アクセス時間は既存の3D NANDフラッシュの10分の1以下に 「XL-FLASH」は、96層の3D NAND技術をベースとする。開発したシリコンダイの記憶容量は128Gbitで、3D XPointメモリと同等、Z-NANDの2倍に相当する。 書き込みの遅延時間は75μs、読み出しの遅延時間は4μsと、3D NANDフラッシュとしては非常に短い。同じ96層の3D NAND技術とTLC(3bit/セル)方式を組み合わせた512Gbitのフラッシュメモリ(東芝メモリとWDが2018年2月のISSCCで共同発表したもの)は、書き込み遅延時間が平均で561μs、読み出し遅延時間が58μsであり、いずれも「XL-FLASH」の10倍以上と長い。 Samsungが開発した「Z-NAND」メモリは書き込み遅延時間が100μs、読み出し遅延時間が3μsだった。書き込み遅延時間は「XL-FLASH」メモリが0.75倍と短く、読み出し遅延時間は「XL-FLASH」が1.33倍と長い。

メモリセルアレイを16枚と数多くのプレーンに分割 講演では、過去に開発した96層の3D NAND技術とTLC(3bit/セル)方式を組み合わせた512Gbitのフラッシュメモリ(TLCメモリ)と、XL-FLASHメモリのシリコンダイ写真を比較してみせた。すでに述べたようにTLCメモリとXL-FLASHメモリでは、メモリセルアレイのレイアウトが大きく違う。 TLCメモリはメモリセルアレイを高い密度で詰め込むことを重視しているため、サブアレイの分割数が2枚(2プレーン)と少ない。プレーン数が少ないとワード線とビット線が長くなり、アクセスは遅くなる。これに対してXL-FLASHメモリではサブアレイの分割数が16枚(16プレーン)と多い。プレーン数が多いのでワード線とビット線は短くなり、アクセスは速くなる。 そしてTLCメモリはメモリセルに多値記憶の3bit/セル(TLC方式)を使っているのに対し、XL-FLASHメモリはメモリセルが1bit/セル(SLC方式)なので書き込みと読み出しがともに単純な回路で済む。このため、遅延時間が短い。 ただし当然ながら、XL-FLASHメモリの記憶密度(シリコン面積当たりの記憶容量)は低くなる。TLCメモリは512Gbitを86.13平方mmのシリコン面積で実現しているのに対し、XL-FLASHメモリはやや大きな96.34平方mmのシリコン面積であるにも関わらず、記憶容量は4分の1の128Gbitにとどまる。TLCからSLCへの変更であれば、単純には記憶容量の減少は3分の1で済むはずだ。しかし実際にはアクセスを高速化するレイアウトと回路により、記憶密度はさらに低くなっている。

SSDのIOPS向上の妨げとなるNANDフラッシュの長い遅延時間 XL-FLASHメモリが想定する用途は、超高速のSSDである。SSDの性能を測るおもな指標は2つ。スループットと入出力速度(IOPS : Input Output per Second)だ。既存の3D NANDフラッシュを使ったSSDは、スループットはかなり高いものの、IOPSはあまり高くない。読み書きするデータが小さいと、IOPSはきわめて低くなってしまう。 3D NANDフラッシュは、ランダム読み出しアクセスの遅延時間(「ランダム読み出し遅延時間(RRL : Random Read Latency)」が長い。このことがIOPSの向上を妨げている。SSDは高速化のためにバッファメモリ(おもにDRAM)を内蔵している。バッファメモリはスループットの向上と比較的大きなデータのIOPS向上には効果があるものの、細かなデータのランダムな読み書きが連続するような使い方では、ほとんど効力を発揮しない。

ワード線の遅延時間を20分の1に短縮 そこでXL-FLASHメモリでは、ランダム読み出し遅延時間(RRL)を短くするとともに、読み出しの遅延時間を延ばすいくつかの問題を回路の工夫で対処することで、ランダム読み出しの性能を向上させた。また書き込み動作でも、プログラムの回路を工夫することで書き込みの遅延時間を短くしている。 読み出し動作ではまず、メモリセルアレイを16枚のプレーンに分割することで、ワード線の遅延時間をおよそ20分の1と大幅に短縮した。さらに、サブアレイ(プレーン)の接地電位の変動に合わせて電源電位を変動させることで、安定な読み出し動作を確保した。また、ワード線とビット線の電位を温度補償する回路では温度データ(コード)を読み出しコマンドと並行して自動的に発行することで、温度データの発行を待つ時間を省いた。