NAND型フラッシュメモリとは
NAND型フラッシュメモリとは、電源を切っても内容が残る不揮発性のメモリです。 絶縁膜で囲んだ膜に電荷を閉じ込めて保持し、セルを直列につないで同じ面積により多くのセルを詰めます。容量を最優先した方式で、上書きができず、書き換え回数に限りがあり、保存中にもビットが化けます。チップ単体ではなく、その弱点を埋めるコントローラと組んだ状態が製品としてのNANDです。
電荷を絶縁膜の内側へ閉じ込めるので、電源を切っても残る
Section titled “電荷を絶縁膜の内側へ閉じ込めるので、電源を切っても残る”DRAMは電荷をキャパシタに蓄えますが、その電荷は漏れていくため、給電と定期的な再書き込みを要します。DRAMは揮発性のメモリで、蓄えた電荷は時間とともに自然に減ります1。
フラッシュメモリは、電荷の置き場所を変えます。電荷は、絶縁体に囲まれた電荷蓄積膜という層に蓄えます。周囲が絶縁体なので、電源が切れても電荷は逃げ場がなく、その場に留まります。
制御ゲート（メモリセルの上にある電極）へ高い電圧を加えると、電子が絶縁体を通ってシリコン基板から電荷蓄積膜へ入ります。これが書き込みです。逆にシリコン基板側へ高い電圧を加えると、電子は電荷蓄積膜から基板側へ抜けます。これが消去です。膜を通すたびに絶縁膜には負担がかかるため、書き換えられる回数には限りがあります。NANDの耐久性は、セルが信頼できなくなるまでに書き込みと消去を何回繰り返せるかで測ります2。読み出しは膜を越えさせない操作なので、負担は小さくなります。
電子の有無がしきい値電圧を動かし、読み出し電圧との上下で0と1を読む
Section titled “電子の有無がしきい値電圧を動かし、読み出し電圧との上下で0と1を読む”メモリセルはデータ記憶の最小単位で、近年のフラッシュメモリは数千億個ものメモリセルから成ります3。セルは制御ゲートの電圧が高いほど電流を流しやすく、電流が流れる制御ゲート電圧の下限をしきい値電圧と呼びます4。
読み出しでは、制御ゲートへ一定の読み出し電圧を加え、セルに電流が流れるかどうかで内容を読み分けます。電荷蓄積膜に電子が入った状態がデータ「0」で、しきい値電圧が読み出し電圧より高いので電流は流れません。電荷蓄積膜が空の状態がデータ「1」で、しきい値電圧が読み出し電圧より低いので電流が流れます。この「0」「1」は電源を切っても保たれます。不揮発性の正体は、電荷蓄積膜としきい値電圧の組み合わせです。
セルを直列につなぐから高密度で、NANDは容量を優先した方式
Section titled “セルを直列につなぐから高密度で、NANDは容量を優先した方式”NANDという名前は、セルのつなぎ方を指します。メモリセルを直列に配置した構造のメモリがNAND型フラッシュメモリで、セルを高密度に配置できます3。1セルごとに接点を設ける構成に比べて必要な配線が減るので、同じ面積により多くのセルを詰められます。2次元のNANDのメモリセルの最小サイズは、近年では約15nmで、髪の毛の約4,000分の1程度です5。
NOR型との違いもこのつなぎ方から来ます。NAND型はメモリセルの構造がビット線に直列につながれた単純な構造のため、NOR型に比べて集積度を上げやすく、データ格納用の大容量メモリとしての用途が多い種類です6。ビット線は、格子状に並んだメモリセルから書き込みや読み出しを行うセルを選ぶ信号線で、セルトランジスタのドレイン電極につながっています。NOR型はセルの構造がDRAMと同じように並列なのでランダムアクセスができ、NAND型より高速にアクセスでき、プログラム格納用メモリとしての用途が多くなります。
NAND型は、1987年に舛岡富士雄氏（当時東芝勤務）が発明したフラッシュメモリの1種で、NOR型に比べて回線規模も小さく、安価で大容量化ができ、書き込みや消去も高速です7。NOR型は1984年、同じ舛岡氏の発明です。キオクシアは、1987年に世界初のNAND型フラッシュメモリを発明した8のは同社だとしています。
NANDはデジタルカメラのカードに搭載され、その後容量が増えるにつれて携帯音楽プレーヤー、ビデオカメラ、携帯電話、スマートフォンへと用途と市場が広がりました3。いまキオクシアが挙げる用途は、エンタープライズストレージ、データセンターストレージ、クライアントコンピューティング、モバイル、車載、コンシューマ、産業用途です8。
多値化は容量を増やす代わりに、精度・寿命・書き込み速度を払う
Section titled “多値化は容量を増やす代わりに、精度・寿命・書き込み速度を払う”1つのセルに何段階の電荷量を持たせるかで、記録できるビット数が変わります。2段階なら1ビット、4段階なら2ビット、16段階なら4ビットです。1つのセルのデータ量がNビットなら、しきい値電圧分布の数は2のN乗個になります4。SLCなら2本、QLCなら16本の分布が、同じ電圧の幅の中に並びます。
段階を細かく刻むほど、隣の段階との間隔は狭くなります。読み取るときに区別すべき電圧差が小さくなり、書き込むときに狙う精度も上がります。電荷がわずかに抜けただけで隣の段階と紛れるので、時間が経ったデータの読み出しも難しくなり、書き換えられる回数の見積もりも厳しくなります。Nが大きいほど分布を細くする必要があり、そのためには書き込みをゆっくり行う必要があります。多値化の代償は、容量あたりの寿命に加えて書き込みの速さにも及びます。キオクシアは、QLCのように分布幅や分布の間隔を極端に小さくすることは技術的な難易度が高いとしています。
キオクシアは、2001年に多値化技術を世界で初めて製品に導入した1Gbit MLC NAND型フラッシュメモリを製品化し、2007年にはQLC技術を世界で初めて導入した16Gbit QLC NAND型フラッシュメモリを国際学会で発表したとしています4。近年の製品にはQLC UFS 4.1もあります。用途によって選ぶ段数が異なるのは、容量と、精度・寿命のどちらを重視するかが異なるためです。
容量を増やす道は多値化のほかにもあります。積層プロセスは、平面構造のメモリセルを上に積み上げて単位面積あたりのメモリセルの数を増やす技術で、多値化は一つ一つのメモリセルに記憶できる情報量を増やす技術です5。前者が3D NANDで、キオクシアは製造コストを下げるため、1層ずつセルを積むのではなく、板状の電極を積み上げてから全層を貫く穴を開け、すべての層のセルを一気に作る手法5を使っています。この穴は高アスペクト比のエッチングで掘ります。
ページで書きブロックで消すので、後片付けが寿命を食う
Section titled “ページで書きブロックで消すので、後片付けが寿命を食う”NANDフラッシュメモリはページ単位・ブロック単位でのアクセスを要し、上書きはできず、消去してから書き込みます9。ページはブロックの中に並ぶ区画で、書き込みと読み出しはページ単位で上から順に進みます。消去はページより大きなブロック単位で、ブロック全体の電荷が一度に抜けます。1ページ分を書き換えるためにブロック全体を消すと、同じブロックにある他のページの内容まで一緒に消えます。
そこで製品では、ホストが指定するアドレスとNAND上の物理的な位置との対応表をコントローラが持ちます。更新のたびに空いているページへ書き、古いページを使用済みとして対応表から外し、使用済みが溜まったブロックをまとめて消去します。この後片付けがガベージコレクションです。SSDではDRAMが高速なキャッシュとして使われ、データがNANDのどこにあるかを追うマッピングテーブルを保持します1。
キオクシアは2017年8月8日、データ属性を基に記録位置を仕分けるマルチストリームライト技術について、ライトアンプリフィケーションを低減しガベージコレクションの発生回数を最小化することで、性能・寿命・QoSの向上を実現するとしました10。後片付けそのものが消去の回数を使うので、その回数を抑えることが寿命に返ってきます。
ビット化けは保存したあとにも増え、不良ブロックは出荷時から混ざる
Section titled “ビット化けは保存したあとにも増え、不良ブロックは出荷時から混ざる”NANDフラッシュメモリのデータ破損の要因は3つです9。1つめのRead Disturbは、ブロック内でReadしたページ以外のページがダメージを受け、ビット化けが起きる現象です9。2つめのData Retentionは、書き込んだブロックへのアクセスが途絶えた状態で電荷が抜け、ビット化けが起きる現象です9。3つめは電源断で、アクセス中に電源が切れるとNANDフラッシュメモリの状態が不安定になり、様々な症状が出ます9。
読み出しは膜を越えさせない操作ですが、Read Disturbではその読み出しが同じブロックの他のページを傷めます。書き換えの回数に加えて、読み出しの回数と、書き込みから読み出しまでの時間も、ビット化けの量を左右します。
NANDフラッシュメモリは、正常と不良のブロックが混在した状態で出荷されます9。出荷時のものが初期不良ブロック、出荷後に書き込みと消去を繰り返すうちに不良になるものが後発不良ブロックです。製造段階の判断で記憶用途から除いたブロックは、バッドブロック5と呼ばれます。特定のブロックへ消去が集中しないように管理する方法がウェアレベリングで9、管理方法は複数用意され、製品仕様に合わせて選べます。
コントローラと組んで、はじめて記憶装置になる
Section titled “コントローラと組んで、はじめて記憶装置になる”キオクシアは、メモリとホストコンピュータとの橋渡しに不可欠なコントローラを開発し、性能と信頼性を上げるための不良ブロックの管理、エラー訂正、論物変換、書換え回数の平均化、高速化、暗号化、低消費電力化などの技術を組み込み11、ハードウェアとファームウェアでNANDシステム全体を制御しています。論物変換は、論理アドレスと物理アドレスを対応させる変換です。
NANDの性質とこの一覧は、ほぼ一対一で対応します。ページ単位とブロック単位の差には論物変換とガベージコレクション、書き換え回数の限りにはウェアレベリング、保存後に増えるビット化けにはエラー訂正が当たります。
コントローラは、NANDやDRAMなどを制御する役割を持つロジック半導体です5。ウェアレベリングは保存データの書き換えによる劣化を防ぎ使用寿命を延ばすための技術、エラー訂正は記憶媒体への書き込みやデータの送受信で起きる誤りを検出し訂正することです。BENANDはSLC NAND型フラッシュメモリにECC回路を搭載したキオクシアの製品で、誤り訂正の回路をNANDチップ側へ載せた形も製品になっています。
eMMCとUFSは、コントローラ内蔵型のフラッシュメモリの規格の一つです。スマートフォンに載るUFSのように、コントローラごと1つの部品にまとめた形もあります。読者がSSDやmicroSDメモリカードとして手にするのは、この組み合わせの状態です。同じNANDチップでも、組み合わせるコントローラで製品としての性能と信頼性は変わります。
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よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”NAND型フラッシュメモリとは何ですか？
電源を切っても内容が残る不揮発性のメモリです。キオクシアは、1987年に世界初のNAND型フラッシュメモリを発明したのは同社だとしています。
なぜ電源を切っても内容が保たれるのですか？
電荷を絶縁膜で囲まれた電荷蓄積膜へ閉じ込めるためです。周囲が絶縁体なので、電源が切れても電荷はその場に留まります。DRAMがキャパシタの電荷を保つのに給電と再書き込みを要するのと対照的です。
NANDという名前は何を指しますか？
セルのつなぎ方です。複数のセルを直列に数珠つなぎにする構成で、1セルあたりに要る接点が減るため、同じ面積により多くのセルを詰められます。
1セルに何ビット入りますか？
詰め方で変わります。キオクシアは2001年に1GbitのMLC NAND型フラッシュメモリを製品化して多値化の最初の適用とし、2007年には16Gbit QLC（1セル4ビット）を国際学会で発表しています。
多値化すると何が起きますか？
同じセル数でも容量が増えます。その代わりNビットなら2のN乗本のしきい値電圧分布を同じ電圧幅に並べるので、分布を細くするために書き込みが遅くなり、読み書きの精度と書き換え回数の要求も厳しくなります。
どこで使われますか？
キオクシアは用途に、エンタープライズストレージ、データセンターストレージ、クライアントコンピューティング、モバイル、車載、コンシューマ、産業用途を挙げています。デジタルカメラのカードに載り、その後容量が増えるにつれて携帯音楽プレーヤーやスマートフォンへ広がりました。
しきい値電圧とは何ですか？
制御ゲートの電圧を少しずつ上げたときに、メモリセルへ電流が流れ始める電圧です。電荷蓄積膜へ電子が入るとこの電圧が上がるため、読み出し電圧をあいだに定めて「0」と「1」を読み分けます。
書き込みと消去の単位はどう異なりますか？
書き込みと読み出しはページ単位、消去はそれより大きなブロック単位です。上書きはできず、消去してから書き込むので、コントローラは空きページへ書いて古いページを後でまとめて消します。
保存したデータが時間とともに化けるのはなぜですか？
データ破損の要因にRead DisturbとData Retentionがあるためです。前者はブロック内でReadしたページ以外のページがダメージを受けてビット化けが起きる現象、後者は書き込んだブロックへのアクセスが途絶えた状態で電荷が抜けてビット化けが起きる現象です。
NANDフラッシュメモリのチップだけで記憶装置になりますか？
コントローラが要ります。キオクシアはメモリとホストコンピュータとの橋渡しに不可欠なコントローラを開発し、不良ブロックの管理、エラー訂正、論物変換、書換え回数の平均化などを組み込んでいます。
不良ブロックは出荷後に生まれるのですか？
両方あります。NANDフラッシュメモリは正常と不良のブロックが混在した状態で出荷されます。出荷時のものを初期不良ブロック、出荷後に書き込みと消去を繰り返すうちに不良になるものを後発不良ブロックと呼びます。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”- DRAMとは── 電源を切ったあとの状態が異なる
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- 1Samsung Semiconductor：DRAMsemiconductor.samsung.com ab
- 2KIOXIA America：TBW・WAF・NANDエンデュランスの技術解説（Technical Brief）americas.kioxia.com ↩
- 3キオクシア：NAND型フラッシュメモリとはkioxia.com abc
- 4キオクシア：フラッシュメモリの大容量化を実現する多値化技術kioxia.com abc
- 5
- 6JEITA 半導体部会：半導体用語集semicon.jeita.or.jp ↩
- 7東京エレクトロン：nanotec museum 半導体用語集tel.co.jp ↩
- 8キオクシア：Memorykioxia.com ab
- 9
- 10
- 11キオクシアの製品開発プロセスkioxia.com ↩