4 つのストレージ テクノロジが互いに競合します。次世代のスターは誰になるでしょうか？

現代の電子製品では、ストレージが不可欠かつ重要な役割を果たしています。半導体産業の生産額は2017年に4,000億米ドルを超えると推定されています。その理由の1つは、ストレージの需要が急増し、メーカーが価格を引き上げられるようになったことです。 2017年の収益は約50％増加しました。韓国のサムスンは最大のストレージサプライヤーであり、最大の利益を上げています。このストレージブームの波は、新たな需要によって今後も継続すると予想されます。モノのインターネット、ウェアラブルデバイス、クラウドストレージ、ビッグデータコンピューティングはすべて、ストレージ市場の原動力となるでしょう。

現在、ストレージは、ストレージの特性と停電後にデータが消失するかどうかに基づいて、揮発性ストレージと不揮発性ストレージに分けられます。揮発性ストレージは停電後にデータを保持できません。高価ですが高速で、通常は一時的なデータ保存に使用されます。不揮発性ストレージはアクセス速度は遅いですが、データを長期間保存できます。

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スタティック ランダム アクセス メモリ (SRAM) とダイナミック ランダム アクセス メモリ (DRAM) は、一時的なデータ保存用の揮発性ストレージとして、コンピュータ システムや電子製品でよく使用されます。 DRAMは現在、主にPC/NBやモバイルアプリケーションで使用されていますが、仮想化、グラフィックス、その他の複雑なリアルタイム作業アプリケーションに対するサポートも年々増加しています。 1980 年代以前は、DRAM は世界中で 20 社以上によって製造されていました。現在、市場を支配しているのはサムスン、SKハイニックス、マイクロンの3社のみです。その応用分野は、主要なPCから、民生用電子機器（iPodなど）、携帯電話、タブレット、ウェアラブルデバイスへと拡大しています。スマートカーや自動運転車におけるDRAMの需要も増加しています。

読み取り専用ストレージ (ROM) または従来の機械式ハードディスク (HDD)、ソリッドステートドライブ (SSD)、フラッシュメモリなどの読み書きストレージは、読み取りと書き込みの特性が異なりますが、いずれも電源を切った後も長期間データを保持できます。その中でもフラッシュは動作速度が通常のハードディスクに比べて依然として速いため、徐々に主流になってきています。

フラッシュ ストレージと ROM のアーキテクチャは、パラレル (NOR) とシリアル (NAND) に分けられます。パラレルフラッシュストレージ（NOR-Flash）はマザーボードのBIOSによく見られ、シリアルフラッシュストレージ（NAND-Flash）は携帯電話、フラッシュドライブ、SSDなどの一般的な民生用電子製品によく見られます。プロセス技術の継続的な進化と単位容量コストの継続的な低下により、NANDフラッシュはスマートフォン、組み込みデバイス、産業用制御アプリケーションで広く使用されています。近年、ビッグデータストレージやノートパソコンなどで使われるソリッドステートハードドライブの需要が増加しており、NAND-Flashで作られたSSDが徐々に一般的なハードドライブに取って代わる傾向にあります。主なメーカーはサムスン、東芝、SKハイニックスです。

DRAM と NAND フラッシュは、特性とコストの面で補完的です。前者は1秒あたりの伝送帯域幅が大きく、単位コストが高く、消費電力も多くなります。後者は伝送速度が遅く、単位コストが低く、消費電力も少ないです。そのため、この 2 つは市場と機能において差別化されており、現在のストレージ製品の 2 大陣営を構成しています。モノのインターネット、ビッグデータ、クラウドコンピューティングなどのデータが爆発的に増加する時代の到来に対応して、独立型か組み込み型かを問わず、ストレージはシステムアーキテクチャの重要なコンポーネントになります。

2020年を見据えると、世界のストレージ市場規模は795.1億米ドルとなり、そのうちDRAMが38.9%、NANDフラッシュが55.1%を占め、次世代ストレージの割合は2.0%に跳ね上がると予想されています。

しかし、主流のストレージである DRAM と NAND はすでに小型化プロセスにおけるボトルネックや影響に直面しているため、将来のデータ ストレージのニーズを満たすために代替ソリューションを見つけたり回路を変更したりすることが、現在のストレージ業界で最も重要な課題となります。

次世代ストレージを開発するための 3 つの主要な基準には、コスト、コンポーネントのパフォーマンス、小型化、密度が含まれます。コストは、全体的なストレージ粒子、モジュール、制御回路を考慮する必要があります。コンポーネントのパフォーマンスには、遅延時間、信頼性、データストレージの耐久性などが含まれます。

次世代のストレージは現在、一般的に、過去のデータにアクセスするための電荷の保存方法を変更する方向に進んでおり、ストレージ状態のメカニズムを変更することでプロセスの制限を解決しています。さらに、低消費電力は次世代のストレージやコンポーネントの共通の目標です。

4 つの主要なストレージ テクノロジは互いに競合しています。次世代のスターは誰になるでしょうか？

モバイル デバイスと IoT アプリケーションの普及に伴い、エネルギー効率の高いデータ ストレージとメモリ技術の需要が高まっています。現在のストレージ技術は DRAM と NAND フラッシュ ストレージが主流ですが、DRAM は読み取りと書き込みの速度が速く、データを長期間保存することはできません。 NAND フラッシュはデータを保存できますが、読み書き速度は良くありません。

磁気抵抗RAM (MRAM)、抵抗RAM (RRAM)、3D XPointテクノロジー、高電位スピントロニクス磁気RAM (STT-MRAM)など、コンピューティング機能とストレージ機能の両方を備えた次世代ストレージは、次世代ストレージテクノロジーの新たな寵児となっています。

理論的には、MRAM テクノロジは DRAM を超えて SRAM に近づくアクセス速度を実現し、停電後もデータが失われることはありません。これはもともと Everspin によって開発され、次世代ストレージ テクノロジーの重要な競合相手と見なされています。 2017年はMRAM技術が爆発的に進歩した年でした。同年日本で開催された大規模集積回路技術、システムおよびアプリケーションに関する国際シンポジウムで、GlobalFoundriesとEverspinは共同で、150℃で10年以上データを保存できる22ナノメートルプロセス技術を備えた耐熱消磁eMRAN技術を発表し、2017年末または2018年末に生産開始される予定である。

かつてストレージの研究開発と生産に投資していたものの、コスト高を理由にストレージ市場から撤退したTSMCは、2017年のTSMCテクノロジーフォーラムで、すでに22nmプロセスの組み込み磁気抵抗RAM（eMRAM）生産技術を有しており、2018年に試作生産を予定していることを明らかにした。

RRAM の利点は、NAND よりも消費電力が少なく、NAND フラッシュ メモリよりも 10,000 倍速く情報を書き込むことです。研究に投資している主なメーカーとしては、マイクロン、ソニー、サムスンなどが挙げられます。

TSMCは22nm eRRAMを製造する技術を持っていることも発表した。 3D XPoint テクノロジーの主なメーカーは Intel と Micron です。多層回路で構成された3次元構造を採用し、ゲート状の配線抵抗器を使用して0と1を表します。原理はRRAMに似ています。

これはストレージ デバイスの優れた代替品であり、NAND フラッシュ メモリよりも約 1,000 倍高速であり、コンピューティング速度要件が低いコンピューティング アプリケーションにも使用できます。

STT-MRAM は、量子力学の電子スピン角運動量を利用した技術応用です。 DRAM および SRAM の高性能と低消費電力を備え、既存の CMOS 製造技術およびプロセスと互換性があります。

現在関与している主なメーカーは、IBM、サムスン、SK Hynix、東芝です。 IBMとサムスンは、10ナノ秒の伝送速度と超省電力アーキテクチャの実現に成功したとする研究論文をIEEEに発表した。

次世代のストレージは、将来的には DRAM および NAND フラッシュ ストレージ市場の一部を置き換え、さらには古いテクノロジーを置き換えることが期待されています。しかし、人工知能やIoTデバイスの出現、データ収集やセンシングのニーズの高まりに伴い、次世代のストレージ技術はまずTSMCの組み込みストレージなどの新しいアプリケーションのニーズに焦点を当て、コンピューティングとストレージの2in1の利点を十分に発揮し、サイズをさらに小型化し、コンポーネントの市場浸透率を高めることになると私は信じています。

しかし、メーカーの動向から判断すると、22nm eMRAM 技術は 2018 年以降徐々に成熟し、多数の市場での応用が開始されるでしょう。