フラッシュメモリの価格ダウンにより SSD 市場が急拡大 SSD はフラッシュとメモリコントローラ IC および周辺回路をプリント基板に搭載したデバイスです 機器組み込み用のモジュールタイプのほか HDD と同サイズでパッケージされたタイプがあります HDD と同じインタフェースを備え 容易に置き換

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1 シリアル ATA 3Gb/s 対応ハーフスリム SSD SHG2A シリーズ 産業機器のストレージ ソリューション ノートパソコンにおいて HDD のかわりに SSD( ソリッドステートドライブ ) を搭載したモデルが増えています 実は SSD による HDD 代替は 産業機器の分野でいちはやく先行していました SSD はフラッシュメモリを利用したストレージデバイスです HDD と違ってメカニックな機構をもたないため 振動や衝撃にさらされる工作機械などに適しているからです ただし SSD のメモリ管理 制御には高度な技術が必要になります フラッシュメモリの書き換え回数には上限があり 搭載されるメモリコントローラ IC の性能しだいで SSD の寿命やパフォーマンスは大きく変わってくるからです 高信頼性が求められる産業機器を中心に 10 年以上にわたる実績を積み上げながら進化を遂げてきたのが TDK のメモリコントローラ IC GBDriver( ギガドライバ ) シリーズ 先進の GBDriver を搭載した TDK の SSD は 産業機器のみならず スマートグリッドやクラウドコンピューティングなど IT 化が進む社会インフラの広範な分野で応用を拡大しています 01

2 フラッシュメモリの価格ダウンにより SSD 市場が急拡大 SSD はフラッシュとメモリコントローラ IC および周辺回路をプリント基板に搭載したデバイスです 機器組み込み用のモジュールタイプのほか HDD と同サイズでパッケージされたタイプがあります HDD と同じインタフェースを備え 容易に置き換えが可能です SSD の機能を HDD と対照させれば データを記憶するフラッシュメモリが HDD のプラッタ ( ディスク ) 読み書きを制御するメモリコントローラ IC が磁気ヘッドや位置決めのアクチュエータに相当します メカニックな機構をもたない SSD は 衝撃や振動に強いだけでなく 小型 軽量 高速起動 低消費電力など HDD をしのぐ数々の長所をもちます 半導体素子であるため 容量単価が高いのが難点でしたが 2006 年頃からフラッシュメモリの低価格化が進んで SSD 市場が大きく拡大 ノートパソコンへの搭載にも拍車がかかっています 簡便なリムーバルストレージとして多用されてい る USB メモリ デジタルカメラなどに使われるコンパクトフラッシュやメモリカードなども フラッシュメモリを用いたものです では フラッシュメモリとは いったいどのようなメモリなのでしょうか? SSD と HDD との対照 メモリコントローラ IC フラッシュメモリ プラッタ ( ディスク ) 磁気ヘッドおよびアクチュエータ フラッシュメモリはどんな原理でデータを保存するのか フラッシュメモリは現在の IC や LSI の主流である MOS-FET をベースとして開発されたメモリです MOS-FET は P 型および N 型の半導体領域をつくったシリコン基板に薄い酸化膜 ( 絶縁膜 ) を形成し ソース ドレイン ゲートの金属電極を設けた電界効果型トランジスタ (FET) です 上から金属 (Metal) 酸化物 (Oxide) 半導体 (Semiconductor) という順になっていることから 頭文字をとって MOS 型と呼ばれます ソース - ドレイン間に流れる電流は ゲートの電圧によってコントロールします この電源を水流にたとえると ゲートとは文字通り 水門のような役目をします フラッシュメモリは MOS-FET のゲートと酸化膜の間に 浮遊ゲート ( フローティングゲート ) をはさんだ 2 重ゲート構造となっています 浮遊ゲートは酸化膜ですっぽり覆われているので通常は絶縁状態にあります しかし 上部の制御ゲートに電圧を印加すると 絶縁膜を通じてトンネル電流 (FN 電流という ) が流れ 浮遊ゲートに電荷が蓄えられます これが書き込み動作となります 逆にシリコン基板側に電圧を印加すると 浮遊ゲートに蓄えられた電荷が放出されます これが消去動作となります MOS-FET とフラッシュメモリ素子の構造 ソース ゲート シリコン基板 MOS-FET 電子 20 0 酸化膜 ドレイン 書き込み動作 制御ゲートに電圧を加えると 酸化膜を通じてトンネル電流が流れ 浮遊ゲートに電子が 入される 制御ゲート 浮遊ゲート ソース シリコン基板 フラッシュメモリ素子 0 20 酸化膜 ドレイン 消去動作 シリコン基板に電圧を加えると 浮遊ゲートに蓄えられ電子が放出される 02

3 高集積化には NOR 型よりも NAND 型が有利 浮遊ゲートを付加した MOS-FET をメモリセル ( 記憶素子 ) として これをシリコンウエハ上で碁盤目状に多数集積して製造されるのがフラッシュです 碁盤目状に配置されたセルどうしはワード線 ビット線 ソース線で結合されます フラッシュメモリには NOR 型と NAND 型があります セルの基本構造は同じですが これらの線の結合の仕方が異なります NOR 型はソース線とビット線が個々のセルとつながっているので 1 ビット単位の書き込みが可能です かたや NAND 型は複数のセルがソース線とビット線の間に直列に接続された構成となっています 結合線の線幅は数 10nm の狭いものですが セルそのものが微細なので 個々のセルにソース線を配する NOR 型では結合線が占めるスペースが大きくなってしまいます そこで NAND 型フラッシュメモリでは ソース線を複数のセルで共有させることで 高集積化を図っているのです NOR 型および NAND 型フラッシュメモリの セル構成 部分 NOR 型 ワード線 ソース線 ワード線 個々のメモリセルはそれ れビット線とソース線に独 して結合している 制御ゲート ドレイン ソース メモリセルの記号 ビット線 NAND 型 ソースセレクト線 ワード線 セレクトゲート ソース線 ビット線 複数のメモリセルが直列につながり ビット線を共有している そのためソース線の本数が り 高集積化が可能となる NAND 型フラッシュメモリにおけるデータ読み出しのしくみ セルにデータが書かれているかどうかは 浮遊ゲートに蓄えられている電荷量で判断します これは結合線に加える電圧によって検出できます 浮遊ゲートに電荷が蓄えられていない場合は ソース - ドレイン間の抵抗が低い状態なので 制御ゲートに低電圧を加えただけで ソース - ドレイン間に電流が流れます また 浮遊ゲートに電荷が蓄えられている場合は ソース - ドレイン間の抵抗が高い状態なので 制御ゲートの電圧をある程度高くしなければ電流が流れません この電圧を しきい値電圧 といいます つまり しきい値電圧がロー かハイかによって 0 か 1 かのビット信号が読み出せます これがフラッシュメモリの読み出し原理です 浮遊ゲートは絶縁膜で覆われているので 蓄えられた電荷は電源を落としても そのままの状態を維持してデータは保存されます これが 不揮発性 メモリといわれるゆえんです しきい値電圧のレベルを多段階にすることでも大容量化が図れます 1 セルあたり 1 ビット (2 レベル ) のものを 2 値 NAND あるいは SLC(Single Level Cell) といい 2 ビット (4 レベル ) 以上にしたものを多値 NAND あるいは MLC(Multi Level Cell) といいます NAND 型フラッシュメモリのデータ読み出しの原理 浮遊ゲートの電子の有無 電荷量の違い は ゲート電圧 しきい値電圧 の違いとなる ローが 0 ハイが 1 のビット信号 ソース ゲート電圧 ロー ドレイン ソース - ドレイン間電流 しきい値電圧がシフト ゲート電圧 ハイ 電流 電流 浮遊ゲートに電子が蓄えられていない場合 ソース - ドレイン間は低抵抗 低いゲート電圧で電流が流れる ローハイしきい値電圧 浮遊ゲートに電子が蓄えられている場合 ソース - ドレイン間は高抵抗 高いゲート電圧で電流が流れる 03

4 NAND 型フラッシュメモリの書き換え回数には上限がある NAND 型フラッシュメモリは便利なデータストレージとして多用されていますが リスキーな面ももっています 多数のセルにソース線を共有させる構成であるため 書き込みは複数のセルからなる ページ という単位で行われることになり また消去においては複数のページからになる ブロック という単位で行われます このため あるページを書き換えるのに そのページを含むブロック全体をいったん外部に一時的に保存してからブロック全体を消去し 保存先でデータを書き換えてから 空きブロックに記録するという動作が行われます したがって たった 1 ビットの書き換えでも ブロック全体の消去という動作があるため エラーが起こるとブロック全 体のデータが消失するという事態も発生するのです また HDD はメカニック機構や回路の故障などがないかぎり プラッタ ( ディスク ) にはほぼ無限に書き換えが可能です しかし SSD に書き換え回数に上限があります SLC では約 10 万回 MLC ではもっと少なくなります これは浮遊ゲートの酸化膜を貫通するトンネル電流が 酸化膜をしだいに劣化させることによるものです このため ある特定のブロックに集中的に書き換えが繰り返されると 回復不能な不良ブロックとなり エラーを起こしたり フラッシュメモリの容量を低下させてしまいます そこで SSD において重要な役割を果たすのがコントローラ IC です フラッシュメモリのセル ページ ブロック メモリセル ページ ブロック NAND 型フラッシュメモリでは 書き換えはページ単位 消去はブロック単位で実行される 広範 で一 消去する方式なので フラッシュ メモリと呼ばれる コントローラ IC によるウエアレベリング 図 不良ブロックの発生 書き換え 特定のブロックへの書き換えが集中すると メモリセルが劣化して そのブロックが不良化してしまう 書き換え 書き換え ウエアレベリング ウエアレベリング コントローラ IC の特 なアルゴリズムにより 書き換えが特定フロックに集中しないように分散化させる 04

5 TDK 独自のアルゴリズムによるウエアレベリング SSD においてフラッシュメモリとの間でデータの読み書きを制御するのがメモリコントローラ IC です フラッシュメモリの書き換え可能には上限があるため 特定のブロックに書き換えが集中しないように分散化を図ることをウエアレベリングといいます セルの疲弊 (Wear) をその度合に応じて平準化 (Leveling) という意味です 特定のブロックに書き換えを集中させないウエアレベリングは SSD の基本的な技術ですが ウエアレベリングのよしあしはアルゴリズムによって左右されます 独自開発のアルゴリズムにより きめ細かな制御方式を採用 高い評価を獲得しているのが TDK の NAND 型フラッシュメモリ用コントローラ IC GBDriver ( ギガバイトドライバ ) です 強力なエラー訂正機能とともに 電源遮断によるエラーについても未然防止する 機能を装備 また データ読み出しを繰り返すことで発生するリードディスターブエラーを自動修復するオートリカバリ機能を搭載するなど すぐれた信頼性を実現しています SSD では複数のフラッシュを搭載することで大容量化を図っています TDK の GBDriver の大きな特長は 個々の内における分散化はもちろん 複数のにわたる全メモリ領域での分散化 ( スタティック ウエアレベリング方式 ) を導入して 搭載フラッシュメモリの書き換え回数を飛躍的に向上させていることです TDK の GBDriver および GBDriver 搭載 CF/SSD が 業界から高い評価を獲得しているのも このすぐれた分散化技術にあります GBDriver 適用システム 全メモリ領域でのスタティック ウエアレベリング方式 SOFT WARE Application HARD WARE CPU RAM 3.0Gb/s SATA II GBDriver DE ICE Supporting SATA II GBDriver RS2 書き込み 理不良ブロック管理ウエアレベリング エラー訂正電源遮断対応 NAND Flash Memory フラッシュコントロールリード & ライトプロテクト異常 作 性スマートコマンド機能全セクタ数設定機能 TDK の GBDriver は 個々の内はもちろん 全メモリ領域において平準化を図る高度分散書き込み方式 ( スタティック ウエアレベリング機能 ) を採用 搭載フラッシュメモリの書き換え回数を飛躍的に向上させました 05 05

6 ダウロードして利用できる SSD 寿命診断ツール TDK SMART 2000 年の発売開始以来 TDK の GBDriver シリーズの出荷数は累計 3000 万個にも及びます フラッシュメモリの大容量化とともに TDK の GBDriver も大きく進化を遂げてきました 現在の主力製品は SATA 対応の RS シリーズおよび PATA 対応の RA シリーズです 新製品の ハーフスリムタイプ SSD SHG2A シリーズ は GBDriver RS2 を搭載した SATA II 対応の小型 (1.8 インチ HDD の半分のサイズ ) 高性能の SSD モジュールです ( 最大 32GB) SSD SHG2A シリーズは寿命診断プログラム SMART (Self-Monitaring & Analysis Reporting Technology)I にも対応しています これは TDK の CF カードや SSD に搭載されているフラッシュメモリの書き換え ( 消去 ) 回数の進み具合などを監視しながら 実際のシステムでの CF カードや SSD の寿命をリアルタイムで定量的に把握できるプログラムです (TDK のホームページからダウンロードしてご利用いただけます ) 寿命診断プログラム TDK SMART TDK の CF/SSD SMART ON 仕 機 の書き換え回数や寿命をリアルタイムで把握できるプログラム TDK ホームページよりダウンロードしてご利用ください 取得できる情報 1 CF/SSD 内部に搭載されているフラッシュメモリの個数および ブロック数 2 CF/SSD への書き換え 消去 回数 数 3 書き換え 消去 が最も多く発生したブロックの書き換え回数 4 書き換え 消去 が最も少なく発生したブロックの書き換え回数 全ブロックの書き換え 消去 回数 10 段階 ストグラム 06

7 社会インフラの IT 化により SSD ソリューションが加速 TDK のハーフスリムタイプ SSD SHG2A シリーズは 産業機器における HDD 代替にとどまらず 多方面での応用が可能です 衝撃や振動に強いという SSD ならではの特性は カーナビやドライブレコーダなどの車載機器や鉄道車両用機器における HDD 代替ストレージとして最適です また 高い信頼性が求められる医療機器や分析機器 ATM や POS システムなどへの利用にも期待されています AES 128bit 暗号化機能を搭載しているのでセキュリティ面でも大きなメリットを生み出します これはフラッシュメモリに格納されているデータを暗号化して保存する機能です データは取り出せても内容は解析不能なので データの改ざんや漏洩を防止でき 個人情報の保護などにも最適です 金融 /ATM 端末 病院の電子カルテシステムなど 広範な分野での応用が広がっています フラッシュメモリのコストダウンにより SSD は容 量単価において HDD の数倍程度にまで近づいてきました 一方で HDD の高記録密度化も著しく進んでいます データセンターなどでは書き換え頻度の少ないデータは磁気テープや光ディスク 書き換え頻度の高いものは HDD より高速アクセスが求められるものは SSD と データストレージの効率的な住み分けが進むと予測されています 磁気テープ 光ディスク HDD 用ヘッドなど 最先端の記録技術を究めてきた TDK は GBDriver という独自開発のメモリコントローラ IC により SSD 技術においても世界をリードしています スマートグリッドやクラウドコンピューティングなど 社会インフラの IT 化により SSD によるストレージ ソリューションは これから本格化を迎えます 大容量 省電力 信頼性 長寿命 高速性をバランスよく実現しているのが GBDriver を搭載した TDK の SSD です ハーフスリムタイプ SSD モジュール SHG2A シリーズの特長と応用分野 長寿命 独自開発のアルゴリズムにより 全メモリ領域でスタティック ウエアレベリングを実現 省スペース 1.8 インチ HDD の半分のサイズ 衝撃 振動性 衝撃性 1 00G 動作時 振動性 1 G 動作時 FA 計測 NC 工作機械 シ半導体製造装置 ーケンサ PLC FA パネルコンピュータなど OA 多機能プリンタ MFP 1 電子 板 業 用プロジェクタなど 3.8mm HOST Write Read AES128bit 暗号化機能搭載 SSD 暗号化機能 GBDriver RS2 暗号化 理 暗号化 理 フラッシュメモリ 暗号化されたデータがメモリ内部に保存 メモリ内のデータは取り出せても内容は解読不能なので データの改ざんや漏洩を防止できます 自動車 / 鉄道 カーナビ ドライブレコーダ デジタルタコグラフ 鉄道車両用機器 自動改 システムなど 防 / セキュリティ 防 防 機器 監視カメラシステム デジタルサイネージ セキュリティ システムなど 医療 診断装置 医療 PC 電子カルテシステム 分析 測定機器など 流通 POS 端末 キ スク端末 RFID システムなど IT シンクライアント PC グリーン IT 機器 組み込み CPU ード データサーバなど 通信 / 放 LTE 世代 Super3G 電 サーバ ルータなど 金融 行の ATM 会社のインターネット取 システムなど スマートグリッド スマートメータ パワーコントローラなど ア ューズメント アーケードゲーム機など 4.0mm 高速アクセス Read MB/s Write MB/s さ 4.0mm 高信頼性強力なエラー訂正機能 ( 最大 1 bit /sector ECCまで拡 可能 ) 電源保護回路搭載 電源遮断時の き えデータエラーを 全に 止 寿命診断 ール TDK SMART により 書き換え回数や寿命をリアルタイムで把握 TDKホームページよりダウンロードしてご利用いただけます 07

8 な S S フラッシュ ハーフスリム SSDを 化寿命診断ツールを 自社 のNAND 型フラッシュメモリ I TDK G D RS 用高速ア スエラー 高 書き み 用 スタ ッ ウ アレベリング機 断 を 化 A S b A S 化機 モード ション機 ソリューション ート 08

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