公開日：2024年6月27日
寄稿者：Phill Powell、Ian Smalley
フラッシュ・メモリーは、不揮発性メモリーの一種で、電源がなくても継続的に記憶することができます。データ・ブロックのバイト・レベルでの書き換えと削除を可能にします。
「フラッシュ」という言葉は、スピードと同義です。閃光は一瞬の光で、すぐに発生し消えます。従来の「フラッシュ・カード」は、記憶の技術を強化するために設計された高速の教材です。その中で最速のスーパーヒーローであるフラッシュは、スーパーマンと競争して、粉々の雲の中に置き去りにすることができます。
フラッシュ・メモリー・デバイスは広く使用されており、特殊な目的でデータを保存します。USBフラッシュ・ドライブ、スマートフォン、デジタル・カメラ、ビデオ・ゲーム、タブレット・コンピューター、フラッシュ・メモリー・カード、SDカードなど、さまざまなポータブルデバイスに使用されています。
さらに、フラッシュ・メモリーは、これまではコンピュータのハードディスク・ドライブに限られていた機能の一部を引き継いでいます。たとえば、誰かがコンピューターの電源を入れると、そのコンピューターは基本入出力システム（BIOS）と呼ばれる起動シーケンスを実行します。BIOSを最初に搭載したファームウェアでは、読み取り専用メモリー（ROM）チップを使用する必要がありました。後続のシステムでは、BIOS用のフラッシュ・メモリーに切り替えられ、システム・ボードからチップを取り出さなくても、中身を書き換えることができるようになりました。
IBM FlashSystemのバーチャル・ツアーに参加して、サイバー・レジリエントなプライマリー・ストレージ・システムについて詳しく学びましょう。
フラッシュ・メモリーは、フローティング・ゲート・トランジスターをベースとしたフラッシュ・メモリー・セルにデータを保存します。フラッシュ・メモリー・チップのコンピューター・メモリー・セルは、そのフラッシュ・メモリー・セルを通過する電流のルーティング・スイッチとして機能する、トランジスターで構成されています。
フラッシュ・メモリー・チップは、街路のように配置されています。メモリー・セルは列ごとに分散されており、各列はビット・ラインと呼ばれます。都市区画と同様に、これらのチップには交差点があり、各交差点にはトランジスターが配置されています。さらに、これらのトランジスターには、それぞれ2つのゲートがあります。
その1つが、トランジスタの最上層にあるコントロール・ゲートです。もう1つのゲートはフローティング・ゲートと呼ばれ、コントロール・ゲートとMOSFETトランジスタチップの上層の間を効果的に浮遊しているため、このように名付けられました。
さらに、コントロール・ゲートとフローティング・ゲートの間には、二酸化ケイ素（SiO2）が含まれていますが、酸化膜と呼ばれる薄い分離層があります。
フラッシュ・メモリーの特定の容量により、そのフラッシュ・メモリーの使用が低密度、中密度、または高密度に分類されます。記録密度が高いほど、フラッシュ・メモリーの容量が大きくなります。
コンピューティングの進歩のほとんどは、累積的な過程を経てきました。まず最初に、初期の中央処理装置（CPU）が開発されました。1960年までに、MOSFETトランジスターが開発され、これによりエレクトロニクス産業の大幅な小型化が可能になりました。
1967年、Bell Labsの2人の研究者（Dawon Kahng氏とSimon Min Sze氏）は、MOSFETのフローティング・ゲートを再プログラム可能な読み取り専用メモリー（ROM）のソースとして活用することを提案しました。1971年までに、Intel社のエンジニアであったDov Frohman氏は、Erasable Programmable Read-Only Memory（EPROM）を発明しました。EPROMは、すべてチップ上に透明な窓があるため、視覚的にすぐに識別できます。
次の段階では、電気的に消去可能なプログラムの別の形式である、Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory（EEPROM）が開発されました。EEPROMは、1970年代後半から1980年代初頭にEPROMの改良版として開発されました。
EPROMとEEPROMの最も大きな違いは、データの消去方法です。EPROMのデータは紫外線（UV）で消去できるが、EEPROMは電気信号で消去する必要があります。
私たちが知っているフラッシュ・メモリーは、日本の大手メーカー、東芝の在職中にフラッシュ・メモリーを発明した舛岡富士雄博士の先駆的な仕事により、1980年代に始まりました。
舛岡氏の同僚は、半導体チップからすべてのデータが消去される速さ、そのプロセスがカメラのフラッシュ・ユニットの速度と一致しているかのように変化していることに気づきました。そしてフラッシュ・メモリーが誕生し、今ではそのように呼ばれています。
フラッシュ・メモリー技術には、2つの基本的な種類があり、それぞれに独自のアーキテクチャーとアルゴリズムがあります。さらに、各記憶媒体にはそれぞれ長所と短所があります。
NAND型フラッシュ・メモリーは、「NOT」と「AND」を組み合わせでできています。これは、NANDセルの内部回路を制御する論理ゲートを指しています。
NANDセルがプログラムされていると、電流がコントロール・ゲートに到達し、電子がフローティング・ゲート上に流れ、電流を妨げる正味の正電荷が発生します。酸化膜はフローティング・ゲートを隔離し、フローティング・ゲート上の電子が保存されているデータとともに、そこに保持されるようにします。これにより、フラッシュ・メモリーは電荷を保持しながらデータを保持することができます。
NANDセルは、データのブロック全体を削除するように設計されているため、迅速に消去できます。同じように、メモリー・セルに電荷が与えられます。これにより、フローティング・ゲート内にトラップされていた電子（およびデータ）がチップ下部の分離層に戻されます。これにより、メモリー・セルが効果的に消去されます。
NANDフラッシュ・メモリー・チップの製造は簡単でも高速でもありません。1 800以上の異なる製造プロセスが必要であり、1つのNAND「ウェーハ」を作るには、1か月ほどかかります。ウェーハは通常、直径12インチの中サイズのピザと同じくらいの大きさです。個々のNANDチップは、人間の指の爪ほどの大きさであり、これらのウェハーから切り出されて、チップの品質と全体的な有用性に応じてランク付けされます。
NANDチップには多くの利点があります。まず、NANDチップには可動部品が含まれていないため、堅牢であり、機械的なショック、過度の動作温度、または高い圧力に耐えることができます。この点では、NANDチップの動作は、振動の影響を受けやすいハードディスク・ドライブ（HDD）に比べて優れています。
一方で、NAND型には欠点もあります。特に注目すべきは、この記憶媒体がメモリーへの無限の書き換えを可能にする、オープン・エンドではないということです。NANDチップは特定の回数しか書き換えられないため、継続的な有用性が制限されます。
さらに、NANDフラッシュ・メモリーには、他のシステムやデバイスと同じ制約があります。つまり、組織にはデータがあふれており、NANDメモリー・セルは新しい形式のメモリー・セルを設計することで、それに対応する必要がありました。シングル・レベル・セル（SLC）メモリーや、各セルに1ビット、2つのレベルの電荷を保持することから始まったものは、時間の経過とともに増加し、その結果、マルチ・レベル・セル（MLC）、トリプル・レベル・セル（TLC）、クアドラプル・レベル・セル（QLC）もあります。
対照的なNANDと同様に、NORフラッシュ・メモリーの名前は「NOT」と「OR」という2つの単語を組み合わせたもので、NORセルの内部回路を制御する論理ゲートのタイプを指します。
NORフラッシュ・メモリーでは、メモリ・セルはビット線に並列に接続されています。これにより、個別に読み取り、プログラムすることができます。各メモリー・セルの一端はグラウンドに接続され、もう一端はビット線に接続されています。
NORの主な利点は、読み取り速度、書き換えの回数が多いこと、およびランダム・アクセス・データに対応できることです。そのため、NORゲートは地方自治体の信号システム、産業オートメーション、警報システム、デジタル回路設計、電子機器での使用に最適です。NORフラッシュのもう1つの重要な利点は、NORフラッシュを使用する場合、NORデバイスがデータ・ストレージとコード実行の両方を1つのデバイスで処理できることです。
欠点は、NORフラッシュ・メモリーは、セル・サイズが大きいことです。これにより、NANDフラッシュ・メモリーよりも書き込みと消去の速度が遅くなります。
ここからは、2つのフラッシュ・メモリーの違いについて説明していきます。
NANDフラッシュ技術とNORフラッシュ技術の主な設計上の違いは、メモリー・セルが半導体内でどのように分布しているかです。NANDチップでは、これらのセルは垂直に整列しています。NORチップでは、メモリセルは水平に配置されています。この設計の違いにより、これらのメモリシステムは、速度とパフォーマンスの速度が異なる、異なる方法で機能します。
NANDテクノロジーのレイテンシーは、通常80～120マイクロ秒の範囲ですが、NORのレイテンシー・レート（ibm.com外部へのリンク））は、160～210 ナノ秒の範囲であると考えられており、NORフラッシュ・メモリーではレイテンシが小さくなる傾向があります。
NANDフラッシュ・メモリーの一般的な寿命は、3～5年と推定されることが多いです。対照的に、NORフラッシュ・メモリーの寿命については、20年から最大100年（以上）と推定されています。
NAND技術とNOR技術のもう一つの違いは、それぞれが必要とする電力量ですが、消費電力はトレードオフの関係にあります。例えば、NANDは起動時の消費電力は少ないですが、スタンバイ・モードではより多くの電流を消費します。これは、電源を入れたときには多くの電流が必要であるものの、スタンバイ時には少ないエネルギーしか消費しないNORとはまったく異なります。
それぞれが実行する「作業」中に使用する電力量はほぼ同等ですが、この測定値はそれぞれが使用するメモリの速度に影響を及ぼし、各テクノロジーが実行するアクティビティーによって異なります。NORは迅速なデータ読み取りに特化しており、その際の消費電力を抑えます。データの書き込みおよび消去の場合、NANDはNORよりも少なくて済みます。
ここで注目すべきは、NANDフラッシュ・メモリーも、NORフラッシュ・メモリーも、他の形式のメモリで通常達成される処理速度に近づくことはできないということです。キャッシュ・メモリーは、コンピューターのランダム・アクセス・メモリー（RAM）と中央処理装置（CPU）の間の位置することから、すべての中で最も高速なメモリーであると考えられています。
さらに、NANDがNORよりも高速か、あるいはその逆かについて決定的な答えはありません。それぞれがそのタイミングでどのように使用されているかによって異なります。クイック読み取りに基づく比較の場合は、NORの方が高速です。タスクの実行とデータ管理に関する比較の場合は、NANDの方が高速です。
NANDやNORは、NANDよりも最大100倍高速の高性能速度を実現し、アプリやプログラムの動作中に一時的なファイル・ストレージを提供する独自のRAM形式であるダイナミック・ランダム・アクセス・メモリー（DRAM）に追いつくことができません。（ただし、DRAMは揮発性のあるメモリーであることにも注意する必要があります。DRAMの最大の用途は、その瞬間に発生する処理を支援することです。なぜなら、電源がオフになったり、失われたりすると、DRAMメモリーはすべてのデータを失ってしまうからです。）
もう1つの重要な差別化要因として、NANDフラッシュ・メモリーは、NORよりもはるかに大きなストレージ容量を提供し、通常は64 Mb～2 Gbのメモリー単位で利用できるのに対し、NANDストレージ・ソリューションの容量は1 Gb～16 Gbであり、NANDの最大ストレージ容量はNORの最高容量の8倍になります。
NANDとNORには、それぞれの使用目的に基づいて、その他にも重要な違いがあります。NANDは書き換えやデータ・ブロック消去などの「詳細な」プロセスの実行に適しているのに対して、NORは関与の少ない迅速なデータ検索に優れています。
新しいIBM FlashSystem 5300で、パフォーマンスとサイバー・レジリエンスの向上をご体感ください。
データ・ストレージ・ハードウェア、ソフトウェア定義ストレージ、またはストレージ管理ソフトウェアが必要かどうかにかかわらず、組織にとって最適なデータ・ストレージ・テクノロジを選択しましょう。IBM Storageソリューションは、最高レベルのサイバーセキュリティー機能でデータを保護し、オペレーティング・システムの重要なアクティビティーを保護します。
すべてのアプリケーションを強化し、データ管理を合理化し、サイロを減らして複雑さを軽減し、データセンターを最適化します。ストレージ仮想化オプションは、サーバーおよびデスクトップ環境の安全性、信頼性、効率を維持するのに役立ちます。
オンプレミスとクラウド・データセンター間、または複数のクラウド・データセンター間でデータを移行する方法をご覧ください。いずれの場合でも、オンプレミスのストレージとパブリッククラウドの間で一貫したデータ管理のメリットが得られます。災害復旧戦略の実装方法についてもご紹介します。
フラッシュ・ストレージとは何か、またビジネスで活用されている主なフラッシュ・ストレージについてご紹介します。お客様事例とフラッシュ・ストレージがどのようにビジネス・ニーズに役立つかをご覧ください。フラッシュ・ストレージの歴史と今後のトレンドの予測についてもご紹介しています。
データを保存し、データが変更されないようにすることとは、データを安全に保ち、改ざんの脅威から解放するためのストレージ・プロトコルである、イミュータブル・ストレージの仕事です。その詳細をご覧ください。
データ・ストレージ（磁気、光学、または機械メディアを使用してデジタル情報を記録および保存するプロセス）には、さまざまな形式、種類、デバイスがあります。データ・ストレージがビジネスにもたらす影響に加えて、それぞれの詳細についてご紹介します。
サイバーセキュリティーの脅威に対する組織の防御の強度を確認しましょう。サイバー・レジリエンスは、サイバーセキュリティー・インシデントが発生した場合に、企業が通常運営に戻る能力に加えて、それがどの程度効果的かの指標です。
NAND型フラッシュ・メモリーの優れた速度を、半導体ベースの設計により永続的なデータを保存するソリッド・ステート・ドライブ（SSD）と組み合わせましょう。ソリッドステート・ストレージ・システムの長所と短所を探り、ハードディスク・ドライブとの比較をご覧ください。
不揮発性メモリ・エクスプレス（NVMe）がPeripheral Component Interconnect Express（PCIe）バス経由でフラッシュ・ストレージにアクセスすることで、単一の接続で可能な並列リクエストの数を数千に拡大する方法をご覧ください。
脚注
1 “Understanding NAND Flash Technology” （ibm.com外部へのリンク） Simms.