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【VLSI】性能11倍、電力93％減、寿命7倍のハイブリッドSSD技術を中央大学の竹内教授らが開発
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ReRAMとNANDフラッシュ・メモリを組み合わせたハイブリッドSSDによって、データの断片化を抑制
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性能11倍、電力93％減、寿命7倍を実現
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今回の用途ではReRAMへの技術要求がそれほど厳しくない
中央大学 理工学部 電気電子情報通信工学科 教授の竹内健氏らの研究グループは、高速な書き換えが
可能なReRAM（抵抗変化型メモリ）と大容量のNANDフラッシュ・メモリを組み合わせたハイブリッド構造のSSD
アーキテクチャを開発した。NANDフラッシュ・メモリのみを用いた従来のSSDに比べて、書き込み性能を11倍、
消費電力を93％減、書き換え寿命を6.9倍にできるという。2012年6月13～15日に米国ハワイで開催される
「2012 Symposium on VLSI Circuits」で発表する［講演番号：C-16.3］。
NANDフラッシュ・メモリは、データを書き込む単位（ページ）が例えば16Kバイトと大きいほか、同じページにデータ
を上書きできないという特徴がある。このため、512バイト（1セクタ）といった小さなデータを上書きするランダム・アク
セスでは、16Kバイト分のデータを別の領域に書き込んだ上で、元々のデータ領域を後で一括消去する必要が
ある。金融機関のサーバーなどにSSDを用いる場合、こうしたランダム・アクセスが支配的であるため、書き込み
性能の低下や消費電力の増大が生じてしまう。
これに対し、今回は例えば256GバイトのNANDフラッシュ・メモリに対し、8GビットほどのReRAMをキャッシュ兼
ストレージとして用いるハイブリッド構造のSSDを提案した。ReRAMは高速のランダム・アクセスが可能なため、
小さなデータを書き換える際にReRAMを利用することで、SSDの高性能化、低消費電力化だけではなく、
寿命も大幅に改善できた。
具体的には、次のような三つのアルゴリズムでデータの書き込みを制御する。（1）AF（anti-fragment）アルゴ
リズムでは、セクタ単位の小さなデータをReRAM上に書き込み、ほぼ1ページ分のデータが揃ったらNAND
フラッシュ・メモリに書き込む。こうすることで、NANDフラッシュへの不用意なランダム・アクセスを抑制する。ただし、
ReRAMのリソース（容量）には制限があるため、ReRAMの空き容量に応じて、データが1ページ分揃わなくても
（例えばページ使用率が60％程度であっても）NANDフラッシュに書き込むように制御する。
（2）RAAF（reconsider as a fragmentation）アルゴリズムでは、データが揃って一度NANDフラッシュ・メモリに
書き込んだ後、そこに小さなデータを上書きする場合には、再びReRAMに書き戻すようにする。これによって、
NANDフラッシュ上で再びデータが断片化するのを防ぐ。
（3）MRU（most recently used table）アルゴリズムでは、頻繁にアクセスするホット・データをReRAMに格納
する。ホストから送られてくる書き込み用アドレスの履歴を最新の一定量だけ記憶しておき、そのアドレスの
データはReRAMに書き込むように制御する。これは、頻繁にアクセスするデータのアドレスは最新の履歴内に
あるだろうとの予測に基づく。
上記の制御を行うコントローラの動作モデルを作成し、エミュレータ上で動作させた結果、SSDの書き込み
性能を11倍、消費電力を93％減、書き換え寿命を6.9倍に改善できることを確認した。なお、コントローラ、
ReRAM、NANDフラッシュ・メモリはそれぞれTSV（Si貫通ビア）で3次元接続されたものと仮定しているが、T
SVを用いなくてもほぼ同等の効果が得られるという。また、今回は入力データとしてランダム・アクセスが支配
的な金融サーバーのアクセス・データを用いた。別の用途では、アルゴリズムも変える必要があるという。
今回明らかになった改善効果のうち、特にインパクトの大きいのが、NANDフラッシュの書き換え寿命を約
7倍に改善できる点である。データ・センターなどではSSDの交換が必要となるが、寿命を7倍に伸ばすことが
できれば、実効的なコストを1/7にできる。現状ではコストの高いReRAMを使用したとしても、「十分ペイできる」
（竹内氏）とする。
>>2あたりに続く
木村 雅秀/日経エレクトロニクス 2012/06/12 00:00
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