NAND フラッシュ SLC、MLC、TLC、QLC の SSD チップの異なるグレードの違いを理解する

NANDフラッシュの正式名称はフラッシュメモリで、不揮発性メモリデバイス（Non-volatile Memory Device）に属します。これはフローティング ゲート トランジスタの設計に基づいており、電荷はフローティング ゲートを介してラッチされます。フローティングゲートは電気的に絶縁されているため、電圧が除去された後でもゲートに到達した電子はトラップされます。これがフラッシュの不揮発性の理論的根拠です。データはこれらのデバイスに保存され、電源を切っても失われることはありません。
さまざまなナノテクノロジーに従って、NAND フラッシュは SLC から MLC、そして TLC への移行を経験し、QLC に向かって進んでいます。NANDフラッシュは、その大容量と高速な書き込み速度により、eMMC/eMCP、Uディスク、SSD、自動車、モノのインターネットなどの分野で広く使用されています。

SLC (英語の正式名 (Single-Level Cell – SLC) は単一レベルのストレージです)
SLC技術の特徴は、フローティングゲートとソース間の酸化膜が薄いことです。データを書き込む場合、フローティングゲートの電荷に電圧を印加し、ソースを通過させることで蓄積電荷を消去できます。つまり、0 と 1 の 2 回の電圧変化だけで 1 つの情報単位、つまり 1 ビット/セルを保存でき、高速、長寿命、強力なパフォーマンスが特徴です。デメリットは容量が少ないこととコストが高いことです。

MLC (英語の正式名 Multi-Level Cell – MLC) は、多層ストレージです。
Intel (インテル) は、1997 年 9 月に初めて MLC の開発に成功しました。その機能は、2 つの情報をフローティング ゲート (フラッシュ メモリ セルの電荷が保存される部分) に保存し、異なる電位 (レベル) の電荷を利用することです。 ）、メモリに保存された電圧制御による正確な読み取りと書き込み。
つまり、2ビット/セル、各セルユニットは2ビットの情報を保存し、より複雑な電圧制御が必要で、00、01、10、11の4つの変化があり、速度は一般に平均的、寿命は平均的、価格は平均的、約消去および書き込み寿命は 3000 ～ 10000 回です。MLC は多数の電圧グレードを使用して機能し、各セルは 2 ビットのデータを保存し、データ密度は比較的大きく、一度に 4 つ以上の値を保存できます。したがって、MLC アーキテクチャはより優れたストレージ密度を実現できます。

TLC (英語の正式名称 Trinary-Level Cell) は 3 層ストレージです
TLC はセルあたり 3 ビットです。各セルユニットには 3 ビットの情報が格納され、MLC に比べて 1/2 多くのデータを格納できます。電圧変化は000から001までの8種類、つまり3bit/セルです。8LC という Flash メーカーもあります。アクセス時間が長くなり、転送速度が遅くなります。
TLC の利点は、価格が安く、メガバイトあたりの生産コストが最も低く、価格は安いですが、寿命が短く、消去および書き換え寿命が約 1000 ～ 3000 回だけですが、厳しくテストされた TLC 粒子 SSD は、通常5年以上使用可能。

QLC（英語正式名Quadruple-Level Cell）4層ストレージユニット
QLC は 4 ビット MLC、つまり 4 層の記憶単位、つまり 4 ビット/セルとも呼ばれます。電圧変化は16回ありますが、容量は33%増加できます。つまり、書き込み性能と消去寿命はTLCに比べてさらに低下します。特定の性能テストでは、マグネシウムが実験を行いました。読み取り速度に関しては、どちらの SATA インターフェイスも 540MB/S に達します。QLC は、MLC や TLC よりも P/E プログラミング時間が長く、速度が遅く、連続書き込み速度が 520MB/s から 360MB/s に低下するため、書き込み速度のパフォーマンスが低下します。ランダム パフォーマンスは 9500 IOPS から 5000 IOPS に低下します。 IOPS、ほぼ半分の損失。

PS: 各セルユニットに保存されるデータが増えるほど、単位面積あたりの容量は増加しますが、同時に異なる電圧状態の増加につながり、制御がより困難になるため、NAND フラッシュチップの安定性が低下します。劣化がひどくなったり、寿命が短くなったりと、それぞれメリット・デメリットがあります。

(NAND フラッシュの読み書き寿命は参考値です)
4 種類の NAND フラッシュ メモリの性能が異なることは明らかです。SLC の単位容量あたりのコストは、他のタイプの NAND フラッシュ メモリ粒子よりも高くなりますが、データ保持時間が長く、読み取り速度が速くなります。QLC は大容量で低コストですが、信頼性と寿命が低いため、欠点やその他の欠点がまださらに開発される必要があります。

生産コスト、読み書き速度、耐用年数の観点から見た 4 つのカテゴリのランキングは次のとおりです。
SLC>MLC>TLC>QLC;
現在の主流のソリューションは MLC と TLC です。SLC は主に軍事および企業アプリケーションを目的としており、高速書き込み、低いエラー率、および長い耐久性を備えています。MLC は主に消費者向けアプリケーションを対象としており、容量は SLC の 2 倍で、低コストで、USB フラッシュ ドライブ、携帯電話、デジタル カメラ、その他のメモリ カードに適しており、現在では消費者向け SSD にも広く使用されています。 。

NANDフラッシュメモリは、空間構造の違いにより2D構造と3D構造の2つに分類できます。フローティング ゲート トランジスタは主に 2D フラッシュに使用され、3D フラッシュでは主に CT トランジスタとフローティング ゲートが使用されます。は半導体、CTは絶縁体であり、両者は性質や原理が異なります。違いは次のとおりです。

2次元構造NANDフラッシュ
メモリ セルの 2D 構造はチップの XY 平面内にのみ配置されているため、2D フラッシュ テクノロジを使用して同じウェハ内で高密度を達成する唯一の方法は、プロセス ノードを縮小することです。
欠点は、NAND フラッシュのエラーがノードが小さいほど頻繁に発生することです。さらに、使用できる最小プロセス ノードには制限があり、ストレージ密度は高くありません。

3D構造NANDフラッシュ
記憶密度を高めるために、メーカーは同じウェーハ上の Z 面にメモリセルを積層する 3D NAND または V-NAND (垂直 NAND) テクノロジーを開発しました。

3D NAND フラッシュでは、メモリ セルは 2D NAND の水平ストリングではなく垂直ストリングとして接続され、この方法で構築することで、同じチップ面積で高いビット密度を達成することができます。最初の 3D Flash 製品には 24 のレイヤーがありました。