TLCとQLC SSD：ソリッドステート・ドライブの比較

データ・ストレージ・ソリューションの世界では、3D NANDフラッシュ・メモリから構築されたソリッドステート・ドライブ（SSD）が紛れもないゲーム・チェンジャーとなっています。初期のSSDは、従来のハードディスク・ドライブ（HDD）と比較して、大規模なストレージとしては非常に高価でしたが、最新のSSDはより高速で、耐久性と信頼性に優れています。

すべてのSSDの中心となるのはフラッシュ・メモリー・セルです。最新のSSDは、3D NANDフラッシュ・テクノロジーを利用して、複数レイヤーのメモリー・セルを垂直にスタックします。

メモリー・セルを平面マトリクスに配置する旧式の2D NANDと比較して、フラッシュ・セルを垂直に積み重ねることにより、データ・ストレージの密度、容量、およびデータのビットあたりの総合的なコストが改善します。つまり、3D NANDはより多くのビットのデータを保管できるため、より優れています。

書き込み速度、耐久性、性能が向上したテラバイト単位のデータを保管できるようになったSSDは、ハイエンドの動画編集環境からプロフェッショナルなデータセンターまで、大規模なストレージのユースケースに適したソリューションです。

しかし、すべてのSDDが同じように作られているわけではありません。NANDフラッシュ・メモリー密度に基づいて分類されるSSDは、2D NANDフラッシュのみを使用するSSDであり、SLC（シングル・レベル・セル）ドライブとして知られています。その後のイノベーションにより3D NANDが登場し、MLC（マルチレベル・セル）、TLC（トリプル・レベル・セル）、QLC（クアッド・レベル・セル）ドライブが可能となり、状況に応じてビットあたりのコスト削減を拡大し、より優れた性能を実現しました。

QLCドライブとTLCドライブはいずれも、セル密度が比較的低いその他のドライブよりも低速ですが、Intel社やSamsung社などのメーカーは、DRAMやSLCキャッシングなどの技術を通じて最適化された性能を提供しています。

基本的に、ソリッドステート・ドライブ（SSD）は、フラッシュ・ストレージを使用してデータを保管するストレージ・ハードウェアの一種です。SSDは通常、NANDフラッシュと呼ばれるタイプのフラッシュを使用します。NANDフラッシュは、NOT AND論理ゲートと同様に機能するフローティング・ゲート・トランジスターの配置を使用してデータを保管します。この組み合わせがNANDフラッシュという名前の由来となっています。

各NANDセルには、制御論理ゲートとフローティング論理ゲートの両方が含まれ、薄い酸化膜で分離されています。ファウラー・ノルドハイム・トンネルとして知られるプロセスにより、フラッシュ・メモリーは電荷を使用してバイナリ・データを保管できます。この電荷は、フローティング・ゲートに電子を閉じ込めたり（2進数の値1を表す）または除去したりする電圧（2進数の値0を表す）で送られます。

NORフラッシュは、NEITHER OR論理ゲートと同様のセル構造を使用するフラッシュ・セルで、通常はブート・データなどの小さなファイルに使用されます。

NANDフラッシュが一般的なストレージに適しているのは、主に次の特性によります。

• 不揮発性：NANDフラッシュは、安定した電源がなくてもデータを正確かつ確実に保持できます。

• ブロックベース：NANDフラッシュは、データの読み書きに大きな情報ブロックを使用します。ブロックを使用すると、バイト単位のアプローチと比較して性能が向上します。

• 大規模に効率的：NANDフラッシュのブロック・ベース構造は、シーケンシャル・コンピューティング・タスクに特に優れており、NORフラッシュや他の種類のストレージと比較して効率とデータ容量が向上しています。

• 耐久性：NANDフラッシュは、破損する可能性のある可動部品を必要とするフロッピー・ディスクやHDDなどの物理ストレージ・デバイスと比べ、はるかに耐久性があります。

最初のSSDは、古いHDDテクノロジーの性質を受け継いだレガシー・インターフェースであるSATA（シリアルATA）メモリー・ストレージ・インターフェースとの互換性を考慮して設計されました。しかし、最近のほとんどのSDDでは、比較的新しい不揮発性メモリー・エクスプレス（NVMe）プロトコルを使用して、高速の周辺機器相互接続（PCI）または PCI Express（PCIe）インターフェイスを活用し、さらに優れた性能を実現しています。

SATA SSDの約20倍高速なNVMe SSDは、1秒あたり3,500MBから最大14,000MBのデータ転送速度を実現できます。NVMeドライブは、スループットの向上に加えて、数千のコマンド・キューを同時に実行でき、レイテンシー・テストでは一貫してSATAドライブを上回るパフォーマンスを実現します。

こうした理由から、NVMe SSDは家庭用電化製品や高性能なプロフェッショナル・アプリケーションの業界標準となりました。

最終的に、TLCドライブとQLCドライブの価値を評価していくと、性能と耐久性、またはストレージ容量とコスト効率の比較に帰結します。

一般に、TLC SSDは、一貫した性能、信頼性、堅牢な耐久性が決定要因となる状況に適しています。TLC SSDは、何度も確実にデータを書き込み、取得する際に信頼性があります。これらは、専門的なワークロードやコンテンツ作成においてよく選ばれています。

逆に、QLC SSDは、大容量で低コストのストレージや読み取りが多いデータ・ウェアハウスに適しています。このタイプのSSDは、頻繁にアクセスされる可能性のある長期的なデータを保管する上で信頼されています。ただし、書き込みサイクルの増加が求められる状況では、データの読み取りだけでなく書き込みや再書き込みが必要とされる可能性があり、より寿命が長くより優れた書き込み耐久性を持つTLC SSDの方が適している可能性があります。

耐久性の観点から、SSDにはTBW（書き込みテラバイト数）という定格が与えられており、これは摩耗や劣化が生じる前にドライブに書き込めるデータ量を示します。この定格は、物理的なハードウェアの劣化が性能やオペレーションに悪影響を与え始める可能性のある時期を示します。QLCドライブは、各セルに保管されるデータが大量に増えるため、より多くの摩耗が発生するため、通常、TLCドライブに比べてTWB評価が低くなります。

現在、TLCドライブが耐久性の点でQLCよりも優れていることは注目に値します。QLCドライブによく見られる低耐久性の問題に関連するデメリットに対処するために、誤り訂正アルゴリズムの改善により、これらのタイプのNANDフラッシュ・ドライブ間のギャップが縮小してきています。

QLCドライブとTLCドライブの違いは、アーキテクチャー、寿命、性能、ユースケースに基づいて要約できます。

• ストレージ・アーキテクチャー：メモリー・セルあたり3ビットのデータを保持するTLC NAND型フラッシュ・メモリーを使用します。

• 性能：TLCはQLCより高価ですが、容量、価格、書き込み速度と読み取り速度のバランスが取れています。一般に、耐久性と多用途性が高く、頻繁な読み取り・書き込みオペレーションや書き込み集中型のタスクに最適化されています。

• ユースケース：ユースケースには、ゲーム、3Dレンダリング、その他の種類のコンテンツ作成など、要求の高いタスクが含まれます。

• 寿命：TLCドライブの寿命は通常、約1,000～3,000回の書き込みサイクルです。

• ストレージ・アーキテクチャー：メモリー・セルあたり4ビットのデータを保持するQLC NANDフラッシュ・メモリーを使用します。

• パフォーマンス：より大容量のストレージを低価格で提供します。容量の増加には、性能と寿命のトレードオフが伴います。QLCドライブは通常、書き込みパフォーマンスよりも優れた総合的な読み取りパフォーマンスを実現します。これらは、参照する必要性はあるものの、頻繁に編集や消去、書き換えをしないデータのアーカイブ・ストレージに適しています。

• ユースケース：大容量ファイルやバックアップの長期保存など、書き込み操作よりも多くの読み取り操作が必要な軽量タスクに理想的です。メディア・ストレージ、軽量な日常のストレージ、コンピューター・バックアップなど、速度の低下に耐えられる安価な大容量ストレージを活用できるタスクに理想的です。

• 寿命：QLCドライブは、データ容量の増加によりメモリー・セルの消耗が速くなるため、通常、寿命が書き込みサイクル約1,000回と、TLCドライブに比べて短くなっています。