多値記憶方式のはじまりと進展 NANDフラッシュメモリでは当初、1個のメモリセル(セルトランジスタ)には1bitのデータを記憶していた。それが研究開発の進展によって現在では、1個のメモリセルに最大で4bitのデータを記憶できるようになっている。当然ながらその間には、1個のメモリセルに2bitを記憶する方式と、3bitを記憶する方式が存在する。 データを記憶する具体的な手法は、セルトランジスタのしきい電圧の値である。しきい電圧とは、トランジスタが「オフ状態」から「オン状態」に変化する入力電圧(厳密にはゲート電圧)のことだ。もっとも単純な1bit/セルの記憶では、セルトランジスタのしきい電圧は2段階しかない。 フラッシュメモリではデータを書き込む前に、データを消去する動作(消去動作)が必ず入る。消去動作によってNANDフラッシュメモリのセルトランジスタのしきい電圧はマイナスになる。しきい電圧がマイナスとは、ゲート電圧が0Vでもセルトランジスタがオン状態になるという意味である。そしてデータを書き込む動作では、しきい電圧をプラスにする。読み出しではゲート電圧をしきい電圧よりも低い値にするので、書き込み済みのセルトランジスタはオン状態とならない。このようにして、データの値を区別する。 1bit/セルの記憶はDRAMやSRAMなどのほかの半導体メモリと同様であり、単純であり、わかりやすい。NANDフラッシュメモリでは多値記憶方式が製品化されたので、区別するために1bit/セル方式を「SLC方式」と呼ぶようになった。 初めての多値記憶方式は、1個のメモリセル(セルトランジスタ)に2bitのデータを記憶することではじまった。現在では「MLC方式」と呼ばれている。 MLC方式とSLC方式の大きな違いは、書き込み動作にある。MLC方式では、書き込み動作によってセルトランジスタのしきい電圧を3段階に変えている。読み出し動作のゲート電圧の範囲は基本的にSLC方式とあまり変わらないので、3通りのしきい電圧をきめ細かく制御して、書き込まなければならない。このためSLC方式に比べると、書き込みに時間がかかる。 3通りのしきい電圧の間隔は、かなりせまい。MLC方式の開発当初は、しきい電圧が時間経過とともにずれて行き、最終的には隣接するしきい電圧の値と重なってしまうという問題が起きた。現在では技術開発の進展によって解決されているものの、多値記憶技術にとってつねにつきまとう問題である。 またしきい電圧を細かく制御することと、書き込んだしきい電圧の値を検証する作業が入ることにより、セルトランジスタの劣化が増大するという問題が起きた。この問題は現在でも、完全には克服されてはいない。基本的にデータを書き換え可能な回数はSLC方式がもっとも多く、MLC方式はSLC方式よりも少ない。フラッシュメモリ業界で使われている値は、SLC方式が10万回、MLC方式が1万回というものだ。約10倍の開きがある。

3D NANDフラッシュがはじめからTLC方式で製品化できた理由 3D NANDフラッシュメモリの製品化では、プレーナ型NANDフラッシュメモリとはまったく違うスタートを切った。はじめから、多値記憶方式が導入されたのである。しかも初期のわずかな期間がMLC方式で製品化されたのを除くと、当初からTLC方式でずっと、大容量化が進んできた。 はじめからTLC方式で製品化できた大きな理由は、メモリセルが蓄積する電荷量の違いにある。MLC方式で15nm世代のプレーナ型NANDフラッシュに比べ、TLC方式の3D NANDフラッシュが蓄積する電荷量は、約3倍と大きい。電荷量だけで見ると、プレーナのMLC方式に比べて3D NANDのTLC方式は、隣接するしきい電圧間の電荷量のマージンが約3倍もあることになる。これは非常に大きなメリットだ。 電荷量が増えたおもな理由は、セルトランジスタで電荷を蓄積する部分の断面積が大きくなったことである。セルトランジスタの加工寸法が拡大したことと、セルトランジスタの形状が円筒形に変化したことが、断面積の増加に寄与した。 そして3D NANDフラッシュでは記憶密度の拡大に微細化を使わない。微細化による電荷量の減少が起きない。言い換えると、記憶密度を高めても、セルトランジスタが蓄積可能な電荷量が変化しない。安心してTLC方式を使い続けられる。 しかも3D NANDフラッシュではTLC方式でも電荷量のマージンが大きいので、書き込み手法を変えることができた。プレーナ型NANDフラッシュで採用していた3回に分けて書き込む手法ではなく、1回で3bitのデータをすべて、書き込めるようになった。このことは、TLC方式のNANDフラッシュメモリにおける書き込み速度を著しく向上させることになった。 いち早く3D NANDフラッシュメモリの量産をはじめて自社ブランドのSSDに搭載したのは、Samsung Electronics(以降は「Samsung」と表記)である。同社のTLC方式3D NANDフラッシュを内蔵するSSDは他社製のプレーナ型NANDフラッシュ内蔵SSDに比べて「書き込みが速い」と高く評価され、一時は引っ張りだことなった。 もちろんSSDの性能はコントローラにも依存する。一方でコントローラの技術あるいは性能が同じであれば、あとはNANDフラッシュメモリの性能がSSDの性能を左右する。上記の評判は、3D NANDフラッシュにおける書き込み速度の向上が、SSDの性能向上につながっていることを強く示唆している。 そしてQLC方式は、原理的にはTLC方式の半分の電荷量でしきい電圧を区分けする。3D NANDフラッシュはQLC方式でも、MLC方式で15nm世代のプレーナ型NANDフラッシュに比べ、1.5倍の電荷量を確保できることになる。このため、3D NANDフラッシュではQLC方式を商業化する道が開けた。

QLC方式では1個のセルに15通りもの値を書き込み 改めて説明すると、QLC方式では1個のメモリセルに4bitのデータを記憶する。書き込み動作で設定する「しきい電圧」は15段階に達する。隣接するしきい電圧の間隔はTLC方式に比べ、およそ半分に縮まる。しきい電圧の制御を一段ときめ細かくする必要がある。 QLC方式のメリットは明らかだ。記憶密度が向上し、記憶容量(シリコン面積当たり)が拡大し、製造コスト(記憶容量当たり)が下がる。その代わり、犠牲となるのが性能(速度)と長期信頼性である。そのままではSSDやフラッシュストレージなどの製品の要求仕様を満たさないと考えられた場合、なんらかの工夫によって性能と長期信頼性の低下を緩和しなければならない。

QLC NANDフラッシュでは長期信頼性が著しく悪化する ここではまず、長期信頼性がどの程度、犠牲になるのかを見ていこう。長期信頼性の指標はおもに2つ。データを書き換え可能な回数(「エンデュランス」と呼ぶ)とデータを保存する期間(「データリテンション」と呼ぶ)である。 データの書き換え回数とデータの保存可能な期間には相関があり、一般的には、データの書き換えを繰り返したメモリセルは、データを保存可能な期間が短くなる。言い換えると、データを書き換え可能な回数とは、ここまでの「回数」の書き換えを繰り返すと、データを正常に保存できなくなってしまう「回数」を意味する。 多値記憶方式とデータの書き換え可能な回数には、密接な関係がある。メモリセルに格納するデータのbit数を増やせば増やすほど、書き換え可能な回数は減少する。プレーナ型NANDフラッシュメモリの時代には、書き換え可能な回数はSLC方式では10万回、MLC方式では1万回、TLC方式では1,000回とされていた。1bit増やすごとに、10分の1に減少するというのが、おおよその目安である。 この減少傾向は、3D NANDフラッシュ技術の登場によって一時的に食い止められた。TLC方式の3D NANDフラッシュにおける書き換え可能な回数は3,000回～5,000回と言われている。QLC方式もすべて3D NANDフラッシュである。TLC方式からQLC方式への変更によって書き換え可能な回数は5分の1～10分の1になるとされる。具体的には、300回～1,000回である。