NAND型フラッシュ・メモリーとは

「NAND」という用語は、「NOT」と「AND」を組み合わせたもので、NANDセルの内部構造を制御する論理ゲートを指します。

NAND型フラッシュ・メモリーは、その高いストレージ密度と不揮発性だけでなく、高速データ転送、耐久性、低消費電力という点でも際立っています。これらの特性により、NAND型フラッシュ・メモリーは、スマートフォンからデジタル・カメラ、ゲーム機、タブレット・コンピューターに至るまで、日常の個人用電子機器の主要なストレージ・ソリューションとなっています。

企業レベルおよび産業レベルでのNANDの使用例としては、データセンター、組み込み自動車システム、医療用画像設備、通信インフラストラクチャーなどが挙げられます。

消費者向けおよび企業向けアプリケーション全体でデータ・ストレージの需要が高まっていることから、NAND型フラッシュ・メモリーの市場規模は2025年の557.3 億米ドルから2030年には726億米ドルに拡大すると予想されています。この成長は期間中の年間複合成長率（CAGR）5.43%を反映しています。¹ 成長はAIインフラストラクチャーへの投資、消費者向け電子機器におけるSSDの採用増加、ストレージ・コストを下げる3Dチップ・テクノロジーによって推進されています。

NAND型フラッシュ・メモリーは、エンタープライズ・レベルの生成AIの導入においても重要な役割を果たしています。生成AIアプリケーションでは、テキスト、画像、動画などのトレーニング・データとコンテンツを保管するために大量のストレージを必要とします。これらのデータは、NAND型フラッシュ・メモリー・チップを搭載したSSDに保管されます。

電源が除去されるとデータが失われるDRAM（ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリー）などの揮発性メモリーとは異なり、NAND は浮遊ゲートに電荷を閉じ込めることで情報を保持する不揮発性メモリーです。

NAND型フラッシュ・メモリーは、フローティング・ゲート・トランジスタと呼ばれる特別なコンポーネントを使用してデータを格納します。これらのトランジスタは、「NOT」および「AND」オペレーションを使用してバイナリ信号（1と0）を処理する基本的なデジタル回路であるNAND論理ゲートのように機能する一連パターンに配置されています。

NAND型フラッシュの各メモリー・セルには、制御ゲートとフローティング・ゲートという2つの主要な部分が含まれており、酸化物材料の薄層で隔離されています。電荷を閉じ込めることができる小さなコンテナと考えてください。

NANDセルへの書き込み操作、ファウラー・ノルドハイム・トンネリングと呼ばれるプロセスを通じて電荷が適用されるときに始まります。この電荷により、電子はフローティング・ゲートに押し込まれ、そこで捕捉され、2進値を表します。データを消去するには、セルから電荷を除去し、捕捉された電子を解放するだけです。

NAND型フラッシュを効率化しているのは、ブロックベースのアーキテクチャーです。NANDは、一度に1ビットずつデータを書き込んだり消去したりするのではなく、大きなブロックで情報を処理します。このプロセスは、連続操作や大規模な保管に最適です。

NAND型フラッシュ・メモリーのメリットは次のとおりです。

• 不揮発性ストレージ：電源をオフにしてもデータを保持できるため、オペレーティング・システム、アプリケーション、ユーザー・ファイルの永続的なストレージが実現します。

• 低遅延：高性能なデータ集約型アプリケーションのデータ・アクセス速度を高速化します。

• 高いストレージ密度：USBカードからエンタープライズSSDまで、大容量のストレージをコンパクトなフォーム・ファクターに搭載しています。

• エネルギー効率：機械式ドライブよりも必要な電力が少ないため、バッテリー寿命が長くなり、データセンターのコストが削減されます。

• 耐久性： 可動部品がないため、ハードディスク・ドライブ（HDD）ストレージよりも物理的な衝撃や振動への耐性があります。

• 信頼性：故障率の低下とウェアレベリング（摩耗平準化）技術により、一貫したパフォーマンスが確保され、サイバー・レジリエンスと事業継続性がサポートされます。

NAND型フラッシュ・メモリーの基礎は、1960年のMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）の開発から始まり、これにより電子機器の大幅な小型化が可能になりました。

1967年、Bell Labsの研究者であった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マブルな読み取り専用メモリー（ROM）として再利用することを提案しました。

この概念は、消去可能なメモリー・テクノロジーの基礎を築きました。1971年までに、IntelのエンジニアであるDov Frohman氏は、チップ上の透明な窓を通して紫外線を使ってデータを消去する消去可能PROM（EPROM）を発明しました。

次の進歩は、1970年代後半から1980年代初頭に電気的消去可能ROM（EEPROM）です。EPROMとは異なり、EEPROMは電気信号を使って消去される場合があります。このイノベーションにより、利便性と機能が大幅に向上しました。

フラッシュ・メモリーは、1980年代に東芝の舛岡富士雄博士の研究により登場しました。「フラッシュ」という言葉は、「カメラのフラッシュと同じ速さで」チップからデータを消去できることに気付いた同僚の言葉です。

2000年代から2010年代にかけて、メーカーはセル設計と製造技術のイノベーションを通じて、NAND型フラッシュ・メモリーの密度、性能、信頼性を大きく進歩させました。これらのイノベーションにより、NAND型フラッシュはニッチ・ストレージ・テクノロジーから最新のデータ・ストレージの基盤に変わりました。

フラッシュ・メモリーには、NOR型フラッシュとNAND型フラッシュの2種類があります。

NAND型フラッシュは、連続に配置されたメモリー・セルで「NOT AND」ブール論理ゲートを使用し、大容量ストレージのニーズに合わせてストレージ密度と逐次操作を優先します。

NOR型フラッシュは、並列に接続されたフラッシュ・メモリー・セルに「NOT OR」ブール論理ゲートを使用し、個々のバイトを迅速に読み取り、プログラムできるようにします。このプロセスにより、NOR型フラッシュは、ファームウェア、BIチップ、組み込みシステムなど、メモリーから直接コードを実行する必要があるアプリケーションに適しています。ただし、NOR型フラッシュは書き込みと消去の速度が遅く、ストレージ密度が低く、ビットあたりのコストが高くなります。

NOR型フラッシュはコード実行タスクにとっては依然として重要ですが、NAND型フラッシュはほとんどのアプリケーションで主要なストレージ・テクノロジーとなっています。

NAND型フラッシュ・メモリーの種類は、個々のセルに保管できるビット数によって分類されます。各タイプには、P/Eサイクル（プログラムまたは消去サイクル）で測定される耐久性評価が異なります。

次のようなものがあります。

• SLC（シングル・レベル・セル）：セルごとに1ビットを保存します。SLC NANDはギガバイトあたり最も高価ですが、最大10万回の消去サイクルと最高の性能、信頼性、耐久性を実現します。これは、ミッションクリティカルなエンタープライズ・ワークロードを実行するエンタープライズ環境で使用されます。

• MLC（マルチレベル・セル）：セルあたり2ビットを格納します。ギガバイトあたりのコストを削減し、SLCのストレージ密度を2倍にしますが、速度は遅くなります。ミッドレンジと手頃な価格を実現するMLCは、耐久性があまりクリティカルでない多くの消費者向けSSDやプロフェッショナルなワークステーションに組み込まれています。

• TLC（トリプル・レベル・セル）：セルあたり3ビットを保管します。TLCは、P/Eサイクルが3,000しかないため、SLCやMLCよりも耐久性が低くなります。ただし、より高い密度で低コストでデータを保存できるため、主流のコンシューマー向けSSD製品で頻繁に使用されています。

• QLC（クアッド・レベル・セル）：セルあたり4ビットを格納します。この仕様は、ストレージ容量を最大化し、ギガバイトあたりのコストを最小化するため、書き込みサイクル耐久性がそれほど重要でない読み取り集中型のワークロード（ストリーミング、アーカイブ、ファイル・ストレージなど）に最適です。QLCは、データの整合性を維持するために高度な誤り訂正にも大きく依存しています。

SLC（シングル・レベル・セル）は、セルごとに1ビットを格納します。SLC NANDはギガバイトあたり最も高価ですが、最大10万回の消去サイクルと最高の性能、信頼性、耐久性を提供します。これは、ミッションクリティカルなエンタープライズ・ワークロードを実行するエンタープライズ環境で使用されます。

最新のSSDは、シリコン・ウェーハ上に複数のメモリー・セルの層を垂直に積み重ねるアーキテクチャーの一種である3D NANDモリーを使用しています。メモリー・セルを平面マトリックスに配置する旧来の2D NANDと比較して、3D NANDは同じフットプリント内でより多くのメモリー・セルを使用できます。この機能により、データ・ストレージ密度、容量、およびデータのビットあたりの全体的なコストが最適化され、メモリー・セルの数が増えます。

S&S Insiderのレポートによると、3D NAND型フラッシュ・メモリーの市場規模は2023年に175億9,000万米ドルと評価されました。また、2024年から2032年にかけてCAGRが17.61%増加し、2032年までに754億4,000万米ドルに達すると予想されています。²

3D NANDテクノロジーは人工知能（AI）時代のデータ保管において重要な役割を果たします。従来のNANDソリューションよりも書き込み速度が最大50%速いため、3D NANDを搭載したSSDやオールフラッシュ・ストレージは、生成AI向けのストレージとして使用されています。これにより、処理装置の近くで事前にトレーニングされたモデルや大規模なデータ・セットへの高速アクセスがサポートされます。データ取得の待ち時間を削減することで、3D NANDはAIや 機械学習（ML）ワークフローのパフォーマンスを向上させます。