QLCフラッシュ入門 クアッドレベルセル（QLC）フラッシュはNANDセルあたり4ビットを記憶しますが、使い方が非常に難しいです。TLC（3ビット/セル）よりもずっと扱いにくく、TLCは2ビット/セルのMLCよりも使いにくく、MLCは1ビット/セルのSLCよりも使いにくいのです。なぜQLCが最も使いにくいのでしょうか？
読み取りと書き込み速度が最も遅く、耐久性も最も短く、消耗するまでの消去サイクルは 100 回未満と考えてください。
はい、わかりました。でも、なぜですか?
これを理解するには、NANDフラッシュセルの基礎をもう一度学ぶ必要がありました。以下は、NANDフラッシュの基礎知識101についての私の理解です。
フローティングゲートNANDセル
NAND フラッシュ セルは通常、フローティング ゲート トランジスタ設計で作成されます。
トランジスタには電気が流れます。トランジスタはソース、ドレイン、ゲートという3本の線で他のものとつながっています。基本的に、ゲートの状態によって電気はソースからドレインへと流れます。ゲートが閉じていれば電気は流れ、開いていれば流れません。
フローティングゲートNANDセルの概略図
このフローティングゲートの状態は特定のプロセスによって変更可能であり、一度変更されると、別の特定のプロセスによって元に戻されるまで、その状態（つまり不揮発性）を維持します。また、再度変更された状態も維持されます。
NANDフラッシュで使用されるトランジスタには、フローティングゲートの上に制御ゲートと呼ばれる第2のゲートがあります。制御ゲートとフローティングゲートの間には絶縁層があり、フローティングゲートとソース・ドレイン領域の間にはより薄いトンネル酸化膜があります。この構造全体は、ソース領域とドレイン領域を分離する基板上に配置されています。
フローティング ゲートが閉じているときは、ソースとドレインの間を電気が通過でき、この充電された状態はバイナリ 0 を記録します。ゲートが開いている、または充電されていないということは、ソースからドレインに電気が流れないことを意味し、バイナリ 1 になります。フローティング ゲートはどのように開閉するのでしょうか。
ゲートの開閉
ソース領域とドレイン領域は、電子を多く含むn型シリコン（ドープ）で作られています。一方、異なるドープ量のp型シリコン基板材料は電子が不足しています。ワード線を介して制御ゲートに比較的高い電圧（例えば18V）を印加し、ビット線を介してドレインと基板に低いグランド電圧を印加すると、強力な電界が生成されます。電子はソースからドレインへ流れ、また一部はファウラー・ノルドハイム量子トンネル効果によってトンネル酸化膜を通って基板からフローティングゲートへ移動します。
フローティング ゲートはこのように充電され、閉じた状態になります。そのため、ソースからドレインに電気が流れることができず、セルはバイナリ 0 を記録します。
この場合、セルの閾値電圧は、たとえば 1V 以上であると言えます。
このプロセスを逆にしてセルの内容を消去し、制御ゲートに接地電圧または負電圧を印加し、基板に高電圧（例えば20V）を印加することで、セルをバイナリ1に設定します。強力な逆電界が生成され、電子が浮遊ゲートから基板へトンネル効果で戻り、ドレインからソースへも流れます。これにより、ソースとドレイン領域間の将来の電流の流れが促進されます。
セルの閾値電圧は、例えば-3V以下になります。この閾値電圧の変化は、NANDセルの動作にとって非常に重要です。
読み取りとセル閾値のアイデア
フラッシュセルの読み出しには、ソースとドレイン間の電流の流れを測定する必要があります。ソースとドレイン間に電流が流れる電圧の閾値は、フローティングゲートの状態によって変化することを理解する必要があります。
ソースとドレイン間に基準電圧またはリードポイント電圧を印加し、電流をテストします。電流が十分に高いレベルであればバイナリ1、そうでない場合はバイナリ0となります。ここではかなりの誤差が生じます。電流が流れている状態かどうかを判定できるだけの電流が測定されるかどうかのみを判定します。
SLC NANDの場合はそうです。マルチレベルセルの場合は異なります。MLCは2ビット/セル、TLCは3ビット/セル、QLCは4ビット/セルです。
SLC、MLC、TLC、QLCセルの可能なバイナリ値:
- SLC = 0 または 1 - 2つの状態と1つの閾値電圧を意味します。
- MLC = 00、10、01、または11 - 4つの状態と3つの閾値電圧、
- TLC = 000、001、010、011、100、101、110、111 - 8つの状態、したがって7つの閾値電圧、
- QLC = 0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111 - 16 個の状態、したがって 15 個のしきい値電圧。
各バイナリ値には異なるしきい値電圧があり、最も低いバイナリ値は最も高い電圧を持ち、最も高いバイナリ値は最も低い電圧を持ち、中間の状態ではしきい値電圧値が徐々に異なります。
したがって、QLCの場合：
- バイナリ0000は最も高い閾値電圧を持ち、
- 0001は閾値電圧が低い。
- 0010は次に低い閾値電圧を持ち、
- 0011は次に低い閾値電圧を持ち、
- そして、それは…まで続きます。
- 1111 はすべての中で最も低いしきい値電圧を持っています。
書き込みプロセスでは、しきい値電圧を正しく設定する必要があります。QLCセルの場合、これはバイナリ1111には最も低いしきい値電圧を設定し、バイナリ1110にはより高いしきい値電圧を設定するということを意味します。
読み出し時には、状態グループ間の閾値電圧テストが、異なる閾値電圧を用いて順次適用され、それぞれに時間がかかります。MLCの場合、最初の閾値電圧テストで、セルのバイナリ値が（00または01）か（10または11）かが分かります。示された2つの選択肢のどちらかを決定するには、閾値電圧を変更した追加のテストが必要です。
TLC では、テスト 1 で 4 つの可能な値 (上位 4 つまたは下位 4 つ) が得られ、テスト 2 では 2 つの可能な値が得られ、テスト 3 では実際の値が明らかになります。
QLCの状況はさらに悪化し、テストが進むにつれて、16通りの値が8通り、さらに4通り、2通り、そして最終値へと変化します。読み取りに最も時間がかかります。
セルのプログラムと消去の時間も、SLCからMLC、TLC、そしてQLCへと移行するにつれて長くなります。
SLC から MLC、TLC、そして QLC へと移行するにつれて、NAND セル操作で使用される全体的な電圧範囲は調整されていないため、セル ビットの内容が増加するにつれて、基準電圧設定と結果として生じる電流測定の精度をさらに細かくする必要があります。
ゲートの摩耗
プログラム・消去サイクルにおいてセルが再プログラムされるたびに、トンネル酸化膜が損傷し、充電されたフローティングゲートから電子が漏れ出すリスクが高まり、その効果が低下します。セルの内容を読み出す際には、トンネル酸化膜に損傷を与えない低い電圧が使用されます。
ゲートが損傷すると、読み取り電圧を印加した際の電流測定（電流の有無）が不確実になります。電流の流れを明確に検出できる場合と、電流が流れていない場合の差はますます小さくなります。エラー訂正・検出技術やデジタル信号処理技術は役立ちますが、最終的には測定が検出不能となり、不可能になります。
マルチレベルセルとゲート摩耗
ゲートが摩耗するにつれて、特定の基準電圧における電流の有無の判定はますます困難になります。SLCからMLC、TLC、そしてQLCへと移行するにつれて、いずれさらに困難になります。最終的には、測定プロセスにおける許容誤差範囲では、セルの状態の有効性の低下を克服できなくなります。これは、霧のかかった高速道路で前方の車両の存在を検知しようとするようなものです。最終的には、霧が濃くなりすぎて何も見えなくなります。
つまり、TLCセルとQLCセルは読み取りエラーの許容範囲がはるかに狭いため、耐久性が短くなり、QLCセルはTLCセルよりも耐久性が短くなります。3D NANDの特徴は、セルリソグラフィが最新の2D平面型NANDの19～16nmから49～40nmに後退したことで、トンネル酸化膜を含めセル内のあらゆるものが大型化し、寿命が延び、セルの耐久性が向上したことです。
現在、3D NAND 製造の専門知識が増すにつれ、QLC NAND をコスト効率よく製造できるようになり、読み取りに有利な顕著な偏りがあり、データの再書き込みの可能性が低い、一種の WORM (Write Once Read Many) フラッシュに近い使用法であるアクティブ アーカイブの状況で使用できるようになることが分かってきています。
以下は NAND セル データの概要表です。
NAND セルタイプの概要データ。
SLCからMLC、TLC、そしてQLCへと移行するにつれて、高密度化と低コスト化が実現します。逆に、逆の方向に進むと、パフォーマンスが向上し、寿命が長くなります。
この表はAnandtech *からFlashdba **経由で取得したもので、推定データを使用してQLC列を追加しました。実際の製品が到着するまでは、実際のデータは得られません。®
* SLC、MLC、TLC フラッシュの基礎に関する Anandtech の記事は、非常に参考になります。
** Flashdba によるフラッシュの基礎に関する一連のノートも一読する価値があります。まずはここから始めましょう。
