QLC SSD가 비용 절감을 무기로 니어 라인 / 클라이언트 HDD를 침식
1 개의 메모리 셀에 4bit의 데이터를 기억하는 "QLC (quadruple level cell) '방식의 NAND 플래시 메모리가 상용화되기 시작했다. 지금까지의 주류 인 'TLC (triple level cell, 3bit / 셀)'방식에 비해 원칙적으로 동일한 제조 비용으로 저장 용량을 1.33 배로있다. 다른 말로하면 저장 용량 당 비용이 75 %로 내려 간다.
NAND 플래시 메모리를 내장 SSD는 그동안 15K 타입의 HDD와 10K 타입의 HDD를 대체 해왔다. NAND 플래시 메모리의 주요 공급 업체 인 Micron Technology에 따르면, planar 형 NAND 플래시 (2D NAND 플래시)의 대용량화 (저장 용량 당 비용 감소)에 의해 먼저 15K HDD를 SSD에 의해 대체 할 수있게되었다. 그리고 3D NAND 기술과 TLC 방식의 조합에 따라 저장 용량 당 비용을 더욱 절감하고 10K HDD를 SSD로 대체 가능하게되었다.
다음 SSD의 목표는 니어 라인 HDD와 클라이언트 (소비자) HDD를 대체이다. 그 히든 카드가 될 것이 QLC 방식의 실용화 및 3D NAND 플래시의 고층화이다. QLC NAND 플래시를 내장 한 SSD 'QLC SSD'가 가까운 장래에 이러한 HDD와 시장에서 격돌한다.
이미 앞서이되는 제품이 등장하고있다. Micron Technology (이후 "Micron"로 표기)는 2018 년 5 월, 니어 라인 HDD 대체를 목표로 한 기업용 SSD '5210 ION SSD 시리즈'를 발표했다 ( Micron, 7mm 두께 2.5 인치 용량 7.68TB의 " QLC NAND "채용 SSD 참조). "5210 ION SSD '의 저장 용량은 1.92TB ~ 7.68TB 폼 팩터는 7mm 두께의 2.5 인치, 인터페이스는 SATA이다. 64 층의 3D NAND 플래시 기술과 QLC 방식에 의한 1Tbit / 다이 NAND 플래시 메모리를 내장한다.
그리고 Intel은 2018 년 8 월에, 클라이언트 용 SSD "660p 시리즈」( Intel 첫 QLC NAND 채용으로 399 달러에서 2TB 용량을 실현하는 「Intel SSD 660P" 참조)을 발표했다. "660p 시리즈 '의 저장 용량은 512GB / 1TB / 2TB 폼 팩터는 22mm × 80mm의 M.2 인터페이스는 NVMe 1.3 / PCIe 3.0 × 4이다. 가격은 99 달러 / 199 달러 / 399 달러로 NVMe 인터페이스의 SSD로서는 매우 낮다. "660p 시리즈"도 "5210 ION SSD"와 마찬가지로 64 층의 3D NAND 플래시 기술과 QLC 방식에 의한 1Tbit / 다이 NAND 플래시 메모리를 내장한다.
다치 기억 방식의 시작과 발전
NAND 플래시 메모리는 당초 1 개의 메모리 셀 (셀 트랜지스터)는 1bit의 데이터를 기억하고 있었다. 그것은 연구 개발의 진전에 따라 현재는 1 개의 메모리 셀에 최대 4bit의 데이터를 기억할 수있게되어있다. 물론 그 사이에는 1 개의 메모리 셀에 2bit를 기억하는 방식과 3bit를 기억하는 방식이 존재한다.
데이터를 기억하는 구체적인 방법은 셀 트랜지스터의 문턱 전압의 값이다. 문턱 전압은 트랜지스터가 "OFF 상태"에서 "온 상태"로 변화하는 입력 전압 (엄밀하게는 게이트 전압)의 것이다. 가장 간단한 1bit / 셀의 기억은 셀 트랜지스터의 문턱 전압은 2 단계 밖에 없다.
플래시 메모리는 데이터를 기록하기 전에 데이터를 삭제하는 동작 (소거 동작)이 반드시 들어간다. 삭제 동작에 의해 NAND 플래시 메모리의 셀 트랜지스터의 문턱 전압은 마이너스가된다. 문턱 전압이 마이너스는 게이트 전압이 0V라도 셀 트랜지스터가 ON 상태가된다는 의미이다. 그리고 데이터를 쓰는 동작은 문턱 전압을 플러스한다. 읽기에서는 게이트 전압을 문턱 전압보다 낮은 값으로하기 때문에 이전에 기록 된 셀 트랜지스터는 ON 상태가되지 않는다. 이렇게하여 데이터 값을 구분합니다.
1bit / 셀의 기억은 DRAM과 SRAM과 같은 다른 반도체 메모리와 마찬가지이며, 간단하고 알기 쉽다. NAND 플래시 메모리는 다치 기억 방식이 제품화되어 있기 때문에 구별하기 위해 1bit / 셀 방식을 "SLC 방식"이라고 부르게되었다.
첫 다치 기억 방식은 1 개의 메모리 셀 (셀 트랜지스터)에 2bit의 데이터를 기억하는 것으로 시작되었다. 현재는 "MLC 방식」이라고 불리고있다.
MLC 방식과 SLC 방식의 가장 큰 차이점은 쓰기 동작에있다. MLC 방식은 쓰기 동작에 의해 셀 트랜지스터의 문턱 전압을 3 단계로 변화하고있다. 읽기 동작의 게이트 전압의 범위는 기본적으로 SLC 방식과 크게 다르지 않기 때문에, 3 가지의 문턱 전압을 세밀하게 제어하여 기록하여야한다. 따라서 SLC 방식에 비해 쓰기에 시간이 걸린다.
3 가지의 문턱 전압의 간격은 매우 좁은. MLC 방식의 개발 초기에는 문턱 전압이 시간이 지남에 따라 차이 가고 결국은 인접한 문턱 전압 값과 겹쳐 버리는 문제가 일어났다. 현재는 기술 개발의 진전에 의해 해결되고 있지만, 다치 기억 기술에있어서 항상 따라 다니는 문제이다.
또한 문턱 전압을 세밀하게 제어하는 것으로, 쓴 문턱 전압 값을 검증하는 작업이 들어감으로써 셀 트랜지스터의 열화가 증가하는 문제가 발생했다. 이 문제는 현재에도 완전히 극복되지 않았다. 기본적으로 데이터를 재기록 횟수는 SLC 방식이 가장 많았고 MLC 방식은 SLC 방식보다 적다. 플래시 메모리 업계에서 사용되고있는 값은 SLC 방식이 10 만회, MLC 방식이 1 만회하는 것이다. 약 10 배의 차이가있다.
플라나 NAND 플래시는 TLC 방식이 한계에
MLC 방식에 따라 개발 된 다치 기억 기술은 1 개의 메모리 셀에 3bit의 데이터를 저장하는 방식이다. "TLC 방식」이라고 불리고있다. TLC 방식은 쓰기 동작에 의해 셀 트랜지스터의 문턱 전압을 7 단계로 바꾼다.
셀 트랜지스터의 문턱 전압을 7 단계로 바꾸는 것은 무슨 의미가 있을까. MLC 방식은 3 단계의 문턱 전압을 쓰고 있었다. 문턱 전압의 범위는 MLC 방식에서도 TLC 방식도 크게 다르지 않다. 즉, 거의 같은 전압 범위에 2 배가 넘는 수의 '문턱 전압'을 설정하게된다. 인접한 문턱 전압의 간격은 TLC 방식으로는 MLC 방식의 절반 이하로된다는 것이다.
따라서 TLC 방식은 MLC 방식보다 더 세밀하고 문턱 전압을 제어해야한다. 그래서 TLC 방식의 데이터 쓰기는 쓰기를 3 회에 걸쳐 실행하는 방법이 사용되게되었다. 구체적으로는 1 차에서 2 가지의 문턱 전압을 기록, 2 회째는 7 가지의 문턱 전압을 기록, 3 번째는 7 가지의 문턱 전압을 조정한다는 지침이다. 이 단계는 인접한 메모리 셀 간의 간섭을 완화하기 위해서도 필수가되었다. 물론 쓰기에 필요한 시간은 증가 쓰기 동작에 의한 셀 트랜지스터의 열화가 심해진다.
TLC 방식의 개발과 상업화는 NAND 플래시 메모리 개발에 하나의 방향성을 주었다. 그것은 "성능은 희생해도 좋으니까, 저장 용량 당 생산 비용을 낮출」라고하는 개발 지침이다. MLC 방식에서 TLC 방식으로의 전환에 의해 쓰기 시간이 길어 읽기 시간도 길어지고 데이터의 재기록 횟수는 감소했다. 그래도 TLC 방식의 NAND 플래시 메모리 시장에 받아 들여졌다. 저장 용량 당 생산 비용이 하락했기 때문이다.
그리고 TLC 방식의 다음에 오는 다치 기억 기술로, 1 개의 메모리 셀에 4bit의 데이터를 저장하는 방식 "QLC 방식 '이 검토되었다. 예를 들어 도시바와 SanDisk (현재는 Western Digital)의 공동 개발 팀은 2009 년 2 월에 국제 학회 ISSCC에서 QLC 방식의 planar 형 NAND 플래시 메모리를 시작 발표하고있다 ( 미국 SanDisk와 도시바가 세계 최대 용량의 NAND 플래시를 공동 개발 참조). 43nm의 CMOS 기술로 제조 한 실리콘 다이 당 64Gbit의 기억 용량을 실현했다. 발표 시점에서는 세계 최대의 저장 용량을 달성 한 반도체 메모리이다.
그러나 플라나 NAND 플래시 (2D NAND 플래시)는 QLC 방식은 제품화되지 않았다. 플라나 NAND 플래시에서는 미세화에 의해 기억 밀도를 높여왔다. 이 결과, 1 개의 메모리 셀에 축적 전하의 양이 감소 해 갔다. 축적 전하의 대소가 문턱 전압의 변화에 대응한다. 플라나 NAND 플래시 메모리는 전하의 양을 줄일 너무 버려, TLC 방식의 7 단계의 전하량 제어가 기술적 인 한계로되어 버린 것이다.
오히려 플라나에서 미세 가공을 가장 전진했다 1Ynm 세대 (약 15nm 세대)는 TLC 방식의 NAND 플래시 메모리를 제품화하지 못하고, MLC 방식 만이 제품화되는 사태가되었다. TLC 방식이 제품화 된 기술 세대는 1Xnm 세대 (약 19nm 세대)이 최소 가공 치수로되어있다.
3D NAND 플래시가 처음부터 TLC 방식으로 제품화 할 수 있었던 이유
3D NAND 플래시 메모리의 제품화는 planar 형 NAND 플래시 메모리와는 전혀 다른 출발을했다. 처음부터 다치 기억 방식이 도입 된 것이다. 게다가 초기에 약간의 기간이 MLC 방식으로 제품화 된 것을 제외하면 처음부터 TLC 방식으로 계속 대용량화가 진행되어왔다.
처음부터 TLC 방식으로 제품화 할 수 있었던 큰 이유는 메모리 셀이 축적 전하량의 차이에있다. MLC 방식으로 15nm 세대의 평면 형 NAND 플래시에 비해 TLC 방식의 3D NAND 플래시가 축적 전하량은 약 3 배 크다. 전하량 만 보면 평면의 MLC 방식에 비해 3D NAND의 TLC 방식은 인접한 문턱 전압 사이의 전하량의 마진이 약 3 배나된다. 이것은 매우 큰 장점이다.
전하량이 증가한 주된 이유는 셀 트랜지스터의 전하를 축적하는 부분의 단면적이 커진 것이다. 셀 트랜지스터의 가공 치수가 확대 된 것으로, 셀 트랜지스터의 형상이 원통형으로 변화 한 것이 단면적의 증가에 기여했다.
그리고 3D NAND 플래시에 저장 밀도의 확대에 미세화를 사용하지 않는다. 미세화에 의한 전하의 감소가 일어나지 않는다. 즉, 기억 밀도를 높여도 셀 트랜지스터가 축적 가능한 전하량이 변화하지 않는다. 안심하고 TLC 방식을 계속 사용된다.
게다가 3D NAND 플래시는 TLC 방식으로도 전하량의 마진이 크기 때문에, 기록 방법을 바꿀 수 있었다. 플라나 NAND 플래시에서 채용하고 3 번에 나누어 쓸 방법이 아니라 한 번에 3bit의 데이터를 모두 쓸 수있게되었다. 이는 TLC 방식의 NAND 플래시 메모리의 쓰기 속도를 크게 향상 시키게되었다.
재빨리 3D NAND 플래시 메모리의 양산을 처음으로 자사 브랜드의 SSD를 탑재 한 것은 Samsung Electronics (이후 "Samsung"로 표기)이다. 회사의 TLC 방식 3D NAND 플래시를 내장 SSD는 타사 플라나 NAND 플래시 내장 SSD에 비해 "쓰기가 빠르다"고 높이 평가되고 한때 모색되었다.
물론 SSD의 성능은 컨트롤러에 의존한다. 한편 컨트롤러 기술 또는 성능이 동일하다면, 나머지는 NAND 플래시 메모리의 성능이 SSD의 성능을 좌우한다. 위의 명성은 3D NAND 플래시의 쓰기 속도 향상이 SSD의 성능 향상에 연결되어 있는지를 강하게 시사하고있다.
그리고 QLC 방식은 원리 적으로는 TLC 방식의 절반 전하량에서 문턱 전압을 구분한다. 3D NAND 플래시는 QLC 방식도 MLC 방식으로 15nm 세대의 평면 형 NAND 플래시에 비해 1.5 배의 전하량을 확보 할 수있게된다. 따라서 3D NAND 플래시는 QLC 방식을 상용화하는 길이 열렸다.
QLC 방식에서는 1 개의 셀에 15 가지도 값을 기록
다시 설명하면 QLC 방식으로 1 개의 메모리 셀에 4bit의 데이터를 기억한다. 쓰기 작업 설정 "문턱 전압 '는 15 단계에 이른다. 인접한 문턱 전압의 간격은 TLC 방식에 비해 절반으로 줄어든다. 문턱 전압의 제어를 더욱 세밀하게 할 필요가있다.
QLC 방식의 장점은 분명하다. 기억 밀도가 향상되고, 저장 용량 (실리콘 면적당)을 확대하고 생산 비용 (저장 용량 당)이 떨어진다. 대신 희생되는 것이 성능 (속도)과 장기 신뢰성이다. 그대로는 SSD 나 플래시 스토리지 등의 제품의 요구 사양을 충족하지 않는 것으로 간주하면 어떤 연구에 의해 성능 및 장기 신뢰성의 저하를 완화해야한다.
QLC NAND 플래시는 장기 신뢰성이 크게 악화
여기에서는 우선 장기 신뢰성이 어느 정도 희생 되는가를 살펴 보자. 장기 안정성 지표는 주로 두 가지. 데이터를 재기록 횟수 ( '지구력'라고 부른다)와 데이터를 저장하는 기간 ( "데이터 보존"이라 함)이다.
데이터 덮어 쓰기 횟수와 데이터의 저장 기간에 상관 관계가 있으며, 일반적으로 데이터의 갱신을 반복 메모리 셀은 데이터를 저장할 수있는 기간이 짧아진다. 즉, 데이터를 재기록 횟수는 여기까지 "횟수"의 갱신을 반복하면 데이터를 성공적으로 저장할 수 없게된다 "횟수"를 의미한다.
다치 기억 방식과 데이터의 재기록 횟수에는 밀접한 관계가있다. 메모리 셀에 저장된 데이터의 bit 수를 늘리면 늘릴수록 재기록 횟수는 감소한다. 플라나 NAND 플래시 메모리의 시대는 재기록 횟수는 SLC 방식에서는 10 만 번 MLC 방식은 1 만 회, TLC 방식으로는 1,000 번되어 있었다. 1bit 증가마다 10 분의 1로 감소한다는 것이 대략적인 기준이다.
이 감소세는 3D NAND 플래시 기술의 등장에 의해 일시적으로 막아 냈다. TLC 방식의 3D NAND 플래시의 재기록 횟수는 3,000 회에서 5,000 회 것으로 알려져있다. QLC 방식도 모두 3D NAND 플래시이다. TLC 방식에서 QLC 방식의 변경에 의해 재기록 횟수는 5 분의 1 ~ 10 분의 1이 될 것으로된다. 구체적으로는 300 회 ~ 000 회이다.
QLC NAND SSD는 다시 쓰기 횟수가 감소
TLC 방식에서 QLC 방식으로의 전환에 의한 재기록 횟수의 감소는 SSD 제품 사양에 반영되어있다. Intel의 소비자 SSD 인 '600p 시리즈 "와"660p "시리즈의 제품 사양을 비교하면 그 차이가 명확하게 간파 할 수있다.
"600p 시리즈 '는 기억 미디어에 TLC 방식의 3D NAND 플래시를"660p 시리즈'는 기억 미디어에 QLC 방식의 3D NAND 플래시를 탑재 한 SSD이다. 두 시리즈의 폼 팩터 및 인터페이스는 동일하며 차이점은 주로 NAND 플래시 메모리와 컨트롤러 (및 펌웨어)이라고 할 수있다.
두 시리즈로 기억 용량이 1TB 제품을 채택 해 쓸 수있는 용량 (TBW)을 비교해 보았다. TBW는 "600p 시리즈"가 576TB 인 반면, "660p 시리즈"는 200TB 절반 이하로 감소했다. SSD 전체에 대해서 전자는 576 번의 쓰기가 가능한 반면, 후자는 200 번 밖에 없다. 이 차이는 주로 탑재하는 3D NAND 플래시의 차이에 의한 것으로 생각된다.
"600p 시리즈"와 "660p 시리즈」는 모두 소비자이므로 200 회 이하 개서 회수도 문제는별로 일어나지 않는다고 할 수있다.
문제는 기업용이다. 엔터프라이즈는 Micron이 최대 용량 7.68TB의 QLC SSD '5210 ION SSD 시리즈'를 출시했다고 발표했다. 그래서이 제품의 TBW가 어떻게되어 있는지를 조사했지만, 현시점에서는 「5210 ION SSD 시리즈 '의 사양은 공개되지 않은 것 같다. 이 때문에 자세한 것은 불명이다.
어떤 연구를 베풀지 않는 한, QLC SSD의 개서 회수는 TLC SSD의 개서 회수보다 감소한다. 이것은 불가피하다. 또한 쓰기에 필요한 시간과 판독 시간이 길어져 성능 (속도)이 저하된다.
그래서 성능 저하를 막기위한 궁리가 QLC SSD는 필수 지려고하고있다. 그 자세한 내용은 기회를 다시 본 칼럼 말하고 싶다.
https://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/semicon/1149330.html
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