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組込システムにもNANDの時代が本格到来! NORのスケーリング限界を突破するオクタルNANDフラッシュ

スマートフォンや家電製品、車載エンターテイメントシステムなど、スマートエレクトロニクスの機能性に対する消費者の需要は尽きません。そのため、これまでも、そしてこれからも、設計者にとってストレージデバイスの選択は非常に重要です。これらのシステムは過去10年間で大変複雑化しており、設計者は次世代の革新的な機能や特長を提供するコードを格納するため、より高容量かつ高速の不揮発メモリを必要としています。しかし一方で、コストを上げずに、高容量化を実現することが課題となります。消費者はより多くの機能や特長を求めますが、そのためにより多くのお金を払うことは望みません。つまり、不揮発メモリのメーカーは、自社とユーザーの双方がコストを大幅に増加させることなく、高容量化と高速化を実現し、消費者により良いユーザーエクスペリエンスを提供できるようになることが課題となっています。

 

組込みシステム向けフラッシュメモリの市場とアプリケーション

現在、すべての電子システムには何らかのフラッシュメモリが使用されており、革新的なアプリケーションの出現により、より高性能な製品への需要が飛躍的に高まっています。特に、以下の市場やアプリケーションでは、急速に高度化が進んでおり、より高速な読出し/プログラム/消去動作、およびインスタント起動に対応できる、最新の高機能メモリサブシステムが必要となります。

 

 

車載分野では、フラッシュメモリを選択する際にスループットが非常に重要になります。デジタルディスプレイに搭載されるインスツルメントクラスターは、ドライバーが常に総合的かつ確実に情報を得られるように設計されています。これらのディスプレイには、瞬時に電源が入り、2D/3D画像を迅速かつ正確に表示することが求められます。今日、インスツルメントクラスター用にはシリアルNORフラッシュ(Octal SPIまたはQuad SPI)もしくはシリアルNORフラッシュとeMMCの併用が一般的です。しかし、こうした機能や特長はますます高度化しており、コードサイズの増加によって、より高容量が必要となり、コストも増加しています。

また、コードサイズが大きくなっても、起動時間は従来と同じか、それ以上短くする必要があります。これは車載市場において、ユーザーがボタンを押したときに複数の画面を瞬時に表示する必要があるプッシュボタンのような機能において、非常に重要となります。

コードの更新を目的とするOTAアプリケーションは、柔軟性があり使い勝手がよいため、電気自動車や多くのコンシューマー機器において利用されています。これらのデバイスはすべてモバイルであり、重要なアップデートを簡単かつ効率的に受け取ることが必要です。そのため、素早い消去/プログラムが求められ、その速度が重要な要件となります。

他にも、高速動作を必要とするアプリケーションとして、AIや顔認識などがあります。AIアプリケーションは一般的に、さまざまなトレーニングモデルを実行して決定を下し、エンドデバイスに何をすべきかを指示する必要があります。そのためには、トレーニングモデルをシステム内部に保存する必要があり、多くの場合、これらは処理を要するとても大きなモデルです。特に自動運転の場合、極めて短時間(ミリ秒単位)で判断することが求められ、これらのモデルは非常に高いスループットのフラッシュメモリからRAMにロードされる必要があるほか、歩行者や自動車の回避など、正確な判断が要求されます。ここでは、データスループットが絶対的に重要となり、しかも瞬時でなければなりません。

 

フラッシュメモリ: 限界を迎えるNOR型とさらに進化中のNAND型

現在、多くのシステムに使用されているNORフラッシュは、車載用や産業用などの一部アプリケーションにおいて、コスト効率が限界に達しつつあります。車載用グラフィックスディスプレイや先進運転支援システム(ADAS)などのアプリケーションでは、コードサイズが512Mビットよりも大きくなることが多々あります。しかし、512Mビットを超える容量になると、NORフラッシュはスケーリングが難しくなり、ダイサイズやコストが過大になってしまいます。一方、NANDフラッシュは、1Gビット以上の容量帯においてスケーラビリティが高く、コスト的にも魅力的です。ただし、従来のNANDフラッシュは、コードをRAMにシャドウイングするなどの動作において、読出し速度が充分ではありませんでした。

一部のベンダーは、NORフラッシュに8つのI/Oを備えたオクタルインターフェイスを導入することで、この問題を解決しようとしています。しかし、NORフラッシュのコストが非常に高いため、このソリューションのコストも高くなってしまいます。一方、NANDフラッシュのインターフェイスをオクタルにすることで、コスト構造の改善とスループットの向上を両立さることが可能になります。ウィンボンドのOctalNANDは、一般的なQspiNANDよりもはるかに高いスループットと、NORよりもはるかに高いプログラム/消去速度を備えています(図1参照)。また、NANDのダイサイズはNORよりもはるかに小さいため、コストも大幅に削減できます。例えば、1GビットのオクタルインターフェイスNORフラッシュの価格は、1GビットのオクタルインターフェイスNANDフラッシュの2倍です。

NORと比較した際のNANDのもう1つの利点は、プログラム速度です。NANDはNORに比べてプログラム時間が短く、車載向けOTAのように、システム内のコードやファームウェアを短時間でプログラムする必要があるアプリケーションでは、これが非常に重要となります。

図1:フラッシュメモリ容量と最大読出し速度(画像クレジット:ウィンボンド)

 

オクタルNANDフラッシュの市場機会

容量、性能、コスト間のトレードオフを解消するソリューションには、大きな市場があることは明らかです。IDCによると、2024年には自動運転Level1/Level2の自動車が5,000万台になると予想されています。EV車のCAGRは約18%であり、どれもシステムを有効にするためのブートアップシーケンスが必要となるため、フラッシュメモリに対する膨大な需要が発生することになります。当然、起動以外にも、システムごとに他の機能をロードすることも必要です。

また、ゲーム市場も大きな機会です。2020年のゲーム機の総出荷台数は約4,780万台となっています。より良いゲーム体験のためには、ファームウェアの更新速度が重要であり、これにはメモリサブシステムの性能とスループットが必要となります。

車載、AI、家電、産業機器メーカーは、512Mビット以上の容量でスケーリングが難しいNORフラッシュに多額の費用をかけず、オクタルインターフェイスが搭載されたNANDフラッシュメモリを活用することで、高容量のコードストレージを実現し、市場の成長機会を活かすことができます。

ウィンボンドのOctalNANDフラッシュに関する詳細な技術情報と、さまざまな産業における容量とコストの問題解決については、ウェブページをご覧ください。

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