フラッシュメモリ
左手前側のチップがフラッシュメモリで、右奥に在るのはマイクロコントローラである
フラッシュメモリ（英: Flash Memory）は、FETでホットエレクトロンを浮遊ゲートに注入してデータ記録を行う不揮発性メモリである。舛岡富士雄が東芝在籍時に発明した。発表に際し、消去が「ぱっと一括して」できる機能から、写真のフラッシュの印象でフラッシュメモリと命名した[1]。
目次
1 概要
2 種別
2.1 NAND型とNOR型
2.1.1 NAND型
2.1.2 NOR型
2.1.3 応用分野等
2.2 SLCとMLCとTLC
2.3 電源
3 構造図
4 保持期間
5 寿命
6 ハードディスクからの転換
7 インタフェース
8 商品パッケージ
9 容量単価およびメーカーへの影響
10 脚注
11 参考文献
12 関連項目
13 外部リンク
概要
フラッシュEEPROMやフラッシュROMとも呼ばれている。各ビットの記憶セルの基本的な構造としてはある種のEEPROMであるが、複数ビットから成るブロック内で「押し流す」ようなメカニズムと[2]、読み書き可能な単位（ブロックサイズは数キロバイトから数十キロバイト）と速度が扱いやすい程度であることが特徴である。浮遊ゲートとシリコン基板間のゲート絶縁膜が極めて薄くなっている。
種別
NAND型とNOR型
主要な種別はNAND型フラッシュメモリとNOR型フラッシュメモリの2種である。それぞれの基本的な特徴は次の通り。
NAND型
- ランダムアクセス読み出しの単位はブロック
- NOR型に比べて書き込みは高速
- NOR型に比べて高集積化に有利
NOR型
- ランダムアクセス読み出しの単位はバイト
- NAND型に比べて書き込みは低速
- NAND型に比べて高集積化に不利
応用分野等
書き込みがブロック単位であることはどちらも共通である。歴史的には、最初のフラッシュメモリとして発明されたのはNOR型で、続いてNAND型が発明された。いずれの発明も当時東芝の舛岡富士雄による。普及については主としてインテルによりNOR型が先行して市場に広がった。現在は、NAND型が東芝セミコンダクター＆ストレージとサンディスクとサムスン、NOR型がマイクロンとスパンション、といったところが大手である。
NOR型は、マイコン応用機器のシステムメモリに適しており、従来から使用されていたROMを置き換える存在となった。ROMの交換で行われていたファームウェアの更新も、製品の筐体を開けることなく容易に行えるようになっている。
NAND型は、データストレージ用に適しており、携帯電話、デジタルカメラ、デジタルオーディオプレーヤーなどの記憶媒体として広く普及しており、それによって価格も低下している。
- NAND型フラッシュメモリ
- ページ数分のセルが直列に接続されている。
- NOR型フラッシュメモリ
- 全てのセルがビット線とソース線に接続されている。
SLCとMLCとTLC
初期のフラッシュメモリは、1セルあたりのビット数が1ビットであった為、大容量化するとダイのサイズが大きくなり、歩留まりも低下した。そこで1セルあたりのビット数を増やす為、フローティングゲートに入れる電子の数を制御し、また読み出し時には「ゲートに入った電荷に依存してゲート下へ電流を流すための電圧が変わる(Vthが変わる)現象」を利用する事で、1セルあたり4段階の電圧レベルを用いて2ビットの容量を実現した物が考案され、これをマルチレベルセル(MLC)と呼ぶ。従来の1セルあたり1ビットのものは、シングルレベルセル(SLC)と呼ぶようになった。セル数が同じ場合、1セルあたり2ビットのMLCはSLCの2倍の容量になる。3ビットならばSLCの3倍になり、業界の慣例としてトリプルレベルセル（TLC）と呼ばれている（ただしTLCの電圧レベルは8段階なので、3段階ではない）。速度・書き換え可能回数の面においてはSLCに優位性があるが(Vthの多段判定が不要、等による。MLC・TLCは書き換え回数を経るにつれ中間の2値の差が小さくなり、ここでの誤りがエラーの原因になる)、MLC・TLCはなによりも大容量化に優位性があり、これにより現在ではワンダイで512Gbitを超える製品が市販されている。
- SLC (Single Level Cell):1個のメモリセルに1ビットを記憶、セルトランジスタのしきい電圧は2段階（消去が1つ、書き込みが1つ）
- MLC (Multi Level Cell):1個のメモリセルに2ビットを記憶、セルトランジスタのしきい電圧は4段階（消去が1つ、書き込みが3つ）
- TLC (Triple Level Cell):1個のメモリセルに3ビットを記憶、セルトランジスタのしきい電圧は8段階（消去が1つ、書き込みが7つ）
- QLC (Quadruple Level Cell):1個のメモリセルに4ビットを記憶、セルトランジスタのしきい電圧は16段階（消去が1つ、書き込みが15）
電源
消去・書き込みのためにVppとして別電源が必要なもの(二電源系)と、単一電源で動作するもの(単電源系)がある。単電源系はチャージポンプなどの昇圧回路を内蔵している。最近では、低容量のROM等には3.3V単電源のもの、携帯電話のROM用途には1.8V単電源またはCore 1.8V・I/O 3.3Vのものが多く使われている。
構造図
- 書き込み時
- ソースをGNDに接続して、ドレインとゲートに高電圧を印加する。
ホットエレクトロンはソース側から浮遊ゲートと基板間のゲート絶縁膜をすり抜けて浮遊ゲートに留まる。
- 消去時
- ソースを開回路状態に、ドレインに高電圧を印加し、制御ゲートをGNDに接続する。
- すると、浮遊ゲート内の電荷はドレイン側に引き抜かれる。
保持期間
フローティングゲートに充電した電子によって情報を記憶するという構造のために、書き込まれたデータの保持期間は有限である。メーカーの公称値では、書き換えによって劣化していない状態（書き換え限度の10%以下）で数年（TLC）・5年（MLC）・10年（SLC）、書き換え限度まで達した状態から1年となっている[3][4][5]。これは環境の影響を受け、高温や放射線のあたる環境下においてはソフトエラーが発生[6]して保持期間は通常よりも短くなる(条件次第では使用不能もありうる)。
NOR型であれば一般に20年程度の保持期間を持ち[7]、BIOSなどのファームウェアに使われている。ただし初期のフラッシュメモリ製品は既に20年以上が経過しており、保持期間が有限であることに変わりは無い。なお、これらの保持期間は最後に書き込んで以降の時間を示すものである[7]。
寿命
フラッシュメモリの記憶素子は、動作原理上絶縁体となる酸化膜が貫通する電子によって劣化するため消去・書き込み可能回数が限られており、記憶素子単体の書き換え寿命は短命なもの (TLC) では数百回が限界、長くても (SLC) 数万回程度である[8][9]。NOR型よりもNAND型の方が劣化が激しい。この記憶素子をそのまま記憶装置として使う場合、書き込みが特定ブロックに偏るため、未使用の記憶素子がある一方で特定の記憶素子だけが劣化によって寿命が尽きるという状況が発生してしまう。現状の製品では、書き込みの偏り対策としてコントローラを搭載して消去・書き込みが特定ブロックに集中しないようにウェアレベリングをしている。これにより書き換え寿命は論理的には伸びる。正確な計算方法はメーカーによって複数あり、例えば製品の最大容量と書き換え可能な領域等によって寿命は変わってくる[10]。
書き込み可能回数を超えると、ストレージとして認識することができなくなったり、正常な記録ができなくなったり、正常に記録することができたとしても記録内容を維持することができず、記録した内容が壊れたり消えてしまったりする確率が上昇する[11]。
Intelの研究によれば、63nmから72nmのプロセスルールで製造されたMLC(2bit/セル)方式NANDフラッシュメモリ8Gbitチップの場合、1万回の書き換えでエラーの起きる確率が1ビット当たり100万分の1から1000万分の1程度(即ち8Gbitならばエラーの起きるビットは平均1000から100ビット)である[12]。
フラッシュメモリは半導体製品であり、電子回路の構成部品として回路基板上に実装された形で製品化されているものが大半である。電子回路であるがゆえにフラッシュメモリそのものの故障以外に、電子回路の他の部品(コントローラチップなどフラッシュメモリ以外の実装部品も含む)の故障の影響で使用不能に陥ることもある。
ハードディスクからの転換
パソコン用デバイスとしてのフラッシュメモリは、当初ユーザーの操作で書き換え可能なBIOSを持ったマザーボードへの利用など表面に出ない用途だったが、やがてUSBメモリなどによるフロッピーディスクの代替としての利用が始まり、書き換えに対する耐久性の向上(ハード的な技術向上やソフト的に書き換える部分を集中しないようにする工夫 - ウェアレベリング)、大容量化・低価格化・高速化が進み、徐々に大容量記憶装置としての役割を担うようになっていった。
2004年には、小容量ながらパソコンに内蔵してハードディスク (HDD) 同様ドライブとして使用できるソリッドステートドライブ（SSD）が登場。自作派のユーザーたちに浸透していった。2006年には、HDDを搭載しないでSSDを搭載しているメーカー製小型ノートパソコンが登場した。2007年発売の『Windows Vista』からは、USBメモリをHDDのキャッシュメモリとして使用するWindows ReadyBoost機能、2009年発売の『Windows 7』からはSSDはHDDとは別のデバイスとしてサポートされるようになっている。
ノートパソコンには機器の小型化および軽量化、省電力化、衝撃に対する強さが要求される。フラッシュメモリはハードディスクと比較してこれらの要素で優れており、さらに物理的な動作がないので静音化ができ、また高速にアクセスできるという利点も持つ。ただし低価格化が進んだとは言え、容量単価の点では依然としてハードディスクが有利であり、フラッシュメモリ搭載ノートパソコンはハードディスク搭載モデルと比較して割高な価格設定になりやすく、また2012年現在ではハードディスクほど大容量化されてはいないので、価格を度外視しても容量が少なくなりがちになる。
インタフェース
過去の経緯により、一般的にNOR型はSRAMインターフェース (搭載bit数が増えるとアドレスバス幅が増えていく)、NAND型はDRAMインターフェース (アドレスを複数回に時間分解するマルチプレクスを行う)である。また、組み込みシステム等の分野では、I²C等のシリアルバスを採用した素子(『シリアルフラッシュメモリ』と称されることもある)も用いられている。
商品パッケージ
主としてNAND型で補助記憶装置としてパッケージされている商品の例を挙げる。これらのような商品の他に、Fusion-io（en:Fusion-io、現在はサンディスク傘下）のioDriveのように、フラッシュメモリの性能を最大限に発揮するようデザインされた製品などもある。
- USBメモリ
- メモリーカード
- SDメモリーカード
- メモリースティック
- スマートメディア
- xDピクチャーカード
- コンパクトフラッシュ
PlayStation Vita専用メモリーカード- ソリッドステートドライブ
容量単価およびメーカーへの影響
2005年あたりまで、フラッシュメモリはハードディスクや光ディスクの容量単価とは比べ物にならないほど高額であり、この点がユーザーにとって大きな欠点であった。しかし、2006年頃になると、フラッシュメモリの価格が大幅にかつ急速に下落してゆき、価格的な欠点は段々と和らいでいった。これは、フラッシュメモリ製造会社が一斉に増産したためであった。それでもなお、フラッシュメモリの容量単価はハードディスクや光ディスクを抜き去るほどには低下していない[13]。
この急激な価格低下はフラッシュメモリ製造メーカーの経営に大きな打撃をもたらし、大手の東芝も打撃を受けていると報じられた[14][15]。また、フラッシュメモリ専業大手のスパンションは、価格下落と世界的な景気の低迷の影響もあって採算が悪化、会社更生法の適用を申請した[16]。
脚注
^ http://www.takeda-foundation.jp/reports/pdf/ant0104.pdf
^ 構造からは「押し流す」＝flushという感じだが、公称はflashである。
^ （3）【フラッシュメモリー編】 長期間放置するとセル内の情報が消える《データ消失の謎》 - PC Online
^ 【福田昭のセミコン業界最前線】 NANDフラッシュメモリの信頼性を保つ技術 - PC Watch
^ （3/5）100年持たせるデータ保存術 - 【フラッシュメモリー】長期間の放置でデータが消える - ITpro
^ IEDM 2008 - フラッシュメモリにも中性子線ソフトエラーが発生
- ^ ab“NOR FLASH FAQS - KBA222273 - Cypress Developer Community”. サイプレス (2018年3月26日). 2018年6月7日閲覧。
^ “MemCon Tokyo 2007レポート(フラッシュメモリ編)”. Impress Watch / PC Watch. 2013年3月5日閲覧。
^ 製品やメーカーによってはメモリセル単体の寿命を1万回や10万回程度の保証としている(SPANSION社のフラッシュメモリデータシートによる)
^ SSDの耐久性 - Hewlett-Packard
^ 寿命を迎えたフラッシュメモリのレポート - USBメモリの書き換え限界寿命が来ると何が起きるのか、実際に寿命が来たケースをレポート - GIGAZINE
^ IntelとMicronがマルチレベルNANDフラッシュの不良を解析 - PC Watch
^ メモリーカードの価格が大暴落中！ - All About
^ 東芝、300億円の営業赤字に 08年中間決算 - 47news
^ 東芝，NANDフラッシュ・メモリの赤字は通期で390億円 - 日経BP TechOn
^ フラッシュメモリー製造 米国NASDAQ上場Spansion Inc.子会社 Spansion Japan株式会社 会社更生法の適用を申請 負債741億円 - 帝国データバンク
参考文献
- 『フラッシュメモリ技術ハンドブック』 舛岡富士雄、サイエンスフォーラム、1993年8月。
関連項目
- 東芝
- 舛岡富士雄
- NAND型フラッシュメモリ
- NOR型フラッシュメモリ
- ウェアレベリング
- EEPROM
外部リンク
Toshiba : Global Top Page （英語）
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