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日本HDD協会2008年4月セミナーレポート
〜HDD対SSD、その行方を議論

公演前のスライド

4月18日午後 開催

会場:発明会館ホール(東京都港区)



 ハードディスク装置(HDD:Hard Disk Drive)関連の業界団体である日本HDD協会(IDEMA JAPAN)は4月18日に、「競合と併存:HDDvsフラッシュメモリ」と題するセミナーを開催した。同協会は四半期ごとに「クォータリーセミナー」と称するセミナーを主催している。その一環である。

 デジタルカメラ用メモリカードや携帯電話機用メモリカード、PC用USBメモリなど、NANDフラッシュメモリを使った外部記憶装置の市場が急速に拡大している。最近ではノートPCでHDDの替わりに、NANDフラッシュメモリで構成した外部記憶装置「SSD(Solid State Drive)」を搭載する機種が増え始めた。NANDフラッシュメモリに対する関心は高い。記憶容量の拡大と容量当たりのコスト低減を続けているからだ。セミナー会場は300名を収容できるのだが、セミナー当日はほぼ満員であり、日本HDD協会が開催している「クォータリーセミナー」の参加登録者数では、過去最高を記録した。参加者の顔ぶれをざっと拝見したところでは、HDDおよびHDD製造装置とHDD部材のベンダーが大半を占めていた。

 今回のセミナーでは、NANDフラッシュメモリベンダー、HDDベンダー、SSDベンダー、PCベンダーの代表がそれぞれの立場から自らの動向と見通しを披露した。異なる立場からの意見をまとめて聴講できる点が、非常に珍しい。

 ただし、セミナーの講演内容は報道関係者を含めて撮影と録音が禁止されており、講演者の撮影のみが報道機関に許可された。レポートに掲載した画像は、講演者のご厚意によって掲載の許可を得たものである。

 セミナー講演は下記の順番で実施された。

  1. NANDフラッシュメモリベンダー代表:東芝 セミコンダクター社
  2. HDDベンダー代表:日立グローバルストレージテクノロジーズ
  3. SSDベンダー代表:STEC
  4. PCベンダー代表:NECパーソナルプロダクツ

●東芝はNANDフラッシュとSSDの優位性をアピール

東芝 セミコンダクター社 社長の齋藤昇三氏

 最初に講演したのは、東芝の執行役上席常務兼セミコンダクター社社長の齋藤昇三氏である。講演題目は「東芝SSDの製品展開と市場性」。東芝の半導体トップ自らが、NANDフラッシュメモリとSSDの特徴をHDD業界関係者にアピールする図式となった。

 ご存知の方も少なくないと思うが、東芝はフラッシュメモリカードの大手ベンダー米SanDiskと共同で、大容量NANDフラッシュメモリを精力的に開発している。この2月には国際学会ISSCCで、3種類もの16Gbit(2GB)のNANDフラッシュメモリを発表したほどだ。また2007年12月には128GBのSSDを製品発表するなど、SSDの開発にも力を入れている。

 講演では半導体事業の3本柱をメモリ、システムLSI、ディスクリート(個別半導体)に据え、メモリ事業はNANDフラッシュ製造技術の微細化を積極的に進めていくことと、NANDフラッシュの多値メモリセル技術を開発していくことを示していた。具体的には2月にISSCCで発表した3bit/セル方式16Gbitチップの量産を3月に始めたほか、4bit/セル技術の確立を進めるとした。

 メモリ事業の製品分野は大きく分けるとストレージ(外部記憶)のメモリカード、デジタル民生の機器内蔵メモリ、RAMチップとのマルチチップパッケージ(携帯電話機向け)の3分野があり、今後はストレージにSSDが加わることで市場規模の急激な拡大が見込めると説明していた。具体例として2006年〜2011年のNANDフラッシュメモリ市場の推移を示し、bit換算で年率133%(1年で2.33倍に相当)と急速に市場が伸びていくと主張。そしてノートPC向けのSSD市場は、2008年〜2011年に年率313%(1年で4.13倍に相当)とさらに急激に伸びるとした。

 ノートPCのSSD搭載比率は2010年に10%、2011年に25%に伸びるとの予測を披露した。かなり強気の予測である。2008年現在のノートPCのSSD搭載比率は1%未満と推定されるので、同社の主張を信じるならば、ノートPCでは物凄い勢いでHDDからSSDへの置き換えが進むことになる。

 現在のSSDは書き換え速度、消費電力、重量、耐衝撃性でHDDに比べて優位だとする。どのくらいの優位さかというと、東芝製SSDの場合でHDDに比べて、書き換え速度は具体的な数値が挙がらなかったものの、消費電力はアクセス時に3分の1、アイドル時に6分の1、重量は3分の1、耐衝撃性は3倍と述べていた。

 またWindows Vista搭載のノートPCを使って起動時間とシャットダウン時間の違いを実演してみせた。起動時間はHDD搭載機が約1分30秒、SSD搭載機が約25秒、シャットダウン時間はHDD搭載機が約30秒、SSD搭載機が約5秒だった。

 なおSSDとHDDの性能比較については笠原氏のベンチマークレポート本田氏の操作感レポートが大変参考になるので、一読をお薦めする。

 SSDの弱点は、HDDに比べて記憶容量当たりの単価(GB単価)が高いことだと説明していた。具体的には2008年第1四半期の段階で1.8インチHDDの約2.9倍、2.5インチHDDの約6.4倍と述べていた。現在のノートPC用SSDのほとんどはSLC(シングルレベルセル:1個のメモリセルに1bitを記憶するセル)タイプのNANDフラッシュメモリを内蔵している。これをMLC(マルチレベルセル:1個のメモリセルに2bit以上を記憶するセル)タイプに換えてGB単価を下げていく必要があるとした。例えば東芝が2007年12月に発表した128GB SSDは、MLC(2bit/セル)タイプのNANDフラッシュメモリを内蔵している。

 今後は、年率40〜50%の速度でGB単価を下げるとともに、SSDの大容量化を進める。2008年現在、NANDフラッシュメモリは主に56nm技術で量産している。2008年には43nm技術によるNANDフラッシュの量産を始めた。このチップで256GBの大容量SSDを製品化する。2009年には30〜39nm技術(3Xnm技術)によるNANDフラッシュの量産を開始する予定である。このチップで512GBの大容量SSDを製品化する。SSDのGB単価がHDDの2倍程度になれば、PCでの置き換えが進むと東芝は期待する。2010年には、GB単価の違いが2倍程度になると見込んでいる。

 またMLCタイプのNANDフラッシュメモリは書き換え寿命が1万回以下に減ることに対しては、書き換え手法の工夫によって5年間の使用に耐える信頼性を確保したと説明していた。独自のコントローラLSIを開発し、フラッシュメモリセルへの書き換え回数を少なくするアルゴリズムを組み込んだ。コントローラLSIはNANDフラッシュインターフェイスとホストインターフェイス(SATA II)を備えており、読み書きするデータは外付けのキャッシュDRAMに一時的に保存しておく。

 コントローラLSIのNANDフラッシュインターフェイスは、4個のNANDフラッシュメモリが並列に接続する構成である。4個並列なのは、書き込みと読み出しの転送速度を確保するためだろう。ただしNANDフラッシュメモリはセクタの大きさが4KBとHDDの512Bに比べて大きく、4個並列だと4KB×4チップで16KBとさらに大きくなってしまう。512Bのデータを書き込もうとすると、本来は書き込む必要のないメモリセルまで書き込みが必要になってしまう。これではメモリセルの書き換え回数がいたずらに増えてしまい、書き換え寿命確保の点では好ましくない。そこで東芝のSSDでは、キャッシュDRAMにデータを集めてから書き込むことで、NANDフラッシュメモリへの書き換え回数を少なく抑えている。

 このほか、デフラグおよびハイバネーションを実行しない、ウェアレベリングによる特定メモリセルへの集中書き換え回避、といった対策によってNANDフラッシュメモリの寿命が尽きないようにしていると説明していた。

 そして5年間使用しても、NANDフラッシュメモリの書き換え寿命が数千回あれば実用的には十分であることを示した。PCのヘビーユーザーを例に、毎日、4TBのデータを利用する場合に、64GBのSSDだと5年間のNANDフラッシュへの書き換え回数は合計で265回になるので、十分な信頼性があると主張した。この主張はやや分かりにくかった。単純に4TB(4,096GB)を毎日書き込むのであれば、1日の書き込み回数は64回、1年の書き込み回数は23,360回、5年間の書き込み回数は116,800回になってしまう。言い換えると、1日に10GBくらいの書き込みでなければ、5年で300回弱の書き込みにならない。講演では、このような具体的な説明が省かれていたように思える。

●HDDの記憶容量拡大、3.5インチで100TBへ

日立グローバルストレージテクノロジーズの出来浩(でき・ひろし)氏

 続いて日立グローバルストレージテクノロジーズ C&C HDDビジネスグループ 製品企画部 部長の出来浩氏が、「HDDメーカーが考える「HDDの世界」」と題して講演した。

 HDDの記録密度は、とどまるところを知らないかのように伸び続けている。面記録密度(1平方インチ当たりの記録密度、最近はGbit/平方インチで表現することが多い)は'90年代前半に1年当たり60%増(年率60%)で伸び、2000年前後には年率90%とさらに勢いを増した。その後は年率25%を勢いを減じたものの、2006年に垂直磁気記録方式のHDDが登場したことによって、再び大容量化が勢いづいてきた。2008年現在は面記録密度で約200Gbit/平方インチに達しており、2.5インチHDDは320GB〜500GB、3.5インチHDDは1TBの最大記憶容量を有するようになったと述べていた。

 そして人間社会が記憶しておくべき情報量は、恐ろしい勢いで増え続けていることを指摘した。HDDの記憶容量の増加ペースよりも、人間社会が記憶しておくべき情報量の増加ペースの方が速い。かつては人間社会が利用できる記憶媒体の容量が、記憶しておくべき情報量を上回っていたものの、2006年〜2007年に逆転が生じた。2006年に人間社会が記憶すべき情報量の総量は180EB(エキサバイト:1エキサバイトは1,000PB(ペタバイト)または100万TB)で記憶媒体の総容量とほぼ同じだった。それが2011年までの5年間で人間社会が記憶しておくべき情報量は10倍に増え、1,800EBに達するという。これに対して利用できる記憶媒体の総容量は2010年に1,000EBになるので、現状ではHDDをいくら増産しても余るどころか、社会全体では不足すると説明していた。

ハードディスク装置(HDD)の面記録密度の推移 磁気記録技術と面記録密度の今後の展望

 HDDの記憶容量拡大は、今後しばらくは垂直磁気記録技術が牽引する見通しである。現在の5倍の面記録密度、1Tbit/平方インチを達成すると期待される。2.5インチHDDで1.5TB〜2.5TB、3.5インチHDDで5TBを実装するようになる。その後はパターンメディア技術を実用化し、さらには熱アシスト記録技術を実用化することで2.5インチHDDで30TB〜50TB、3.5インチHDDで100TBを達成するところまでが視野に入っている。もちろん課題は数多くあるものの、技術的に可能な範囲である。

 当然ながらGB単価も急速な勢いで下がっていくと予想される。現在のHDDのGB単価は、ハイエンドのエンタープライズ用HDDが約200円/GB、SATAインターフェイスのPC用HDDが約25円/GBと当たり前だが過去最低水準である。NANDフラッシュメモリを内蔵したSSDは記憶容量に柔軟性があるので、HDDにとって低い記憶容量の媒体はSSDに置き換わっていくと質疑応答では述べていた。言い換えれば、大容量領域におけるHDDの優位性は変わらないということだろう。

パターンメディア技術の概要 熱アシスト記録技術の概要

●SSDを高速入出力の外部記憶に利用

STECジャパン G.K.の岡本伸顕氏

 STECはフラッシュメモリを利用した外部記憶装置(メモリカードやSSDなど)のベンダーである。本社所在地は米国カリフォルニア州サンタアナ。その日本法人STECジャパン G.K.のディレクターを務める岡本伸顕氏が「Flash SSD Marketing」と題して講演した。

 岡本氏は始めに、フラッシュメモリを使用した外部記憶装置(CFやSDカード、USBメモリ、SSDなど)が民生機器、産業機器、コンピュータ、通信・ネットワークなどのさまざまな分野で利用されていることを示した。市場規模では産業機器を中心とする組み込み用途が30%と最も大きく、PCが24%でこれに次ぐ。

 STECは、SSDの主な用途をノートPCのHDD代替には置いていない。ノートPC用途では価格競争に陥りがちなことを嫌った。狙うのは、高速性と高信頼性を要求するエンタープライズ用途である。HDD代替ではない。主記憶であるDRAMと、外部記憶であるHDDの間に位置する記憶媒体を想定した。主記憶と外部記憶の間を高い頻度でやりとりするデータをSSDに格納する。1秒間当たりの入出力数(IOPS:Input Output Per Second)が多い、命令やインデックスなどのデータである。

 具体的にはエンタープライズ用HDDが150〜200IOPSであるのに対し、エンタープライズ用SSDでは52,000IOPSと2桁も高いと説明した。HDDのアクセス時間が7msあるのに対し、SSDのアクセス時間が0.02msと非常に短いことが、高いIOPSに大きく寄与している。

 消費電力の点でもSSDが圧倒的に有利だという。例えば5万IOPSをHDDで実現するには、数多くのHDDを並列に動作させなければならない。このため消費電力は放熱用電力を除いても約5kWに達してしまう。一方、SSDの消費電力はわずか16〜20Wくらいにとどまる。

 書き換え寿命は問題ないとする。STECのSSDは200万回の書き換え寿命を実現した。SLCタイプのNANDフラッシュメモリを使い、誤り訂正符号(ECC)とコントローラのファームウェアによって長い書き換え寿命を達成したとする。

 最大の弱点は高価格だが、時間の経過とともにSSDの適用範囲は広がっていく。講演では、エンタープライズ用SSDの価格は25,000円(250ドル)が上限だと述べていた。2006年の時点では、4.5GBの容量がこの価格で実現できる最大容量だった。それが2008年には、25,000円で実現できる最大容量が16GBと大幅に増えた。NANDフラッシュメモリのGB単価が年率40〜50%のペースで下がっているためである。

フラッシュメモリを使用した外部記憶装置の応用分野別市場 HDDとSSDのアクセス時間の比較 ノートPCの出荷台数とノートPC用SSDの出荷台数予測。講演の主題はエンタープライズ用だったが、ノートPC用SSDの数値も講演には登場した。2011年にSSD搭載機の割合は2010年に4.6%、2011年に9.4%で、東芝の予測よりはずっと控えめである

●SSDはノートPCの主記憶にも期待

NECパーソナルプロダクツの鈴木康弘氏

 HDDおよびSSDのユーザーの立場からは、PCベンダーを代表してNECパーソナルプロダクツ 資材部キーパーツ技術・品質Gの鈴木康弘氏が、「PC動向とHDD、フラッシュメモリへの期待」と題して講演した。

 始めにNECのPC製品群を紹介した後、国内PCの四半期ごとのHDD容量推移を具体的なデータで示した。家庭用PC(NECの分類では「コンシューマPC」)とビジネス用PC(NECの分類では「コマーシャルPC」)ではHDDの容量トレンドに大きな違いがある。家庭用PCのHDD容量は拡大を続けているのに対し、ビジネス用PCはHDD容量をあまり増やしていない。

 家庭用ノートPCは2007年第2四半期以降に大半が120GB搭載機だったのが、2008年第1四半期になると120GB機と160GB機がおよそ半分ずつを占めるようになった。2008年第2四半期には、全体の7割を160GB機が占めるようになる。家庭用デスクトップPCは2007年第2〜第4四半期には320GB機、500GB機、2.5インチの120GB機(省スペース型のデスクトップPC用)がおおよそ3分の1ずつを占めていた。2008年に入ると2.5インチでは120GB機に換わって160GB機がほぼ3割を占めてくる。

 ビジネス用はノートPCとデスクトップPCともに、2007年第1四半期〜2008年第1四半期の間、8割近くを40GB機が占めていた。そして2008年第2四半期には80GB機への世代交代が起こる。40GB機はノートPCではほぼゼロ、デスクトップPCでは10%に減り、換わって80GB機の割合がほぼ80%となる。

 HDDの課題は静音性と動作時耐衝撃性、長期信頼性だと述べていた。これらの課題は従来からHDDに対して言われていることであり、特に目新しくはない。ただ講演ではHDD動作時の耐衝撃性が低いことによる障害が「あいかわらずなくならない」としており、PCベンダーが苦労している様子が窺えた。

 SSDに対する期待は、SSDの高速性を生かした用途とモバイル用途の2つの方向があるとした。高速性を生かした応用では、高性能ノートPCの主記憶に適用することをも視野に入れていると述べており、SSDに対する期待の大きさが分かる。ただし大容量化、書き換え回数の増加、さらなる高速化、さらなるコストダウンなど、課題は少なくない。モバイル用途ではSSDの搭載による利便性の向上に期待する。こちらも軽量化、低消費電力化、耐振動性と耐衝撃性の強化などの課題がある。

 SSDの書き換え寿命はそもそも、寿命の定義がSSDベンダーによって違うことが問題だと指摘していた。業界で共通の基準が必要だという。価格については、現状では高価すぎるとした、160GBの2.5インチHDDのGB単価が1ドル以下であるのに対し、SLCタイプのNANDフラッシュメモリを内蔵したSSDのGB単価は15ドルもしており、これではPCへの普及は難しい。MLCタイプのNANDフラッシュメモリを使うとGB単価が5ドルに下がるので、普及の可能性が出てくるとした。

 このほか興味深かったのは、特定の技術を投入して性能を向上させたとしても、30%くらいの性能向上がないとPCユーザーへの訴求力にはならないと質疑応答で述べていたことだ。例えばハイブリッドHDDは、通常のHDDと比べたときの性能向上が10%程度にとどまったこともあって、採用の拡大には至らなかったという。

□日本HDD協会(IDEMA JAPAN)のホームページ
http://www.idema.gr.jp/
□東芝のNANDフラッシュメモリに関するホームページ
http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/memory/selection/nand.html
□日立グローバルストレージテクノロジーズのホームページ
http://www.hitachigst.com/portal/site/jp/
□STECのホームページ
http://www.stec-inc.com/jp/
□NECパーソナルプロダクツのホームページ
http://www.necp.co.jp/
□関連記事
【2月7日】【ISSCC】米SanDiskと東芝、3種類の16Gbit NANDフラッシュメモリを共同開発
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2008/0207/isscc04.htm
【2007年12月12日】【本田】SSDの使い勝手
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2007/1212/mobile400.htm
【2007年12月10日】東芝、128GBの大容量SSDを製品化
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2007/1210/toshiba.htm
【2007年3月23日】【笠原】HDDとSSD、消費電力と性能の違いを調べる〜SSDの今と今後
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2007/0323/ubiq181.htm

(2008年4月23日)

[Reported by 福田昭]

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