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3.3V単一電源フラッシュメモリと フラッシュメモリ搭載カード
新しいライフスタイルとパラダイムシフトを牽引する半導体デバイス 3.3V単一電源フラッシュメモリと フラッシュメモリ搭載カード ANDTypeand DINORType F】ash Memoriesand FlashMemoryCard 武藤匡志* 7七(ねsム才+材ヱ≠/♂ 井上 〟か0ざ如九/)乙/ピ l 清* 3･3嘩一電源 ≡=こ=≦≡≡≡ 杢覇 賢パパlむ川い軒如臥じ ワーキングストレージ 回頭重要亘回 [垂垂聖車重] 大容量,低電圧 申容量.低電圧 高速ランダムアクセス 高速シリアルアクセス 512バイト単位での書き換え PC.移動体電話プログラム格納 携帯情報機器メインメモリ PCカード(ATA仕様) フラッシュPC力¶ド 高速シリコンディスク CPU DINOR型 8Mビットフラッシュメモリ l フラッシュ ディジタルスチルカメラ CPU AND型 1 64Mビットフラッシュメモリ コントローラ :了▼…▲:メインメモリ メインメモリ (DRAM) 注:略語説明 ファイルストレージ フラッシュ j(DRAM) DINOR(DivjdedBitL巾eNOR).PC(Person∂lComputer).CPU(CentraJProcessingUmt) ATA(Adv∂nCedTechno10〔;yAtt∂ChmentBus).DRAM(Dyn∂仙CRandomAccessMemory) 3.3V単一電源フラッシュメモリ ワーキングストレージ用に適したD【NOR型8Mビットフラッシュメモリとファイルストレージ用に適したAND型64Mビットフラッシュメモリ を製品化した｡ 最近,通信分野で高度情報化が急速に進展しているた フラッシュメモリは,その用途によりCPUの入出力バ め,通信･ネットワーク･情報処理機器などのインフラ スに直結して高速ランダムアクセスを必要とするプログ ストラクチャー市場が急成長の中核となっている｡フラ ラム格納に適したワーキングストレージと,ハードディ ッシュメモリは,ディジタルセルラ･セットトップボッ スクと同様にコントローラによって入出力バスを経由し クスを含めたネットワーク関連機器のプログラムメモ てDRAM上に高速シリアル転送して使用するファイル リ･データメモリとして使われている｡民年分野ではゲ､ ストレージに分化してきている｡ワーキングストレージ -ム,ナビゲーションシステム,ディジタル スチル カ として適している三菱電機株式会社のDINOR型メモリ メラなどのアプリケーションのプログラムメモリ,デー セル技術,およびファイルストレージとして適している タメモリが有望である｡ 日立製作所のAND型メモリセル技術によって幅広いユ このような状況の中で日立製作所は,1994年1月から 三菱電機株式会社とともにフラッシュメモリの共同開発 ーザーニーズにこたえることができるフラッシュメモリ を製品化した｡ を進めてきた｡ *‖､-J二製作仲､ド#体■ド業部 15 日立評論 752 Vo】.78No.11(1996-11) 2.2 1.はじめに フラッシュメモリへのニーズ 携帯機器を中心に川いられるワーキングストレージff￣I フラッシュメモリは電気的に書き換え吋能な不揮発性 のメモリは,電池寿命の改善のために低電圧イヒ･低消費 メモリであり,セルサイズをDRAMと同等以下にできる 電力化が強く要求される｡また,CPUの人汁りコバスに直 ため,種々のシステムのプログラムメモリ,データメモ 結してリアルタイムでデータ処理をする1¶途であるため, リとして過している｡このような状況からフラッシュメ 読み出し時の高速性が貸求されている｡特に,最近のシ モリ市場が最近急成長している｡ ステムの高性能化と低消皆電力化に伴って,サブ100nsの 高速動作と低屯圧軌作が要求されるようになってきている｡ R立製作所は,三菱電機株式会社(以下,三菱電機と言 ファイルストレージとしてのメモリは,フラッシュメ う｡)との共l司により,ワーキングストレージ什Jとして DINOR型メモリ素子を用いた8Mビットフラッシュ モリカードなどのコンパクトなメディアによって市場が メモリを,ファイルストレージ用としてAND型メモリ素 成長すると考える｡フラッシュカードの市場予測を図2 子を用いた64Mビットフラッシュメモリをそれぞれ開 に示す｡成長の期待されている分野はPC･PDA(Per- 発した｡また,この64Mビットフラッシュメモリを搭載 sonalDigitalAssistant)などの外部拡弓長メモリやディジ したPC-ATAカードを開発し,75Mバイトの人容量と タルスチルカメラなどである｡今後とも,フラッシュカ 一世代先の価格を実現した｡ ードにはより高集積なチップが使われ,カード容量が大 きくなると考える｡また,市場が大きくなるためには再 ここでは,共同開発した8MビットDINOR当竺,64Mビ 検性が保たれる必要があり,仕様の標準化が重要である｡ ットAND型フラッシュメモリの特徴と適用技術,および 特に,外部へのインタフェースの互挽性が重要である｡ 64Mビットフラッシュメモリを搭載したPC-ATAカー 動作電柱も,PCなどの5Vの環境と携帯機器の3.3Vの ドの主な特徴について述べる｡ 環境を意識せずにデータのやり取りができることが望ま 2.フラッシュメモリの成長性 れる｡ 三菱電機のDINOR型メモリセル技術は低副仁動作･ 2.1フラッシュメモリの分野別市場規模 高速ランダムアクセスを特長とし,ワーキングメモリと フラッシュメモリの分野別売上高推移予測を図lに して過している｡目立製作所のAND型メモリセル技術は 示す｡ 低電圧軌作･高集積･高速シリアルアクセスを特長と 1995年から1998年にかけてのフラッシュメモリ全体の し,ファイルメモリとして通している｡ 年平均市場成長率は160%にも上る｡その中でも通信分 野･民生分野が著しく成長している｡ 〔0∩)∩) 0 その他 ∩〕 その他 ∩〕 0 4 ∩〕 3年間で4倍 600億円 ヲ 産業･ 0 通信 2 ∩)∩〕 7 5 (巴胆思町)世繋野忙 (巴準塩町)瞥喋野忙 6 5 民生 産業 ∩〕 通信 25 PC PC ー94 ■95 196 ■97 '98 ■94 ■99 '95 通信･民生分野が急速成長を牽(けん)引し,3年間で成長率は4 倍と予測されている｡ 16 (】U .〇〕 出典:lNSTAT(1996-4) 出典:lNSTAT(1996-1) フラッシュメモリの分野別市場規模予測 97 西暦年 西暦年 図1 r96 図2 フラッシュカードの市場規模予測 PC分野が急速成長を牽引し,3年間で成長率は3.5倍と予測され ている｡ TG〕 9 3.3V単一電源フラッシュメモリとフラッシュメモリ搭載カード 753 3.フラッシュメモリの開発 〇一 (<ロ出耶⊥ナu)照肘ヒ裔 3.1要求仕様 フラッシュメモリに対する要求仕様を図3に示す｡低 副j三,低消費電流,高速ランダムアクセスを要求される ワーキングストレージ川に対応するためには,軌作電拝 3.3V単一一一およびアクセス時間サブ100nsを実ち=_た8 ノL ホットエレクトロン 害込み ∩〕一 4 ∩〕一 6 ∩) 日 外部から高電源 動作可能 供給が必要 FNトンネル電流 書込み ∩) ∩)一 1 消去 消去 Mビット,16Mビットフラッシュメモリが必要である｡ ∩)一 11 2 また,大木呆,高速書き換え,高速データ転送が要求さ NOR型 AND･D】NOR型 (3.3V単一) れるファイルストレージ別には,書込み･消去時間が高 注:略語説明[N(Fow】er-Nordheim) 速で,シリアルアクセス時間50nsを実現した大容量のフ 図4 ラッシュメモリが必要である｡ 3.2 内蔵電源で フラッシュメモリの動作電流比較 AND･DINOR型とNOR型メモリ素子との動作電流の比較を示す+. トンネル現象のためすべて低動作電流で低電圧動作に有利である｡ 適用技術 開発した8Mビットと64Mビットフラッシュメモリ には,低消■掛電流動作のために,書込み･消去ともに動 能となる｡ 作電流が垢理的に数ナノアンペア以Fであるトンネル現 8Mビットフラッシュメモリでは,ポリシリコンを叩 象を川いた書込み･消去技術を適用している(図4参川号)｡ また,低電柱軌作のためには読みJllL時のワード線(メ いたサブビット線を設けることにより,ビット紡との低谷 端化とメモリ素了▲の鮨′+､を凶ったDINOR型のメモリ嘉 モリゲート)電圧を低電拝化する必要がある｡このため 子およびメモリアレーを採川して,ランダムアクセスの に,tdiラメモリとも低電圧側のメモリ素子のしきい竜庄 高速化と高集積化に対応している(図6参照)｡ビット繰 "vth''のばらつきの低減を図っている(図5参照)｡書込 容韻は従来のNOR巧_りの20%程度まで低減でき,ランダム み状態のVthを低電圧側に定義Lて,メモリ素子に最適 アクセスは80ns以￣卜が実現可能である｡ な時間の書込みパルスを与えることとデバイス構造の最 64Mビット フラッシュ メモリは,書き扱えを頻繁に 適化により,メモリセルのVthを狭い範岡内(0.5V∼1.5 行うメモリカードをターゲットにしているため,消去も V)に収めている｡これにより,読み出し時の電J_一亡``read 含めた書き扱えの速度とシステム側での管理の容拐さが Vcc”を3Vに設定できるため低電J上(3V)での劾作が吋 重要である｡消去時間を書込みと同程度の1ms typ.と することによって高速化に対ん占している｡また,書込み と消去単位がH寸一であると,書き換える必要のあるブロ 応用分野 記憶内容 要求性能 対応製品 ブートコード データ OS RAM醐 ､え アプリクーション デ▼夕 t メモリ∨ th分布図 制御可能 n〕iN O R 消去 制御がソ､易 消去 l 小さいブロックサイズ ファイルストレ⊥ソ 外部記憶 諾醐 データ ｢eadVcc Vthを狭い範囲で 高集積･大容量 アプリケーション え データ ｢eadVcc 低電圧単一電源 内部記憶 ウー⊥十ンクストレー小ソ え アプリケーション 古同速ランダムアクセス R置 OM硝 3.6 ∨-3.3 ∨-3.0 ∨-- 〔∪ 3.6V 3.3V † 3.0V 書込み ∨ OV デブリート領域 ''1‖読み出し r■OT■読み出し (a)AND･DINOR型(Vcc=3-3V) ‥1`'読み出し 注:略語説明｢e∈idVcc(読み出し時電圧).Vth(しきい電圧) 図3 図5 アプリケーションによってフラッシュメモリに対する要求仕様 が異なる｡DINOR型とAND型で要求仕様をカバーできる｡ † --0■1読み出し (b)NOR型(Vcc=3.3V) 注:略語説明 ROM(Read【0nlyMemory).OS(Operatin∈;System) HDD(Ha｢dDiscD｢ive).FDD(F10PPyDiscDrive) 要求仕様 制御が 致しい｡ 低電圧化技術 ビットごとに最適な書込み時間が設定できるため,AND･DINOR 型はNOR型メモリに比べてVthの制御性が良い｡ 17 754 日立評論 Vol.78No.11(1996-11) 三菱電機･日立製作所の共同開発 セル DINOR型 AND型 メインビット線 メインビット線 STl セル W2 配線･配列 W3 !-+T旨 :::>---…7-ト+⊥きソース線 ;::>…---t-- W4 メインビット綬 WI STI .夕 Wl NOR型 WI W2 W2 Wn コンタクト ホール 注:略語説明 W3 諾設層ネコ ST(Selecting ソース緑 Tr∂nSjstor) W4 W(州0｢d-Ljne) ポリシリコン.: W l n Wn li_+⊥b ソース線 A情己緑 電源電圧 3.3V単一 アクセス方式 A晒己線 3.3V嬰冊 ランダムアクセス 50ns 64kバイト 512バイト 図6 5V.12V シリアルアクセス 80ns アクセス時間 最小消去単位 A酒己線 ランタムアクセス 80∼120ns 64kバイト∼チップ一括 メモリ素子別の特徴 DINOR型,AND型,NOR型メ モリ素子の特徴を示す｡ DINOR型,AND型ともにドレ ーンコンタクトを無くすことに よってセル縮小が実現できる｡ ツクそのものを消去すればよいので,システムからの管 理が容易となる｡このため,消去単位を書込みと同じ512 対応している｡また,システムヘの車云送速度はシリアル バイトとしている｡この場合,消去単位が大きい場合の Mバイト/sを達成している｡書き換えは,書込み消去時間 ように,書き換える必要のない部分を消去することがな を1ms以下とすることにより,最大256kバイト/sを達 いため,その部分の再書込みも不要となり,実行的な書 成することが可能である｡ アクセス最高50nsを達成することにより,読み出しは10 き換え時間を向_Lすることができる｡ 書き換え回数は,10万回以上に対応している｡また, 64Mビットフラッシュメモリでは,哩込拡散層を用い システム側でのECC(ErrorCheckandCorrection)など たサブビット線を設けることによって高集積化を可能と を用いたエラー救済に対応するために,1セクタ当たり したAND型のメモリ素子とメモリアレーを用いている 16バイトの管理メモリを設けている｡セクタはメモリ512 (図6参照)｡この方式ではワードライン単位の書込みと バイトと管理メモリ16バイトで構成している｡ 消去が可能であるため,512バイト単位の書込み･消去を 消去についてもセクタ単位で可能であるため,ハード 実現している｡ ディスクと同じレベルのファイルマネジメントが可能で 3.3 ある｡ 特 徴 64Mビットフラッシュメモリは,PC-ATAカードヘ DINOR型フラッシュメモリセルの技術を用いた8M の応用に特化した仕様となっている(図7参照)｡動作電 ビットフラッシュメモリは,3.3V単一電源,80nsの高速 圧は3.3V単一および5V単一に対応している｡3.3V動 ランダムアクセス,ブートプログラムの格納に最適なブ 作で低消費電流が要求されるPDA,ディジタルカメラな ートブロック構成の消去単位,語構成は1Mワード×8 どに対応し,5V仕様が一般的なPC用途には5V動作で ビットまたは512kワード×16ビット構成などの特徴を ワーキングストレージ分野 システム要求項目 日立製作所のDINOR型 フラッシュメモリ 8Mビット HN29WB800 HN29WT800 単一電源 大容量 高速動作ランダムアクセスニ<100ns 容易なノCくインタフ工｢ス 3.3V単一 ファイルストレージ分野 PC-ATAカード要求項目 X8.×16 フラッシュメモリ 64Mビット (コンパチビリティ) マスクROMピン コンパチブル(SOP) SOP(Sma‖ PCMC卜A(Persona, 3.3V単一 低消費電力 Compute｢Memo｢Y 50mA(動作時) Ca｢dlnte｢∩∈】tional 5いA(ディープスタンハイ) 高速シリアルアクセス 転送レート:>10Mバイト/s 高速書き換え速度 Association) ATA(ATAttach- シリアル50ns ment) 書込み:セクタ当たり1ms 図7 フラッシュメモリ 製品仕様 毒壷孟室;呈喜芸誓喜蓋喜空域 16バイト管理領域 105 日立の製品の仕様はアプ リケーションからの要求項 目に対応している｡ 18 0utline P;〕Ckage) 10個搭載時75Mバイト 大容靴PCMC■会設ト=力小 512バイト ピン配置 主主二略語説明 HN29W6411 8Mビット 80･100･120[S 日立製作所のAND型 3.3V単一電源フラッシュメモリとフラッシュメモリ搭載カード 755 持っている｡さらに,256バイトまたは128ワード単位で の自動ページ書込み,自動ブロック消去,書込み･消去 途中での動作の中断･再開機能,およびブロック単位で アドレス 入力 の書込み･消去の禁止･許可機能を内蔵している｡ データパス コントロール信号 DRAM 入力信号 また,従来のスタンバイモードとは別に,ディープパ ワーダウン ローカル ローカル アドレスハス AO-10 コントロール モードを備えており,このモードを使用する 5夕力 4.フラッシュカードの開発 ●1一出 ]ントローラ ができ,システムの低消費電力化を図ることができる｡ 撃丁入 ホスト川ハス ことによって消費電流を1.OllAtype.と少なくすること 信胃 HN29W6411 出力信胃 電子スチルカメラ,PDA,パームトップPCなどの電池 コントロール信号 MPU 駆動の小型情事艮通信機器用の記憶装置として,小型･低 消雪電力のフラッシュカードが注目されている｡ フラッシュカードはHDDに比べて高価であり,ビット コストを￣Fげることが大きな課題である｡日立のAND型 64Mビットフラッシュメモリは,機能･ピン配置などを 図9 PC-ATAカードのブロック図 コントローラLSlが,ホストバスとのインタフェース制御とフラ ッシュメモリの制御,およびカード内データ転送制御を行う｡ホス ト側はATAインタフェースのプロトコルで使用できる｡ 大容量ファイル用途に特化してチップサイズを小さく抑 え,ビットコストを優先した設計としている｡ 今回,日立製作所は64Mビットフラッシュメモリを搭 ためのECC演算処理も行う｡ MPUは,ホストシステムからコマンドを受けてカード 載したPC-ATAカードを開発した(図8参月召)｡64Mビ としての応答を出すまでのシーケンスを制御する｡また, ットフラッシュメモリを搭載することにより,PCカード 書き換え耐性を高くするために,システム的な書き換え タイプⅠⅠで75Mバイトの大容量と一世代先の価格を実 山数の平準化を行う｡DRAMはデータバッファとして使 現した｡ 川し,データ転送を高速化している｡ 4.1PC-ATAカード ATAカードの大きな特徴の一つは,コントローラをカ PCIATAカードは,MPU(MicroprocessorUnit)とコ ードに内蔵することにより,カードのインタフェースを ントローラLSI,および64Mビットフラッシュメモリで ATA標準インタフェースにできることである｡これによ 構成する｡ブロック岡を図9に示す｡コントローラLSIは, り,ホストシステム側は意識せずにフラッシュメモリヘ ホストバスとのインタフェースの制御とフラッシュメモ の書込み･読み∼11しをAl｢Aインタフェースのプロトコ リの制御,およびフラッシュメモリとホストバスの間の ルで使mすることができる｡これに対し,リニアカード データ転送制御を行う｡また,データの信頼性を高める ではFFS(FlashFileSystem)やFTL(FlashFileTrans1ationLayer)に代表されるメモリドライブ用の専用ソフトウ ェアが必要となる｡フラッシュメモリがタイプや世代によ って仕様が巽なると,このソフトウェアもメモリに介わせ て変￣更する必要があるため,互換性を維持するのが三雄しい｡ 4.2 大容量化トレンド 第2世代では,チップセット構成デバイス数を減らし, TCP(Tape Carrier Package)積層技術を川いて,最大 150Mビットの大容量を実現する計画である｡フラッシ ュカードの大容量化トレンドを図川に示す｡大容量化に より,音声では300Mビットで90分,映像ではMPEG2(MovingI)ictureExpertsGroup2)によるデータ拝締 図8 PC-ATAフラッシュカード 64Mビットフラッシュメモリを搭載したPC-ATAフラッシュカー ドを示す｡PCカードタイプⅡで75Mバイトの大容量を実現した｡ の場介,2Gビットで90分のデータを記憶することがで きる｡将来は256Mビットフラッシュメモリと高集積某 19 756 田立評論 Vol.78No.11(1996-11) 表1 フラッシュカードの仕様 第2世代では,消費電力の低減と読み出し転送速度の高速化を 映像 90min 2Gピッ 2Gビット亡) 行う｡ ◆◆′ 1G ノーー 苗声 300Mピッ 150Mビット.ノ･一 ⊥ 90min ◆● > 謡1｡｡M 抑 電 PCWjndows*os 50Mビット 75Mビット ヵメラ25校 4Mビット 197 64hlヒLット T98 64MヒットTCP積層 '99(西暦年) _56Mビット高密度実装技術 注二*Windowsは.米国およびその他の国における米国Mic｢OSOftCo｢P. の登録商標である｡ 図10 圧 第l世代 第Z世代 3.3V±5% 5〉±10% 3.3V±5% 5〉±10% PCカードATA PCカードATA 書込み 400kバイト/s 読み出し 10Mバイト/s 機 能 容 里 外 形 20Mバイト/s 140mW 3mW lmW ECC,ウェアレベリング 】5,30,45,60, 75Mバイト PCカードタイプⅠⅠ 左 同 2】5mW 消費電力 読み出し･書込み (@3.3〉) スリープ 1111 ■96 電 インタフェース 転送 速度 ATA 10M 源 PC-ATAカード PC-ATAカード 目 項 同 左 同 左 PCカードタイプ1Ⅰ 大容量化のトレンド 大容量化によって音声,映像など新しい応用が広がる｡ トローラチップセットとして,マイクロコンピュータ DRAMの 装技術を使って,PCカードタイプⅡで2Gビットの容量 "Sし1perH''とゲートアレーおよび4Mビット が実現できる見込みであl),新しいアプリケーションが 構成とした｡第2世代ではアーキテクチャを改良し,さ 広がる可能件がある｡ らに消費電力を低減するとともに,読み出し転送速度の 4.3 向+Lを図る｡また,チップセット構成デバイス数を減ら カードの性能 カメラJl寸途ではライト(Write)転送速度が重要であ る｡内像データの大きさをLl三縮後で100kバイト程度とす し,ビットコスト低減を進める考えである｡ 5.おわりに ると,1秒1枚の撮影には最低100lくバイト/sのライト申云 送速度が必妥となる｡Ⅰ)C-ATAカードのライト車云送速度 ここでは,日立製作所が三菱電機株式会社と共同開発 は,フラッシュメモリの書込み･消去速度とコントロー した8MビットDINOR型および64MビットAND型フ ラのオーバヘッドで決まる｡二呪在の64MビットAND型 ラッシュメモリの特徴と適片け支術について,また,64M フラッシュメモリの性能では,メモリチップの書込み･ ビットAND型フラッシュメモリを搭載した1)C-ATAカ 消去時間でカードのライト転送速度が決まっている｡苫 ードの主な特徴について述べた｡ 込み･消去時間がセクタ当たり1msの場合,ライト転送 高度情報化社会の進展を支えるキーデバイスであるフ 速舷はコントローラオーバヘッドが0でも256kバイト/s ラッシュメモリには,ワーキングストレージ用の高速･ となる｡今帆綱発したカードでは,ライト転送速度を_L 低消雪電力化,ファイル用の人容堤･低ビットコスト化 げるためにライトインタリーブ機能を取り入れて400k のニーズがますます強まると考える｡これらの要求にこ バイト/sの件能を実現した｡ たえるために,今後も新技術の開発･製品適用と製品シ 今後の製品展開 リーズの拡充を図っていく考えである｡終わりに,フラ 4.4 業界で初めて64Mビットフラッシュメモリを搭載し ッシュメモリの開発を進めるにあたっては,三菱電機株 たPC-ATAカードを開発した｡今Lせ￣l開発した製品と次仲 式会社の関係各位からご協力をいただいた｡ここに深く 代製品の仕様を表1に示す｡第1世代の製品では,コン 感謝する次第である｡ 参考文献 1)Ⅰ､Ⅰ.九Iiwa,etal∴A140mm264MbANDFlashMenlOryWithAO.4ドmTechnology,ISSCCDigestofTechnicalPapers, pp.34∼35(1996-2) 2)A.Nozoe,etal∴A3.3VHigh-DellSityANDFlashMelT10ry＼lrithlms/512BEraseand工}rogramTime,ISSCCDigest ofTecllnicalPapers,pp.124∼125(1995-2) 3)H.Kume,etal∴Al.28ト1m2Co11taCtlessMenlOryCellTechnologyf()ra3VOnly64札4bitEEI)ROM,IEEETechnical DigestofIllternationalElectronDeviceMeeting,p.991(1992-12) 20