大容量（5TB）・広帯域（64GB／s）のフラッシュメモリモジュールの試作に成功しました

NEDO
―エッジでの高度なAI処理を実現し、産業のスマート化に貢献―

　NEDOの委託事業である「ポスト5Ｇ情報通信システム基盤強化研究開発事業」（以下、本事業）において、キオクシア株式会社は、大規模な人工知能（AI）モデルに必要な大容量・広帯域のフラッシュメモリモジュール（以下、本メモリモジュール）の試作に成功しました。本メモリモジュールでは、5テラバイト（TB）の大容量、１秒あたり64ギガバイト（GB／s）の広帯域を実現しました。
　本事業では、従来のDRAMを用いたメモリモジュールの課題であった容量と帯域のトレードオフを解消するために、フラッシュメモリをデイジーチェーン接続する新しいモジュール構成を提案するとともに、その実現に必要な毎秒128ギガビット（Gbps）高速通信技術とフラッシュメモリの性能改善技術を開発し、メモリコントローラおよびメモリモジュールに適用しました。
　本メモリモジュールの実用化は、ポスト5G／6GのMEC（モバイルエッジコンピューティング）サーバーなどでのIoT・ビッグデータ解析や高度なAI処理を実現し、産業のスマート化（DX）への貢献が期待されます。


図1　フラッシュメモリモジュールと活用のイメージ


1．背景
　ポスト5G／6Gでは、無線ネットワークの高速化・低遅延化・多数同時接続がさらに進む一方で、データを遠方のクラウドサーバーに送信して処理すると、有線を含むネットワーク全体の遅延が大きくなり、リアルタイムでの応用が困難になります。このため、ユーザーに近いエリアでデータを処理するMECサーバーの普及が求められており、MECサーバーの活用による各種産業のDXが期待されています。　さらに、近年は生成AIなどの高度なAI活用のニーズが高まっており、MECサーバーの性能向上と併せて、メモリモジュールにも一層の大容量化と広帯域化が求められています。
　このような背景を踏まえ、NEDOが実施する本事業※1において、キオクシアはフラッシュメモリを用いてメモリモジュールの大容量化と広帯域化に取り組み、容量5TB・帯域64GB／sの本メモリモジュールの試作に成功し、動作の実証を行いました。

2．今回の成果
（1）デイジーチェーン接続の採用
　メモリモジュールの大容量化と広帯域化を両立するために、複数のフラッシュメモリをバス接続する代わりに、コントローラを介して数珠つなぎするデイジーチェーン接続(図2)を採用しました。これにより、フラッシュメモリの数を増やしても帯域が劣化せず、従来の限界を超えた大容量化を実現しました。


図2　デイジーチェーン接続


（2）128Gbps でのPAM4※2高速・低電力通信技術の開発
　メモリコントローラ間のデイジーチェーン接続には、配線数を抑制するために、パラレル接続ではなく、差動信号を用いた高速シリアル通信を適用し、さらに広帯域化するために、多値変調方式PAM4を採用することで、メモリコントローラ間の128Gbpsでの高速通信を低電力で実現しました（図3）。


図3　128GbpsでのPAM4高速・低電力通信の実測結果（受信再生波形）


（3）フラッシュメモリ性能改善技術の開発
　メモリモジュールに搭載するフラッシュメモリの読み出し遅延を改善するため、連続アクセス時にデータを事前に読み出すことで遅延時間を最小限に抑えるフラッシュプリフェッチ技術を開発し、コントローラに実装しました。また、メモリコントローラとフラッシュメモリ間のインターフェースに信号低振幅化とゆがみ補正・抑制技術を適用することで、帯域を4.0Gbpsに高速化しました。

（4）メモリコントローラおよびメモリモジュールの試作
　128GbpsでのPAM4高速・低電力通信技術とフラッシュメモリ性能改善技術を適用し、サーバーとのホストインターフェースにPCIe(R)6.0※3（64Gbps、8レーン）を採用したメモリコントローラおよびメモリモジュールを試作し、容量5TB・帯域64GB／sのメモリモジュールを40ワット（W）以下で実現できることを実証しました。

3．今後の予定
　キオクシアは、本研究成果の社会実装に向けて、エッジでのIoT・ビッグデータ解析や高度なAI処理に加え、生成AIなど新たな市場トレンドを捉えて、早期の実用化・事業化を推進します。
NEDOは、今後もポスト5Gに対応した情報通信システムの中核となる技術を開発することで、日本のポスト5G情報通信システムの開発および製造基盤の強化を目指します。

【注釈】
※1　本事業
事業名：ポスト5G情報通信システム基盤強化研究開発事業／ポスト5Ｇ情報通信システムの開発／広帯域大容量フラッシュメモリモジュールの研究開発（委託）
事業期間：2021年度～2024年度
事業概要：ポスト5G情報通信システム基盤強化研究開発事業
（https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100172.html）
※2　PAM 4
4-level Pulse Amplitude Modulationの略。電気信号の電圧レベルを0と1の2値（1ビット）とする従来の通信方式に対して、電圧レベルを4値（2ビット）とする通信方式です。従来比2倍の通信容量が実現できるため、50Gbpsを超えるシリアル通信に採用されています。
※3　PCIe(R)6.0
PCIeは、PCI-SIGの登録商標です。