マルチレベルセル

エレクトロニクスにおいて、マルチレベルセル( MLC ) は、 1ビット以上の情報を保存できるメモリセルです。これに対し、シングルレベルセル( SLC ) は、メモリセルあたり 1 ビットしか保存できません。メモリセルは通常、単一のフローティングゲート MOSFET (金属酸化物半導体電界効果トランジスタ) で構成されているため、マルチレベルセルでは、シングルレベルセルと同じ量のデータを保存するのに必要な MOSFET の数が少なくなります。

トリプルレベルセル( TLC ) とクアッドレベルセル( QLC ) は MLC メモリのバージョンで、それぞれセルあたり 3 ビットと 4 ビットを保存できます。「マルチレベルセル」という名前は、特に「 2レベルセル」を指すために使用されることがあります。全体として、メモリは次のように命名されています。

1. シングルレベルセルまたはSLC（セルあたり1ビット）
2. マルチレベルセルまたはMLC（セルあたり2ビット）、またはダブルレベルセルまたはDLC
3. トリプルレベルセルまたはTLC（セルあたり3ビット）または3ビットMLC
4. クアッドレベルセルまたはQLC（セルあたり4ビット）
5. ペンタレベルセルまたはPLC（セルあたり5ビット） - 現在開発中^[1]

この命名法は誤解を招く可能性があることに注意してください。「nレベル セル」は実際には 2 ⁿレベルの電荷を使用してnビットを格納するためです (以下を参照)。

通常、「レベル」の数が増えると、パフォーマンス (速度と信頼性) と消費者コストは低下しますが、この相関関係はメーカーによって異なる場合があります。

MLC メモリの例としては、MLC NAND フラッシュ、MLC PCM (相変化メモリ) などがあります。たとえば、SLC NAND フラッシュ テクノロジーでは、各セルは 2 つの状態のいずれかで存在でき、セルごとに 1 ビットの情報を格納します。ほとんどの MLC NANDフラッシュ メモリはセルごとに 4 つの状態が可能なため、セルごとに 2 ビットの情報を格納できます。これにより、状態を分離するマージンの量が減少し、エラーの可能性が高くなります。エラー率を低く抑えるように設計されたマルチレベル セルは、エンタープライズ MLC ( eMLC ) と呼ばれることもあります。

マルチレベルセルや3Dフラッシュなどの新技術と生産量の増加により、価格は引き続き低下するだろう。^[2]

フラッシュメモリは、フローティングゲートMOSFETトランジスタで作られた個々のメモリセルにデータを保存します。従来、各セルには2つの状態（それぞれに1つの電圧レベル）があり、各状態は1または0のいずれかを表していたため、いわゆるシングルレベルセル、またはSLCフラッシュメモリの各セルには1ビットのデータが格納されていました。SLCメモリの利点は、書き込み速度が速く、消費電力が少なく、セルの耐久性が高いことです。ただし、SLCメモリはMLCメモリよりもセルあたりに保存できるデータが少ないため、製造コストはストレージ1メガバイトあたりで高くなります。転送速度が速く、寿命が長いことが期待されるため、SLCフラッシュテクノロジーは高性能メモリカードで使用されています。2016年2月、SLCとMLCの信頼性に実際にはほとんど違いがないことを示す研究が発表されました。^[3]

シングルレベルセル（SLC）フラッシュメモリの寿命は約50,000～100,000回のプログラム/消去サイクルです。^[4]

シングルレベルセルは、ほぼ空のときに1を表し、ほぼいっぱいのときに0を表します。2つの可能な状態の間には不確実性の領域（読み取りマージン）があり、セルに格納されたデータを正確に読み取ることはできません。^[5]

MLCフラッシュメモリの主な利点は、データ密度が高いためストレージ単位あたりのコストが低く、メモリ読み取りソフトウェアが大きなビットエラー率を補正できることです。^[6]エラー率が高いため、複数のビットエラーを訂正できるエラー訂正コード（ECC）が必要です。たとえば、SandForce SF-2500フラッシュコントローラは、1セクターあたり512バイトの最大55ビットを訂正でき、回復不可能な読み取りエラー率は10 ¹⁷ ビット読み取りあたり1セクター未満です。^[7]最も一般的に使用されるアルゴリズムは、Bose-Chaudhuri-Hocquenghem（BCHコード）です。^[8] MLC NANDのその他の欠点は、SLCフラッシュメモリと比較して書き込み速度が遅く、プログラム/消去サイクル数が少なく、消費電力が高いことです。

MLC NANDでは、エラーを解決するために同じデータを2番目のしきい値電圧で読み取る必要があるため、読み取り速度がSLCよりも遅くなることもあります。TLCデバイスとQLCデバイスでは、ECCで修正可能な値を取得するために、同じデータをそれぞれ最大4回と8回読み取る必要がある場合があります。^[9]

MLC フラッシュの寿命は、約 1,000 ～ 10,000 回のプログラム/消去サイクルです。このため、通常はフラッシュ デバイスの耐用年数を延ばすために ウェア レベリングを使用するなど、フラッシュ メモリの制限を考慮して設計されたフラッシュ ファイル システムを使用する必要があります。

Intel 8087 はマイクロコード ROMに 2 ビット/セル技術を採用し、^[10] 1980 年には市場で初めてマルチレベル ROM セルを採用したデバイスの 1 つとなった。^{[11] [12]} Intel はその後、 1997 年に2 ビット マルチレベル セル (MLC) NOR フラッシュを実証した。 ^[13] NECは1996 年に 64 Mbitフラッシュ メモリチップでセルあたり 2 ビットを格納するクアッドレベル セルを実証した。1997 年、NEC は 4 Gbit の容量を持つクアッドレベル セルのダイナミック ランダム アクセス メモリ (DRAM) チップを実証した。STMicroelectronicsも2000年に64 Mbit NOR フラッシュメモリ チップでクアッドレベル セルを実証した。 ^[14]    

MLC は、4 つの電荷値またはレベルを使用して、セルあたり 2 ビットを格納するセルを指すために使用されます。2 ビット MLC には、1 と 0 のあらゆる可能な組み合わせに割り当てられた単一の電荷レベルがあります。25% に近い場合、セルはバイナリ値 11 を表します。50% に近い場合、セルは 01 を表します。75% に近い場合、セルは 00 を表します。100% に近い場合、セルは 10 を表します。ここでも、値の間には不確定領域 (読み取りマージン) があり、セルに格納されているデータを正確に読み取ることはできません。^{[15] [5]}

2013年現在、^{[アップデート]}一部のソリッドステートドライブはMLC NANDダイの一部をシングルビットSLC NANDのように使用し、書き込み速度を向上させています。^{[16] [17] [18]}

2018年現在、^{[アップデート]}市販のMLCのほぼすべてが平面ベース（つまり、セルがシリコン表面上に構築されている）であるため、スケーリングの制限を受けています。この潜在的な問題に対処するために、業界ではすでに、現在の制限を超えてストレージ密度の向上を保証できる技術を検討しています。最も有望なものの1つは、セルが垂直に積み重ねられ、平面スケーリングの制限を回避する3Dフラッシュです。^[19]

過去には、いくつかのメモリデバイスが逆の方向に進み、ビットあたり2つのセルを使用して、さらに低いビットエラー率を実現しました。^[20]

エンタープライズMLC（eMLC）は、商業利用向けに最適化されたMLCのより高価な変種です。従来のSLCドライブよりもコストを節約しながら、通常のMLCよりも長持ちし、信頼性が高いと言われています。多くのSSDメーカーがエンタープライズ向けのMLCドライブを製造していますが、この名称で生のNANDフラッシュチップを販売しているのはMicronだけです。^[21]

トリプルレベルセル（TLC ）は、セルあたり3ビットの情報を保存するNANDフラッシュメモリの一種です。東芝は2009年にトリプルレベルセルを搭載したメモリを導入しました。^[22]

現在の技術では、最大3,000回のプログラム/消去サイクルの寿命が達成可能です。^[23]

サムスンは、セルあたり3ビットの情報と合計8つの電圧状態（値またはレベル）を格納するNANDフラッシュのタイプを発表し、「トリプルレベルセル」（TLC）という用語を生み出しました。サムスン電子は2010年に量産を開始し、^{[24]サムスンの840シリーズ}SSDで初めて使用されました。^[25]サムスンはこの技術を3ビットMLCと呼んでいます。MLCのマイナス面はTLCによって増幅されますが、TLCはさらに高いストレージ密度と低コストという利点があります。^[26]

2013年にサムスンは、128ギガビットのメモリ容量を持つトリプルレベルセルのV-NAND（垂直NAND、3D NANDとも呼ばれる）を発表しました。^[27]同社はTLC V-NANDテクノロジーを2015年に256ギガビットメモリに拡張し、^[24] 2017年には512ギガビットに拡張しました。 ^[28]   

セルあたり 4 ビットを保存するメモリは、TLCの慣例に従い、一般的にクアッドレベルセル( QLC )と呼ばれます。発明される前は、「QLC」という用語は、4 つの電圧状態を持つことができるセル、つまりセルあたり 2 ビットを保存するセル (現在では明確に DLC と呼ばれています) を指す MLC と同義でした。^{[引用が必要]}

高レベルフラッシュに必要な電圧ステージの数が指数関数的に増加するため、QLCの寿命はさらに最大1,000回のプログラム/消去サイクルに短縮されます。^[23]

2009年に東芝とサンディスクは、セルあたり4ビットを保存し、64ギガビットの容量を保持するクアッドレベルセルを備えたNANDフラッシュメモリチップを発表しました 。^{[22] [29]}

2009年に発表されたサンディスクX4フラッシュメモリカードは、セルあたり4ビットを保存するNANDメモリをベースにした最初の製品の1つであり、一般にクアッドレベルセル（QLC）と呼ばれ、各トランジスタで16の個別の電荷レベル（状態）を使用します。これらのメモリカードに使用されているQLCチップは、東芝、サンディスク、SKハイニックスによって製造されました。^{[30] [31]}

2017年、東芝は最大768Gbitのストレージ容量を持つクアッドレベルセルを備えたV-NANDメモリチップを発表しました 。^[32] 2018年には、ADATA、Intel、Micron、SamsungがQLC NANDメモリを使用したSSD製品をいくつか発売しました。^{[33] [34] [35] [36]}

2020年、サムスンは顧客向けに最大8TBのストレージ容量を備えたQLC SSDをリリースしました。これは2020年現在、消費者向けの最大ストレージ容量を備えたSATA SSDです。^{[37] [38]}

• ストラタフラッシュ

• Linux メモリ テクノロジー デバイス - NAND
• オープンNANDフラッシュインターフェース