不揮発性メモリーの最適評価〜SSD向けJESD219A規格のSDカード最適評価への適用〜
長野加藤

近年、産業機器・車載向けなど、高い信頼性が要求される

真人
且宏

小関今井

健哲康雄

出口泰

（1）生涯書込み寿命評価

機器でも不揮発性メモリーの主力である NAND Flashを使

メモリージュールへの書込みは、HOSTからの書込み条用したメモリーモジュール（SSD、eMMC、SDカードなど）の件によってコントローラーにかかる負 荷が大きく変わり、採用が拡大している。メモリーモジュールは大容量化に伴い、NAND Flashへの書込み寿命にも大きく影響する。結果と内部で複雑な書込み制御しているため、生涯書込み可能なして、HOSTからメモリーモジュールへ生涯書込み可能なデータ総量の推定が重要になっている。また、メモリーモ総量が大きく変化するため、エンデュランス評価によってジュールを使用する産業機器の電源のオン/オフや電気ノイ実力を把握することが重要になる。

ズによる影響の評価も重要であり、実使用を考慮した高い負荷を与える効果的な採用前評価が求められている。

（2）電源遮断耐性評価

本稿では、SDカードへ高い負荷（書込みストレス）を効果突然の電源異常による想定外の誤動作を防ぐため、信的に与え、短時間で性能の優劣を把握できる、常温エンデュ頼性が要求される装置には、電源遮断耐性評価も必須要ランス（読出し/書換え耐性）評価を紹介する。また、産業機件となっている。メモリーモジュールの電源遮断耐性は、電器向けと民生向けのSDカードを比較した事例及びエンデュ

源遮断時のメモリーモジュールの動作状態や、動作タイミン

ランス加速試験としての有効性を述べる。

グによって結果が大きく変わるため、想定可能な全てのタイミングで評価することが重要になる。

メモリーモジュールの信頼性の課題と評価
メモリーモジュールには、NAND Flashとコントローラーという複数の要素で構成されていることによる信頼性上の課題が存在する。図1にメモリーモジュールの模式図を示す。
NAND Flash・コントローラー・電源関連回路で構成され、モ

メモリーモジュール評価試験の特徴適用した評価手法の特徴を以下に示す。
（1）常温エンデュランス評価
SDカードのNAND Flashには書換え回数に上限があり、ジュールとして一体化しているため、従来から広く用いられその実力（読出し/書換え耐性）を確認する「常温エンデュてきたハードディスクドライブよりも大容量・高速・振動に強ランス評価」に、SSDの規格であるJESD219Aの書込み手いなどの特長がある。その反面、NAND Flashを制御する法を適用する。

コントローラーには、エラー訂正・ウェアレベリング・バッドブ

JESD219AはJEDECで定められた規格で、元々はSSDロック管理などの高度な制御が必須となっている。特に、メモのエンデュランス評価試験用の書込み負荷条件を規定しリーモジュールの大容量化は、内部でコントローラーによるている。

制御の複雑化を加速させ、このことが信頼性に大きく影響す

図2にSSDのアドレス空間と書込み発生頻度のイメージると考えられる。この信頼性に影響を及ぼすのが、「生涯書を示す。全アドレス空間をLBA-A・LBA-B・LBA-Cの3つの込み寿命」と「電源遮断耐性」である。

空間に分け、SSDへのアクセスを以下のように割り当てる。

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このようにアクセスを割り当てることによって、僅か5%㟁※㟁※㛵㐃ᅇ㊰のアドレス空間に全アクセスの50%を集中させ、N A N D
Flashの生涯書込み寿命の劣化を加速させる。

図 1 メモリーモジュール模式図

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2021 年 5 月／第 237 号 Vol.88 No.1

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メモリーモジュールを使用する産業機器の電源のオンオフ㻸㻮㻭㻙㻯㻌㻌㻤㻜㻑䛾䜰䝗䝺䝇✵㛫

や電気ノイズによる誤動作への影響の評価が可能となる。
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SD カード評価事例
表１に評価項目と使用した試料の一覧を示す。
表１ 評価サンプルと評価項目㻸㻮㻭㻙㻮㻌㻌㻝㻡㻑䛾䜰䝗䝺䝇✵㛫඲䜰䜽䝉䝇䛾㻟㻜㻑䛜Ⓨ⏕㻸㻮㻭㻙㻭㻌㻌㻡㻑䛾䜰䝗䝺䝇✵㛫඲䜰䜽䝉䝇䛾㻡㻜㻑䛜Ⓨ⏕〇㐀ඖ䜾䝺䞊䝗㻭♫㻮♫㻯♫㻰♫⏘ᴗᶵჾྥ䛡ᖖ 䜶䞁䝕䝳䝷䞁䝇ホ౯䞉䝅䞊䜿䞁䝅䝱䝹᭩㎸䜏䚷䠄㻟ಶ䠅Ẹ⏕ᶵჾྥ䛡䞉䝅䞊䜿䞁䝅䝱䝹᭩㎸䜏䚷㻗㻌㻶㻱㻿㻰㻞㻝㻥㻭᭩㎸䜏䚷䠄㻟ಶ䠅㟁※㐽᩿⪏ᛶホ౯䞉䝕䞊䝍㌿㏦᫬䚷㻔㻟ಶ㻕㻌䞉㼎㼡㼟㼥䝍䜲䝭䞁䜾᫬䚷㻔㻟ಶ㻕㻌㻜␒ᆅ

図2

SSD アドレス空間と書込み発生頻度の関係（1）常温エンデュランス評価
図4に評価方法を示す。
（条件１）と（条件2）の結果を比図3に、図2のアドレス空間に1回のアクセスで書き込ま較することでJESD219Aの加速試験としての有効性を確れる12種類のランダムデータのデータサイズと発生頻度認する。ここでシーケンシャル書込み回数3000回は一般を示す。さまざまなデータサイズのデータがランダムな空的なメモリーモジュールの書込み保証回数である。

間に書き込まれる設定となっている。これは、1回のアクセ

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スでSSDに書き込まれるデータサイズの67%が4Kbyteに集中している実際の使われ方を模擬したものである。

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このJESD219Aで規定されているアクセス条件は、コンピューターのOS（オペレーティングシステム）の挙動を模䝅䞊䜿䞁䝅䝱䝹᭩㎸䜏

擬している。本条件をメモリーモジュールへ適用し、モジュール内コントローラー（図1）に高い負荷をかけることにより、コントローラーとNAND Flash間のデータ送受信密度が高められる。結果としてNAND Flashへも大きな書込みストレスを発生させることができ、生涯書込み寿命を効率良く検証するための加速試験としての効果が期待できる。

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図4

JESD219A の書込みのストレス比較方法①書込み回数による比較
図5に結果を示す。A社、B社、C社のメモリーモジュールは、シーケンシャル書込みを続ける（条件1）に比べて3001回目以降をJESD219A書込みに変更した（条件2）の方が
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少ない書込み回数で書込み寿命に到達した。
（条件1）と（条件2）の両方で不良が発生しているB社とC社で3001回以降の書込み回数を比較するとシーケンシャル書込みに対するJESD219A書込みの厳しさの度合いが分かる。

図 3 12 種類のデータサイズと発生頻度（2）電源遮断耐性評価
メモリーモジュールの動作に同期してメモリーモジュールの電源に電源遮断パルスを印加し、誤動作が発生する電源電圧レベルを評価する。併せて、電源遮断パルス印加によって、電源遮断耐性、電源遮断パルス印加時の書込みエラー、書込み対象アドレス以外のビット化けなどの挙動を確認し、

図 5（条件１）と（条件 2）による書込み回数比較結果

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39今回の評価では、3,001回目以降の（条件1）と（条件2）でル3000回書込み後にJESD219A書込みを実施（条件2）の結不良が発生するまでの書込み回数の比は、B社品では約118倍果を示す。書込み条件が異なると、書込み速度×累積書込み（5538回/47回）C社品では約542倍（10302回/19回）となった。

量の性能が大きく変わり、
図7に示したように、
D社は、他社とJESD219Aで少ない書込み回数で不良が発生する理由は、比較して、（条件１）シーケンシャルでは書込み速度×累積書SDカード内のコントローラーに高い負荷がかかり、書込み効込み量の性能が最も低いが、図8の（条件2）JESD219Aでは、率WAF、ウェアレベリングなどの効率が低下したことなどいく

一見すると書込み速度のバラツキが大きいように見えるが、最つかの理由が考えられる。この結果から、
JESD219Aで規定も遅い状態で比較しても他社よりも良好な結果となった。

されているアクセス条件は、コントローラーに高い負荷を与える加速試験として有効であることが確認された。
②総書き込みデータ量による比較
図6に結果を示す。書込み条件が変わると耐久性の強弱が入れ替わる結果となった。

図7 （条件１）
シーケンシャル書込み性能推移

図6 （条件１）と（条件2）による総書込み量比較結果（条件1）シーケンシャル書込み[耐久性高い] A > C > D > B [耐久性低い]（条件2）シーケンシャル書込み後にJESD219A書込み[耐久性高い] D > A > B > C [耐久性低い]
シーケンシャル書込みでは比較的良好な耐久性を示した
C社品であるがJESD219A書込みでは最も少ない書込みで図8 （条件2）JESD219A書込み性能推移（2）電源遮断耐性評価
SDカードへの書込み動作中に発生する突然の電源遮断や故障が発生している。一方で、シーケンシャル書込みでは2電源ノイズによるSDカードの誤動作を想定した評価として電番目に早く故障が発生したD社品は、JESD219A書込みで源遮断耐性も重要である。評価時のタイミングチャートを図9

は4社中最も高い耐久性を示した。また、（条件1）では総書に示す。SDカードへ4KB（512 byte×8ブロック）のデータ書きき込み量に30TByte以上の大きな差がついたのに対し、（条込みタイミングに同期させてSDカードの電源に5ms幅の電件2）では総書き込み量に大きな差が発生していない。この源遮断パルスを重畳し、電源遮断パルス下限レベルを徐々に結果から、必ずしも高価な産業機器向けSDカードが民生向下げて、誤動作する下限電圧と挙動を確認する。

けカードに比べて大きく優れている訳ではないと判断できる。

図 1 0に結 果を示す。4 社とも動 作 保 障 電 圧（ 2 . 7 V 〜3.3V）では、正常動作している。また、A社とD社は、B社とC③書込み性能による比較

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社に比べて明らかに下限電圧レベルが低く、電源遮断対策

メモリーモジュールの評価尺度には、前述の書込み回数や機能（電源電圧レベルを監視し、電源遮断時SDカードへの書込みデータ量の他に、書込み速度がある。単に書込み速度書込みを保留させ電源電圧レベルが通常レベルに復帰したが速いだけではメモリーモジュールの信頼性評価尺度としては後、SDカードへの書込みを再開させる動作）の搭載を示唆

不十分なため、書込み速度×累積書込み量の性能に着目する。

する挙動が確認された。この電源対策機能をもっているD

図7にシーケンシャル書込み（条件１）、図8にシーケンシャ社のSDカード電源遮断耐性が最も良好な結果となった。

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適用した事例を紹介した。本手法がSDカードへも有効であることを確認した。
• ESD219Aによる評価は、メモリーモジュールのコントロー㻳㻺㻰㻿㻰䜹䞊䝗㟁※㼂㻯㻯busy 䝍䜲䝭䞁䜾䜈㟁※㐽᩿䝟䝹䝇༳ຍ㻡㼙㼟䠏䠊䠏㼂

ラーに高い負荷（書込みストレス）を与えるエンデュランスの加速評価として有効である。

㟁※㐽᩿䝟䝹䝇ୗ㝈㻳㻺㻰• 電源遮断保護機能の挙動・動作限界を理解して、システム設計に反映させることは信頼性の確保に重要である。

䝁䝬䞁䝗ಙྕ㻯㻹㻰ಙྕ• 民生向けD社SDカードは、JESD219Aの書込み耐久性・書込み性能・電源遮断で、産業機器向けA社、B社よりも㻰㻽㻜ಙྕ䝕䞊䝍ಙྕ

良好な結果が得られた。
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• 使用される装置の信頼性要求レベルに応じた最適なSD㼎㼡㼟㼥㻌䝍䜲䝭䞁䜾䠄 SD䜹䞊䝗ෆNAND Flash䜈䛾᭩㎸䜏᏶஢ᚅ䛱䛾Wait 䠅

カードを適切な評価で選択することで低コストかつ信頼性の高い運用が可能となる。

◆◆

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図9 SDカード書込みに同期させた電源遮断パルス印加のタイミングチャート㻟㻚㻟 䠍䠊䠔䠎 䠎䠊䠐䠐 䠎䠊䠐䠕 䠍䠊䠒䠕㻟㻚㻜㻞㻚㻡㼇㼂㼉㼇㼂㼉㼇㼂㼉㼇㼂㼉௨ୖ௨ୖ௨ୖ௨ୖṇᖖືసṇᖖືసṇᖖືసṇᖖືసㄗືసㄗືస㻞㻚㻜㻝㻚㻡ㄗືసㄗືస㻟㻚 㻟䠎䠊䠑䠍 䠎䠊䠐䠑 䠎䠊䠐䠕 䠍䠊䠒䠕㼇㼂㼉㻟㻚 㻜௨ୖṇᖖືస㻞㻚㻡 ㄗືస㻞㻚㻜㼇㼂㼉㼇㼂㼉㼇㼂㼉௨ୖ௨ୖ௨ୖṇᖖືసṇᖖືసṇᖖືసㄗືసㄗືస㻭♫ 㻮♫ 㻯♫ 㻰♫（Solid State Drives）の信頼性評価事例、
日本信頼性学会信頼性シンポジウム発表報文集2015_秋季2）JEDEC STANDARD Solid-State Drive (SSD) Endurance
Workloads JESD219A(Revision of JESD219, September
2010)ㄗືస㻝㻚㻡㻭♫ 㻮♫ 㻯♫ 㻰♫busy 䝍䜲䝭䞁䜾䛾㟁※㐽᩿⪏ᛶ䝕䞊䝍㌿㏦䝍䜲䝭䞁䜾䛾㟁※㐽᩿⪏ᛶ1）長野 真人、
出口 泰、小 関 健哲、
岩 井 泰之、
今井 康雄：SSD

長野真人:Makoto Nagano. 沖エンジニアリング株式会社
信頼性ソリューション事業部 評価第１グループ

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小関健哲:Takenori Kozeki. 沖エンジニアリング株式会社

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システム評価事業部 西東京試験センター

図10 SDカード電源遮断耐性評価結果

出口泰:Yasushi Deguchi. 沖エンジニアリング株式会社
信頼性ソリューション事業部 評価第１グループ
加藤且宏:Katsuhiro Kato. 沖エンジニアリング株式会社（3）SDカード評価結果結論
表2に各評価の結果示す。産業機器向けA社はエンデュランス（条件1）に優れているが、その他の項目では、民生信頼性ソリューション事業部
今井康雄:Yasuo Imai. 沖エンジニアリング株式会社

機器向けD社に劣るといったように、評価項目ごとに優劣が異なることが分かる。評価結果を精査し装置の要求に応じた最適なSDカードを選択することが重要となってくる。
表２ SDカード評価結果まとめ䜶䞁䝕䝳䝷䞁䝇 㻌᮲௳ 㻝㻌᮲௳ 㻞㻌㻭 ♫㻌㻮 ♫㻌㻯 ♫㻌㻰 ♫㻌㻝㻟㻟㻝㻞 ᅇ㻌㻤㻡㻟㻤 ᅇ㻌㻝㻟㻟㻜㻞 ᅇ㻌㻥㻟㻜㻜 ᅇ㻌㻟㻜㻜㻜 ᅇ㻗㻡㻤 ᅇ㻌㻟㻜㻜㻜 ᅇ㻗㻠㻣 ᅇ㻌㻟㻜㻜㻜 ᅇ㻗㻝㻥 ᅇ㻌㻟㻜㻜㻜 ᅇ㻗㻣㻥 ᅇ㻌㟁※㐽᩿㻌㻮㼡㼟㼥㻌㻰㼍㼠㼍 ㌿㏦㻌䝍䜲䝭䞁䜾 㻌 䝍䜲䝭䞁䜾 㻌㻝㻚㻤㻞㼂 ௨ୖ㻌㻞㻚㻡㻝㼂 ௨ୖ㻌㻞㻚㻠㻠㼂 ௨ୖ㻌㻞㻚㻠㻡㼂 ௨ୖ㻌㻞㻚㻠㻥㼂 ௨ୖ㻌㻞㻚㻠㻥㼂 ௨ୖ㻌㻝㻚㻢㻥㼂 ௨ୖ㻌㻝㻚㻢㻥㼂 ௨ୖ㻌まとめ• 最適評価として、常温エンデュランス評価へJESD219Aをウェアレベリング
NAND Flashの書き換え回数には上限があるため、一部のブロックに書換え回数が集中しないように分散化を図ること。
バッドブロック管理
エラー発生時、ライト/リード不可のブロックを記録し、使わないようにする機能。
WAF（Write Ampliﬁcation Factor）
HOSTからの書込み量に対してSDカード内NAND Flashへの書込み量が何倍かで表現される。

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