どれだけ違いが分かる？
「SLC」「MLC」「TLC」「QLC」の違いは？ 3Dとは？ NAND型フラッシュの基礎
NAND型フラッシュメモリには「SLC」「MLC」「TLC」「QLC」といったタイプに加え、「3D」も登場している。それぞれどのような違いがあり、どのような用途に適しているのだろうか。
NAND型フラッシュメモリは、HDDのような磁気記憶装置に対抗するフラッシュストレージ用のメモリとして開発された。データ読み書き速度など記憶装置の性能を向上させることがその目的だった。NAND型フラッシュメモリが誕生する以前のフラッシュメモリは、他の記憶媒体と比べて高額だった。そうした中で、NAND型フラッシュメモリは「bit単価の低減」と「チップ当たりの容量拡大」を実現して、記憶装置市場でその地位を確立した。
現在までにさまざまなタイプのNAND型フラッシュメモリが誕生している。一見すると個々の違いを理解することは難しそうだが、実は意外とシンプルだ。それぞれの名称がメモリセルに格納するbit数を表していることを理解すれば、NAND型フラッシュメモリのタイプを理解することはそれほど難しくはない。
主要なNAND型フラッシュメモリの特徴や用途、長所、短所などをタイプや構造別に解説する。
シングルレベルセル（SLC）
「シングルレベルセル」（SLC）は名前の通り、1つのメモリセル（データ読み書きの最小単位）に1bitを格納するNAND型フラッシュメモリのタイプだ。SLCのNAND型フラッシュメモリは蓄積した電荷の有無によって、「0」か「1」の2つの状態を表す。メモリセルの状態が2つだけなので、素早く状態を判別できることが特徴だ。
SLCはNAND型フラッシュメモリのタイプの中で最も単純な仕組みを採用しているため、データ読み書き時のエラーが発生する確率が低い。SLCのNAND型フラッシュメモリはメモリセルのデータ書き換え回数の限度が約10万回と比較的多く、耐久性はNAND型フラッシュメモリの主要なタイプの中で最も高くなる。その半面、1つのメモリセルに2bitを格納する「マルチレベルセル」（MLC）など他のタイプと比べて、価格は高額になる。ただしSLCのタイプはパフォーマンスと信頼性も高いことから、商用アプリケーションや産業用アプリケーションに使用される傾向がある。
タイプ別のNAND型フラッシュメモリの特性《クリックで拡大》
マルチレベルセル（MLC）
「マルチレベルセル」（MLC）は名称がやや紛らわしい。複数（マルチ）のbitであることに間違いはない。MLCは1つのメモリセルに2bitを格納するタイプだ。SLCのNAND型フラッシュメモリは1つのメモリセルで2つの状態しか表せないが、MLCのタイプは「00」「01」「10」「11」の4つの状態を表せる。MLCのタイプはデータの密度ではSLCのタイプより高くなるが、書き換え回数の限度はSLCのタイプより低く、エラーが発生する確率はSLCのタイプより高くなる。MLCのタイプでは、メモリセルの書き換え回数の限度は1万回程度だ。
SLCのNAND型フラッシュメモリと比べてMLCのタイプは安価であることから、SLCのタイプよりも幅広い用途に適している。PCをはじめとした一般消費者向けの電子機器メーカーが、価格が安いことを理由にMLCのタイプを採用している。
MLCのNAND型フラッシュメモリが採用されるのは一般消費者向けの製品だけではない。通常のMLCよりも性能を高めた「エンタープライズMLC」（eMLC）というタイプは、書き換え回数の限度が2～3万回と通常のMLCのタイプの2倍以上になり、より厳しい要件を満たせる。価格面ではSLCのタイプほど高額にはならない。
トリプルレベルセル（TLC）
「トリプルレベルセル」（TLC）のNAND型フラッシュメモリは1つのメモリセルに3bitを格納する。1つのメモリセルで「000」「001」「010」「011」「100」「101」「110」「111」の8つの状態を表すことができる。TLCのタイプはSLCやMLCのタイプよりも安価で、MLCのタイプと同様に一般消費者向けの製品に適している。TLCは「MLC-3」や「3bit MLC」などと呼ばれることもある。
TLCのNAND型フラッシュメモリはデータの密度がSLCやMLCのタイプより高いためbit単価が低くなるが、パフォーマンスや耐久性、信頼性はSLCやMLCのタイプに劣る。メモリセルを積層する3次元（3D）構造のNAND型フラッシュメモリが登場したことで、TLCのタイプの用途は企業向けにも可能性が広がっている。3D構造にすることで微細化の工程に余裕を持たせることができるため、耐久性や信頼性を高めることが可能になるからだ。
クアッドレベルセル（QLC）
「クアッドレベルセル」（QLC）のNAND型フラッシュメモリは1つのメモリセルに4bitを格納する。SLCやMLC、TLCのタイプよりも安価である一方、耐久性は低くデータ書き換え回数の限度はSLC、MLC、TLCのタイプよりも少なくなる。QLCのタイプが開発されたのは、フラッシュストレージを大容量化するためだ。
QLCのNAND型フラッシュメモリはデータ読み出しの多い用途に適している。例えば深層学習を含む機械学習などの人工知能（AI）技術を利用する場合だ。データ書き換え回数の限度は、現状では1000回に満たないため、データ書き込みの回数が多くなるアプリケーションには向いていない。MLCのタイプと同様、3D化が実現したことで、QLCのタイプも耐久性を高めることが可能になった。ただし、それでもデータ書き換えの限度は1000回ほどだ。
3D
2次元（2D）のNAND型フラッシュメモリの構造が1層であるのに対し、3D構造のNAND型フラッシュメモリは垂直方向に複数のメモリセルを積層する。3D構造は一般的にMLC、TLC、QLCのタイプに使用されている。2D構造と比較した場合の3D構造の利点は、物理的なスペースを有効に利用して、はるかに高いデータの記憶密度を実現できる点にある。データの密度を高めることでGB単価を低く抑えることができる他、消費電力を抑制できる。データ書き込み時の性能を高めることも可能だ。
一方で3D構造のNAND型フラッシュメモリには短所もある。2D構造のNAND型フラッシュメモリと比較して製造工程が増えるため、生産コストが多くかかってしまうことだ。3D構造のNAND型フラッシュメモリは2D構造のNAND型フラッシュメモリと同じ用途に使用できるが、実際に採用するかどうかは要件や予算次第となるだろう。
変更履歴
（2020年4月8日18時27分）記事掲載当初、QLCのNAND型フラッシュメモリについて「データを読み出す性能は他のタイプよりも高い」と記載していましたが、十分な根拠を示していないため削除しました。本文は修正済みです。
（2020年4月6日18時10分）記事掲載当初、図「タイプ別のNAND型フラッシュメモリの特性」内で「信頼性（エラーの発生しにくさ）」と記載していましたが、正しくは「エラーの発生率」です。おわびして訂正します。図は修正済みです。
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