フラッシュストレージが主流になる理由【後編】

SLC、MLC、TLC、QLCの違いは？　3Dだけではないフラッシュ大容量化技術

HDDの出荷台数を抜く勢いでフラッシュストレージが普及しつつある理由を知るには、幾つかの視点が必要だ。容量やフォームファクターなどの視点から見てみよう。

公開 2020年03月24日 05時03分

[TechTarget]

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　企業向けのストレージ市場では2020年か2021年には、SSD（ソリッドステートドライブ）などのフラッシュストレージの出荷台数がHDDの出荷台数を上回る見込みだ。データ読み書き速度などの性能においてフラッシュストレージがHDDを上回るばかりでなく、NAND型フラッシュメモリを大容量化する技術が進化してきたことも理由として挙げられる。

　SSDはHDDと同じフォームファクター（形状や大きさに関する仕様）を採用する限り、潜在的な性能を十分に発揮することができない。こうした中、PCI Express（PCIe）接続のインタフェース規格NVMe（Non-Volatile Memory Express）に準拠したフラッシュストレージが登場していることもフラッシュストレージの採用を後押ししていると考えられる。

　本稿はフラッシュストレージの採用が進む要因を複数の視点で深堀りする。併せて異なる技術を採用するフラッシュストレージの使い分け方を紹介する。

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　コンピュータのメインメモリに利用される「DRAM」（Dynamic Random Access Memory）と同様、NAND型フラッシュメモリは、データ読み書きの最小単位であるメモリセル内の電荷（物体が帯びている電気量）の有無を検出することで機能する。DRAMとは異なり、NAND型フラッシュメモリは電源を失ってもデータを保持する。

　初期のNAND型フラッシュメモリの設計は、導電性を持つポリシリコン（多結晶シリコン）で形成するフローティングゲート（浮遊ゲート）を、絶縁体である二酸化ケイ素（シリカ）で囲む構造を用いていた。絶縁体に電流を加えることでトンネルを生成して電荷を通過させるプロセス「ファウラーノルドハイムトンネル」（FNトンネル）の仕組みを用いて、フローティングゲートで電荷を保持・解放し、データの書き込みや消去を制御する。この構造は長年にわたり広く利用されてきたが、メモリセルの密度を向上させるには限界があった。メモリセルが平面である2次元（2D）構造を採用していたためだ。

　NAND型フラッシュメモリをさらに大容量化するために、構造を3次元（3D）化したシリコン基板にエッチング（半導体の表面を加工して配線を形成するプロセス）を施す必要があった。3D構造ではメモリセルを積層し、メモリチップ1個当たりのメモリセル密度を高めることが可能になる。設計上のボトルネックを解消するとともに、電荷を蓄積する物質や絶縁体として利用する物質を変更することで、3D構造のNAND型フラッシュメモリが実現した。3D構造のNAND型フラッシュメモリは電荷を蓄積する仕組みとしてフローティングゲートではなく、絶縁膜に電荷がたまる仕組みを利用するチャージトラップ（電荷捕獲）という方式を採用している。

SLCからMLC、TLC、QLCへ

　現時点で登場しているNAND型フラッシュメモリを採用したデバイスの中には、メモリセルを積層するだけでなく、メモリセルごとに複数bitの格納を可能にしたものがある。

　1つのメモリセルに1bitを格納するシングルレベルセル（SLC）方式のNAND型フラッシュメモリでは、フローティングゲートに電荷のもととなる電子を蓄積すると、そのメモリセルのビット値を「0」だと見なす。そうでなければ「1」だと見なす。マルチレベルセル（MLC）方式は、フローティングゲートの電荷を4段階にして4つの状態を表すことを可能にし、1つのメモリセルに2bitを格納できるようにした。

　技術的な進化はさらに続いて、許容誤差やデータ書き込みの回路がより精密になった。トリプルレベルセル（TLC）方式のNAND型フラッシュメモリは、フローティングゲートの電荷を8段階にして8つの状態を表せるようになり、1セル当たり3bitを格納できるようになった。さらに16個の状態を表すことも可能になり、1つのメモリセルに4bitを格納できるクアッドレベルセル（QLC）方式のNAND型フラッシュメモリの技術も登場した。

　何の代償もなく何かを得られることはほとんどない。1つのメモリセルに格納するbit数を増やすことにはデメリットも伴う。それはデータの読み書き速度や耐久性の低下として現れる。

　格納するbit数を増やせば、書き込みサイクルでより多くの工程が必要になる。その結果、MLC、TLC、QLCとbitの密度が高まるにつれて、データの書き込みと読み取りにかかる時間が長くなる。

　書き込みの工程が増えることは、耐久性にも影響する。NAND型フラッシュメモリはデータの書き込みによってメモリセルが劣化する。複数bitを1つのメモリセルに格納する場合は、複数の書き込みのプロセスを経る必要があり、それだけ劣化が進行してしまうのだ。データ書き込みの一連のプロセス「P/Eサイクル」数で比較すると、一般的にSLCが10万回であるのに対し、QLCは1000回程度となる。

用途に応じて適切な使い分けを

　1つのメモリセル当たりのデータ密度を高めると、データ読み書き速度や耐久性が低下する。そのためデータベース管理システム、データ分析システム、機械学習システムといったデータ書き込みの負荷が大きいシステムには、データ密度が比較的低いSLCが適している。あるいは無条件でSLCを採用すべきだと言ってもいい。反対にファイル共有やデータアーカイブといったデータ読み取りが主体のシステムでは、TLCやQLCでも許容範囲に収まるだろう。

　フラッシュストレージの中では、SATA（Serial ATA）やSAS（Serial Attached SCSI）といった一般的なHDDと互換性のあるインタフェース規格を採用したSSDが特に広く採用されてきた。現在はPCIe接続のNVMeに準拠した高性能なフラッシュストレージが登場し、市場で優勢になりつつある。

　企業向けのフラッシュストレージはさまざまなフォームファクターを採用している。フォームファクターとして「U.2」や「U.3」を採用したNVMeの準拠品は、従来のHDDと同じ2.5型のスモールフォームファクター（SFF）でありながら、PCIe接続用のインタフェースを採用している。これによりSATAやSAS接続のSSDよりも高速のデータ転送速度を発揮できる。

　フラッシュストレージの小型化を図るフォームファクターとして「M.2」や「EDSFF」（Enterprise and Data Center SSD Form Factor）が登場している。こうして用途に応じて異なるフォームファクターを採用できるようになってきたことも、フラッシュストレージの採用が進んでいる背景にあるだろう。

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