2D NAND SSD とは
2D NAND は、プレーナ型 NAND とも呼ばれ、トランジスタ・ダイ上にフラッシュ・メモリ・セルを平面に並べたフラッシュ・メモリの一種です。1987 年に商業的に実用化された 2D NAND は、初期の ソリッドステート・ドライブ（SSD）にハードディスク・ドライブ（HDD）よりも優れた性能、読み取り／書き込み速度、機械的な堅牢性をもたらしましたが、容量あたりのコストは高価でした。その容量は、単一平面に配置できるセルの数による根本的な限界があったため、3D NAND の開発が推進されることとなりました。この記事では、2D NAND の概要、仕組み、信頼性について解説します。
2D NAND の仕組み
2D NAND は、電気回路内にメモリのビットを電圧状態として格納することで機能します。2D NAND の仕組みを理解するには、まず、NAND セルに関するいくつかの概念を把握することが重要です。
2D NAND の NAND とは
NAND は、「NOT AND」（否定論理積）を意味し、NAND セルの内部回路で使用される論理ゲート（ブール演算子）を表します。NAND ゲートは 2 つの入力がともに真の場合にのみ偽の値を出力します。
NAND セルの詳細
NAND セルは、最上部にある制御ゲートと、その下の 2 つの絶縁体層によって上下を挟まれた浮遊ゲート、最下部のソースとドレインを接続するチャネルによって構成されるトランジスタです。
制御ゲートに電圧を加えると、チャネル内の電子が引き寄せられて 1 つ目の絶縁体層を通過し、浮遊ゲート内に入ります。浮遊ゲートがこのように電荷を有する状態になると、データが格納され、セルのバイナリ値は 0 に設定されます。また、浮遊ゲートは電気的に絶縁されているため、電源が切られてもメモリを保持する不揮発性のメモリ・セルとなります。
ソースとドレインに高電圧を加えると、制御ゲートに負の電荷が誘導されます。これにより、浮遊ゲートの電子がチャネル内に戻り、メモリ・セルが消去されます。セルのバイナリ値は、1 に設定されます。
2D NAND に格納できるビット数
2D NAND ではセルに複数のビットを格納できない、というように誤解されることが少なくありません。2D NAND の本来の意味である平面の構成において、MLC、TLC、QLC のセルを使用できないということはありません。これらのセルを積み重ねることができない、というだけです。
NAND セルは、時間とともに以下のように進化してきました。
- シングルレベル・セル（SLC）フラッシュ：1 つのセルに 1 ビットを格納、電荷状態は 2 段階
- マルチレベル・セル（MLC）フラッシュ：1 つのセルに 2 ビットを格納、電荷状態は 4 段階
- トリプルレベル・セル（TLC）フラッシュ：1 つのセルに 3 ビットを格納、電荷状態は 8 段階
- クアッドレベル・セル（QLC）フラッシュ：1 つのセルに 4 ビットを格納、電荷状態は 16 段階
ここからわかるように、1 つのセルに格納できる電荷状態が増えるとともに格納できるビットの情報も増加しています。一般的に、電荷状態の数を増やすと、信頼性と容量との間でトレードオフが発生します。
2D NAND と 3D NAND の信頼性
2D NAND と 3D NAND の違いは、2D NAND が平面で構成されるのに対し、3D NAND は縦に重ねて構成される点です。これまで、2D NAND では、チップ上の単一平面に収まるセルの数が制限の要因となってきました。セルが小さければ小さいほど、単一のトランジスタの平面上に多くのセルを配置できます。一方で、セルのサイズを小さくすると電子が漏れやすくなり、信頼性が低下します。
そこで、縦にセルを重ねることで NAND の容量を向上させる 3D NAND が生まれました。セルのサイズが小さくなると信頼性が失われます。縦に重ねることによって大きなセルを使用する余裕が生まれ、信頼性が向上しました。結果的に、NAND チップの容量と信頼性の両方が向上しています。
2D NAND フラッシュを使用している SSD
現在、販売されているほとんどの SSD は NAND フラッシュを使用しています。2D NAND は古いテクノロジーとして淘汰されつつあるため、メーカーは自社の製品で採用していることを宣伝しなくなっています。SLC チップを使用した古い SATA SSD で、3D NAND 採用をうたっていないものは、安価な 2D NAND フラッシュを使用している可能性があります。しかし、ニッチな用途も存在します。レガシー・デプロイメントでは、引き続き古い 2D NAND フラッシュが必要な場合があります。また、多くのメモリを必要としないマイクロデバイスでは、平面型トランジスタの性能や信頼性が選ばれる場合もあります。
まとめ
この記事では、2D NAND の概要と、3D NAND との違いについて解説しました。2D NAND は古いテクノロジーであるものの、今なおレガシー・ハードウェアで安価なフラッシュ・メモリとして、またニッチなユースケースで使用されています。
