけコネクタの上にそびえているため、ケーブルを使用せずに直接接続できます。







トランセンドIDEフラッシュモジュールは小売SSD市場を開きます



そして、1年後に最初のSATA SSDが登場しました。アドトロンコーポレーションは2.5インチフラッシュパックを導入しましたが、修正に応じてその市場価値は11,200ドルに達しました。 サムスンは、32 GBの容量を備えた単純な名前のフラッシュSSDを搭載したデバイスを「わずか700ドル」で購入者に提供することで、価格設定の観点から流れを変えることができました。 そして、トップエンドPCのパフォーマンス向上に向けて準備を整える真に大規模な愛好家と呼ぶのはまだ難しいことですが、このオプションは味になりました。







Adtron Flashpack-最新のSSDのプロトタイプ



コストを削減し、一般消費者にとってSSDの魅力を高めることは、主にマルチビットメモリセルの出現によって可能になりました。 当初、フラッシュマトリックスのアーキテクチャは、各セルに1ビットの情報のみを記録する可能性を想定していました。つまり、フローティングシャッターは2つの電荷レベルのみを格納できます（このタイプのメモリはSLC-シングルレベルセルと呼ばれていました）。 次のステップは、セルあたり2ビット（4つの充電レベル）を保存できるMLC（マルチレベルセル）の作成でした。 生産においてさらに容量が大きく安価なのは、3ビットMLCとも呼ばれる8レベル（3ビット）TLCフラッシュメモリ（トリプルレベルセル）でした。2015年の時点で、コストはギガバイトあたり40セントに下がりました。



NORおよびNANDと同様に、これらのソリューションはそれぞれ独自のニッチを採用しています。 実際、SLCが保存された情報へのアクセスの最大速度を提供し、非常にフォールトトレラントである場合、TLCは低コストと高い記憶密度によって特徴付けられます。 後者の短所では、非常に小さな作業リソースを書くことができます。 その結果、SLCは企業セグメントで広く行き渡り、TLCは小売の絶対的な独占者となり、MLCに基づく製品は主に信頼性を重視し、同時にすべてを車から絞り出したい人を対象としています。



SSDのさらなる開発は、マイクロ回路のインターフェースを改善することにより実施されました。 当時、共通の標準を導入するという疑問が生じ、Intel、Sony、SanDisk、Micron Technology、Numonyx、Phison Electronics Corporation、SK Hynix、Spansion、STMicroelectronicsを含むテクノロジー企業のコンソーシアムが、最初のバージョンであるオープンNANDフラッシュインターフェイス（ONFI）仕様を開発しました2006年春に導入されました。 ONFI 1.0の帯域幅はわずか50 MB / sであり、SATA IIの潜在能力を十分に発揮することはできませんでした-2014年にリリースされたその4番目のリビジョンのみがSATA IIIによって設定されたバーを超えることができ、800 MB /顕著なパフォーマンスの向上を提供します。



同様に重要な役割は、読み取り/書き込みおよびキャッシングアルゴリズムの改善によって果たされました。 たとえば、WD Blue SSDドライブを作成するとき、SLCモードで利用可能なメモリの一部を使用し、実際の負荷シナリオで任意の読み取りを強制するnCache 2.0テクノロジーを導入することにより、生産性の向上に焦点を当てました。







WD Blue SSD 1 TB-Western Digitalの第1世代ソリッドステートドライブのラインのフラッグシップ



コントローラをバイパスしてチップレベルで実装されたSLCバッファからTLCへのデータの直接コピーにより、パフォーマンスを損なうことなく、より経済的な4チャネルMarvell 88SS1074モデルを使用できるようになりました。 ちなみに、後者はLDPCコードに基づいたエラー訂正をサポートしています。そのおかげで、WD Blue SSDは最大400 TBWの書き換えリソースを誇り、この価格カテゴリの他のソリューションと比較して50％以上も高くなっています。 したがって、上記のイノベーションを導入することで、比較的低価格で高速性と信頼性を組み合わせた、TLCメモリに基づく真に競争力のある製品を作成することができました。



上記のすべてにより、ドライブの速度とフォールトトレランスを改善できましたが、2次元NANDの可能性は制限されていました。 15ナノメートルの技術プロセスの能力が実質的に使い果たされ、ソフトウェア部分のさらなる改善が重要な指標の顕著な増加を提供しなくなったとき、3D NANDフラッシュメモリは平面マイクロ回路に取って代わりました。 そのアーキテクチャは、垂直レイアウトによって特徴付けられます。導電層と絶縁層は、層ごとに結晶にスプレーされます。 結果として「パフ」チャネルが形成され、その壁に絶縁体とフローティングゲートの構造が適用されます。その結果、リング状の電界効果トランジスタの列が得られます。 このアプローチにより、チップの密度が大幅に向上するため、メモリ容量が増加します。







3D NAND構築スキーム



発明自体はノウハウとは言えません。たとえば、Samsungは2013年から3次元チップをリリースしています。 しかし、ご存知のように、歴史は渦巻いています：フラッシュドライブは、NANDの高コストのために、NANDの作成から10年後に登場したように、最初の3Dチップも高すぎたため、消費者市場には適していないことを意味します。 東芝とサンディスクのアライアンスの主な努力は、その当時すでにウェスタンデジタルの一部門でしたが、生産を最適化してチップをより手頃な価格にする根本的に異なるアプローチを開発することを目的とした理由です。



研究は成功しました-エンジニアの努力の結果、BiCS（ビットコストスケーラブル）3D NANDが登場しました。 各チップで48レイヤーのみをサポートするサムスンのソリューションと比較して、BiCSテクノロジーは、パッキング密度を1.4倍に増やし、レイヤー数を64に増やすことができます。アーキテクチャーも変更されました。 その主な特徴は、ソース線とスイッチングトランジスタが水晶の上部に配置されていることです。これにより、高温効果による読み取り/書き込み操作中のエラーの出現がほぼ完全になくなります。







BiCSアーキテクチャ



これは実際にはどういう意味ですか？ BiCS 3D NANDは40 nmプロセステクノロジーを使用して作成されており、深紫外線でのフォトリソグラフィーの必要性がまったくないため、既存の生産設備をアップグレードする必要はありません。 データストレージの密度が高いため、プレーナーマイクロサーキットと比較した生産コストは実質的に変わらず、大容量ドライブを作成できます。 さらに、この新しい設計により、チップのエネルギー効率が25％向上し、熱による損傷の可能性が排除されるため、チップの信頼性が向上します。



上記のすべてにより、64層チップに基づく次世代WD SSD Blueソリッドステートドライブを作成できました。 先行モデルと比較して、ディスクは高速（読み取り速度が560 MB /秒、書き込み-540 MB /秒に達する）、最大175万時間のMTBF、最大500 TBWの書き換えリソースが特徴です。 つまり、1日あたり最大80ギガバイトの負荷があっても、ドライブは7年間正常に動作します。これは、中価格帯の絶対的な記録です。 さらに、記録密度の増加により、更新されたラインナップには2テラバイトのフラッグシップが補充されました。印象的なボリュームと優れた特性により、このモデルはプロや愛好家にとって理想的なソリューションとなっています。

結論の代わりに

すでに、3D NANDのコストがその使用を広めると主張することができます。 今後の軍拡競争は、3次元結晶の密度の増加と、真に手頃な価格の経済的な製品を作成するオリジナルの建築ソリューションの開発に移行します。 ラップトップの生産などのセグメントでは、従来のHDDがソリッドステートドライブによって市場から完全に押し出される可能性があります。 トレンドはすでに明らかです：DRAMeXchange（TrendForce分析機関の一部門）の予測によると、今年SSDのみを搭載したラップトップのシェアは販売されたすべてのデバイスの56％を超え、この数字は将来的にのみ増加します。 ただし、業界の発展の見通しは別の資料のトピックであり、Habré読者向けに確実に準備します。 ブログの更新にご期待ください！