2D NAND と 3D NAND は、デスクトップおよびモバイル・ストレージで使用されるテクノロジーです。NAND フラッシュ・メモリは、ソリッドステート・ドライブ（SSD）技術に使用され、デスクトップ・コンピュータやモバイル・デバイスでより信頼性が高く、高速なストレージを提供します。目的に応じて、サーバーとバックアップ・デバイスを構築するための 2 つのテクノロジーを選択できます。
2D NANDは、現代のエンタープライズ・ストレージでは本質的に時代遅れになっています。しかし、2D から 3D NAND への進化を理解することは、今日の 3D NAND 技術が、現代のフラッシュ・ストレージ・ソリューションの基盤となった理由を説明するのに役立ちます。
3D NAND と 2D NAND
3D NAND は現在の標準的な NAND 技術であり、事実上全ての新規ストレージ製品において 2D NAND を完全に置き換えています。NAND フラッシュ・ストレージ技術は、小型シャーシ内に積み重ねられたセルを使用して、より小型のストレージ・コンポーネントと優れた性能を提供します。2D NAND デバイスは、ストレージセルを並べて配置します。3D NAND は別のレイヤーを追加し、セルを垂直にスタックします。3D NAND 技術の現在の進化には、数百のメモリセル・レイヤーが含まれています。ドライブのシャーシ内により多くのメモリセルを格納することで、3D NAND はより多くのストレージを高速で提供します。
NAND フラッシュ・メモリによるデータの保存方法
あらゆるデバイス上のストレージは、1 と 0 の並びで構成されています。フラッシュ・メモリ技術の基本的なストレージ・ユニットはゲートと呼ばれます。ゲート内に電子が存在する場合、値は 0 です。電子が存在しない場合、値は 1 です。異なる電圧レベルは、異なるビット・パターンを表します。データが書き込まれると、正確な電荷量が各セルに注入されます。読み取り操作中、ストレージ・コントローラは電圧レベルを測定し、ビットに変換します。電圧レベルの数はセルの種類によって異なり、SLC（2 レベル）、MLC（4 レベル）、TLC（8 レベル）、QLC（16 レベル）となります。
2D NAND のゲートは、水平に並んでいます。2D NAND 技術は、現在はそれほど普及していません。3D NAND の方が優れたトランジスタ技術を有し、電子の放出を抑制できるためです。この電子の放出こそが、本質的にデータ損失を引き起こす原因となります。3D NAND 技術のチャージトラップ技術は、性能とデータ整合性に優れています。
SSD アーキテクチャを理解する
SSD は、NAND フラッシュ・メモリとコントローラおよびインターフェースを組み合わせ、ドライブが従来のハードディスク・ドライブのドロップイン代替として機能できるようにします。SSD には、フラッシュ変換層（FTL）が含まれています。FTL は、論理アドレスと物理アドレス間の変換を行いながら、ウェアレベリング（摩耗平滑化）、エラー修正、不良ブロックの管理を処理するために設計された内部ファームウェアです。
3D NAND フラッシュ・ストレージ・デバイスは、2D NAND デバイスよりも低価格で劇的に多くのストレージを提供します。最新の 3D NAND 技術は、従来の 2D NAND と比較して、消費電力を最大 50% 削減し、デバイスがセルにデータを書き込む速度を 3～4 倍に向上させます。
最新の 3D NAND の技術的優位性
密度と容量
- 2D NAND：ダイあたり約 128 Gb（16 GB）に制限
- 最新の 3D NAND：ダイあたり最大 2 Tb（256 GB）、4 Tb のダイを開発中
- ピュア・ストレージの DirectFlash モジュール：3D NAND を活用して、単一のモジュールで最大 150 TB（300 TB が近日リリース）を提供
性能指標
- シーケンシャル読み取り速度：NVMe インターフェースで最大 7 GB/s
- シーケンシャル書き込み速度：最大 5 GB/秒
- ランダム IOPS：4K ランダム読み取りで 100 万 IOPS 以上
- レイテンシー：エンタープライズ 3D TLC NAND では Sub-100 マイクロ秒未満
耐久性と信頼性
- 3D TLC NAND：3,000～5,000 P/E サイクル
- 3D QLC NAND：500～1,000 P/E サイクル
- 低密度パリティチェック（LDPC）コードによるエラー修正の強化
- セル分離の改善によるデータ保持性の向上
3D NAND の 2D NAND に対する優位性
3D NAND フラッシュ・デバイスには、2D NAND デバイスよりも複数のストレージセルが含まれているため、最新のテクノロジーにより、より多くのストレージ容量を利用できます。SSD は、特に複数の書き込みが実行されるデバイスで使用される場合、寿命が限られています。書き込みのたびに、SSD の寿命は少しだけ失われます。全ての SSD には寿命がありますが、3D NAND デバイスでは 2D NAND デバイスと比較して、追加のセルにより書き込みサイクル数が増加します。
優れたトランジスタ技術とメモリセルのスタッキングにより、3D NAND は、ほとんどのデータセンターや組織にとって好ましい技術です。3D NAND は、高速性とストレージ容量の向上を実現します。3D NAND 技術は、生産コストが高く、組織にとってコストが高くなるという欠点があります。
シャーシが小さいサーバーには、3D NAND デバイスが小さいため推奨されます。サーバーメーカーは、ハードウェアの設置スペースが限られており、3D NAND は、2D NAND のスペースを必要とせずに、低コストでより多くのストレージをユーザーに提供できます。3D NAND は電力消費も少ないため、無停電電源装置（UPS）のバッテリーのドレインが少なくなります。
3D NAND の用途
3D NAND を使用することで、コストと消費電力を削減できます。また、寿命が長く、高速性も備えています。ほとんどのアプリケーションにおいて、3D NAND は間違いなく勝っています。新しいサーバーには 3D NAND ストレージ・デバイスが搭載されている場合がありますが、既存のサーバーに追加のストレージ容量をインストールするために購入することも可能です。新しい SSD をお探しなら、3D NAND デバイスはストレージ 1 ギガバイトあたりより安価で、テラバイトのストレージ容量を提供します。
3D NAND は、2D NAND よりもはるかに多くのストレージ容量を提供します。2D NAND メモリ・ブロックは最大 1.6 TB の容量を格納しますが、3D NAND メモリウエハは最大 128 TB を提供します。3D NAND は、コスト差があっても、データ・ストレージ要件の大きい組織にとってより有益です。データセンターやエンタープライズ組織は、ストレージ容量とデータの完全性を高めるために 3D NAND を好みます。
最新の 3D NAND のエンタープライズ向けユースケース
高性能コンピューティング
- 大容量と高スループットを必要とする AI/ML トレーニング・データセット
- ペタバイトのデータを処理するリアルタイム分析
- 一貫した低レイテンシーを必要とする高頻度取引システム
仮想化とクラウド
- 数千人のユーザーをサポートする仮想デスクトップ・インフラ（VDI：Virtual Desktop Infrastructure）
- 永続的なストレージ・ニーズを持つコンテナ・オーケストレーション・プラットフォーム
- 予測可能な性能を必要とするマルチテナントのクラウド環境
ミッション・クリティカルなアプリケーション
- エンタープライズ・データベース（Oracle、SQL Server、SAP HANA）
- 電子カルテおよび医用画像
- 金融取引処理システム
2D NAND を選ぶべきケース
2D NAND 技術を搭載した古いデバイスは、最新の 3D NAND 技術にアップグレードできます。古い 2D NAND 技術を再利用するよい方法は、2D NAND デバイスを重要度の低いストレージのアーカイブ用途に移行することです。アーカイブ・ストレージも寿命には限りがあり、最終的には交換が必要ですが、単純なアーカイブ用途で使用すれば、ファイルは基本的に永久保存され、必要なときにのみ書き込みが行われるため、書き込み回数を抑えられます。
まとめ
より多くのストレージ容量をお求めの場合は、2D NAND と 3D NAND のテクノロジーを選択できます。多くの場合、3D NAND は、個人使用のためにストレージをインストールする場合でも、アプリケーションに最適なオプションです。古い 2D NAND 技術を新しい 3D NAND に置き換えることで、消費電力の低減と高速性を活用することもできます。
