フラッシュメモリ

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USBフラッシュドライブ(外装を開けた様子)。左の大きなチップがフラッシュメモリ。マイクロコントローラが右にある。

フラッシュメモリ(flash memory)は、書き換え可能であり、電源を切ってもデータが消えない不揮発性半導体メモリ。フラッシュEEPROMまたはフラッシュROMとも言う。

EEPROMの一種であるが、従来のEEPROMと違って1バイト単位の書き換え(消去と書き込み)は出来ず、あらかじめブロック単位で消去してから書き込みを行う。

一般にはEEPROMの一種としてROMに分類されるが、現在は書き換えを前提に多用されてもいるため、ROMでもRAMでもない不揮発性メモリとして別に分類されている場合もある。

記憶セルの構造は、紫外線照射により消去するUV-EPROMに似ているが、浮遊ゲートとシリコン基板間の酸化膜(絶縁体)が極めて薄くなっている。

種別[編集]

NAND型フラッシュメモリの等価回路と構造
ページ数分の記憶セルが直列に接続されている
NOR型フラッシュメモリの等価回路と構造
すべての記憶セルがビット線とGNDに接続されている

記憶セルを接続する構造によりNAND型フラッシュメモリNOR型フラッシュメモリなどに分けられ、ともに舛岡富士雄東芝在籍時に発明した。その後インテルの開発により、NOR型が先行して市場に広がった。NAND型は、高集積化に向いていて、書き込みが高速な利点があるが、1バイト単位の読み出しはできず、ランダムアクセスによる読み出しが低速である欠点を持つ。NOR型は、1バイト単位の読み出しが可能で、高速にアクセス出来る利点があるが、書き込みは低速で、且つメモリセルの構造上、高集積化がNAND型に比べて向いていない。どちらの型も、数キロバイトから数十キロバイトのブロック単位でしか消去・書き込みは出来ない。1Mbit程度の製品までは、一括全消去の製品も少なくなかった。

NOR型は、マイコン応用機器のシステムメモリに適しており、従来から使用されていたROMを置き換える存在となった。ROMの交換で行われていたファームウェアの更新も、製品の筐体を開けることなく容易に行えるようになっている。NAND型は、データストレージ用に適しており、携帯電話デジタルカメラデジタルオーディオプレーヤーなどの記憶媒体として広く普及しており、それによって価格も低下している。

特性[編集]

フラッシュメモリへの書き込み時のセル
ソース電極を0Vにして(一般的にはGNDに接続)、ドレイン電極と制御ゲートに高電圧をかける。電子はソース電極側から浮遊ゲートとシリコン基板間の酸化膜(図の200Å)をすり抜け浮遊ゲートに留まる
フラッシュメモリの消去時のセル
ソース電極を開放し、ドレイン電極に高電圧をかけ、制御ゲートを0Vにする。浮遊ゲート内の電子はドレイン電極側に引き抜かれる

初期のフラッシュメモリは、1セルあたりのビット数が1ビットであった為、大容量化するとダイのサイズが大きくなり、歩留まりも低下した。そこで1セルあたりのビット数を増やす為、フローティングゲートに入れる電子の数を制御し、また読み出し時には「ゲートに入った電荷に依存してゲート下へ電流を流すための電圧が変わる(Vthが変わる)現象」を利用する事で、1セルあたりのビット数を増やした物が考案され、これをマルチレベルセル(MLC)と呼ぶ。従来の1セルあたり1ビットのものは、シングルレベルセル(SLC)と呼ぶようになった。セル数が同じ場合、1セルあたり2ビットのMLCはSLCの2倍の容量になるが、3ビットならばSLCの3倍になる。速度・書き換え可能回数の面においてはSLCに優位性があるが(Vthの多段判定が不要、等による。MLCは書き換え回数を経るにつれ中間の2値の差が小さくなり、ここでの誤りがエラーの原因になる)、MLCはなによりも大容量化に優位性があり、これにより現在ではNOR型でも、ワンチップで1Gbitを超える製品が市販されている。

消去・書き込みのためにVppとして別電源が必要なもの(二電源系)と、単一電源で動作するもの(単電源系)がある。単電源系はチャージポンプなどの昇圧回路を内蔵している。最近では、低容量のROM等には3.3V単電源のもの、携帯電話のROM用途には1.8V単電源またはCore 1.8V・I/O 3.3Vのものが多く使われている。

欠点[編集]

寿命[編集]

フラッシュメモリの記憶素子は、動作原理上絶縁体となる酸化膜が貫通する電子によって劣化するため消去・書き込み可能回数が限られており、記憶素子単体の書き換え寿命は短命なものでは数百回が限界、長くても数万回程度である[1][2]。NOR型よりもNAND型の方が劣化が激しい。この記憶素子をそのまま記憶装置として使う場合、書き込みが特定ブロックに偏るため、未使用の記憶素子がある一方で特定の記憶素子だけが劣化によって寿命が尽きるという状況が発生してしまう。現状の製品では、書き込みの偏り対策としてコントローラを搭載して消去・書き込みが特定ブロックに集中しないように(ウェアレベリング)しているが、それでも数万回から数百万回が限度である。

このため、主記憶装置としての使用や、補助記憶装置としてであっても、データベースでの使用、動作履歴の保存先としての使用、バッファとしての使用などの書き換え頻度の高い用途もしくは信頼性を求める用途には適さない。

書き込み可能回数を超えると、ストレージとして認識することができなくなったり、正常な記録ができなくなったり、正常に記録することができたとしても記録内容を維持することができず、記録した内容が壊れたり消えてしまったりする確率が上昇する[3]

Intelの研究によれば、63nmから72nmのプロセスルールで製造されたMLC(2bit/セル)方式NANDフラッシュメモリ8Gbitチップの場合、1万回の書き換えでエラーの起きる確率が1ビット当たり100万分の1から1000万分の1程度(即ち8Gbitならばエラーの起きるビットは平均1000から100ビット)である[4]

フラッシュメモリは半導体製品であり、電子回路の構成部品として回路基板上に実装された形で製品化されているものが大半である。電子回路であるがゆえにフラッシュメモリそのものの故障以外に、電子回路の他の部品(コントローラチップなどフラッシュメモリ以外の実装部品も含む)の故障の影響で使用不能に陥ることもある。

保持期間[編集]

前述の寿命に達していなくても、書き込まれたデータの保持期間はほぼ有限である。これは、フローティングゲートに充電した電子によって情報を記憶するという構造によるもので、メーカーの公称値では、書き換えによって劣化していない状態で10年から数十年となっている。また、これは環境の影響を受け、高温や放射線のあたる環境下においては保持期間は通常よりも短くなる(条件次第では使用不能もありうる)。

容量単価[編集]

2005年あたりまで、フラッシュメモリはハードディスクや光ディスクの容量単価とは比べ物にならないほど高額であり、この点がユーザーにとって大きな欠点であった。しかし、2006年頃になると、フラッシュメモリの価格が大幅にかつ急速に下落してゆき、価格的な欠点は段々と和らいでいった。これは、フラッシュメモリ製造会社が一斉に増産したためであった。それでもなお、フラッシュメモリの容量単価はハードディスクや光ディスクを抜き去るほどには低下していない[5]

詳細は後述するが、この急激な価格低下はフラッシュメモリ製造メーカーの経営に大きな打撃をもたらした(#メーカーの経営状態を参照)。

メーカーの経営状態[編集]

前述のように、2006年頃よりフラッシュメモリが急速に価格低下していった。この急速な価格低下の影響で、フラッシュメモリ大手の東芝は打撃を受けていると報じられている[6][7]。また、フラッシュメモリ専業大手のスパンションは、価格下落と世界的な景気の低迷の影響もあって採算が悪化、会社更生法の適用を申請した[8]

フラッシュメモリを採用するストレージ(規格)[編集]

以下の電子媒体には、データ記録用装置としてフラッシュメモリが組み込まれている。

ハードディスクからの転換[編集]

パソコン用デバイスとしてのフラッシュメモリは、当初ユーザーの操作で書き換え可能なBIOSを持ったマザーボードへの利用など表面に出ない用途だったが、やがてUSBメモリなどによるフロッピーディスクの代替としての利用が始まり、書き換えに対する耐久性の向上(ハード的な技術向上やソフト的に書き換える部分を集中しないようにする工夫 - ウェアレベリング)、大容量化・低価格化・高速化が進み、徐々に大容量記憶装置としての役割を担うようになっていった。

2004年には、小容量ながらパソコンに内蔵してハードディスク(HDD)同様ドライブとして使用できるFlash SSDが登場。自作派のユーザーたちに浸透していった。2006年には、HDDを搭載しないでFlash SSDを搭載しているメーカー製小型ノートパソコンが登場した。2007年発売の『Windows Vista』からは、USBメモリをHDDのキャッシュメモリとして使用するWindows ReadyBoost機能、2009年発売の『Windows 7』からはFlash SSDはHDDとは別のデバイスとしてサポートされるようになっている。

ノートパソコンには機器の小型化および軽量化、省電力化、衝撃に対する強さが要求される。フラッシュメモリはハードディスクと比較してこれらの要素で優れており、さらに物理的な動作がないので静音化ができ、また高速にアクセスできるという利点も持つ。ただし低価格化が進んだとは言え、容量単価の点では依然としてハードディスクが有利であり、フラッシュメモリ搭載ノートパソコンはハードディスク搭載モデルと比較して割高な価格設定になりやすく、また2009年現在ではハードディスクほど大容量化されてはいないので、価格を度外視しても容量が少なくなりがちになる。

インターフェース[編集]

過去の経緯により、一般的にNOR型はSRAMインターフェース (搭載bit数が増えるとアドレスバスが増えていく)、NAND型はDRAMインターフェース (アドレスを複数回に時間分解するマルチプレクスを行う)である。また、組み込みシステム等の分野では、I²C等のシリアルバスを採用した素子(『シリアルフラッシュメモリ』と称されることもある)も用いられている。

脚注[編集]

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  1. ^ MemCon Tokyo 2007レポート(フラッシュメモリ編)”. Impress Watch / PC Watch. 2013年3月5日閲覧。
  2. ^ 製品やメーカーによってはメモリセル単体の寿命を1万回や10万回程度の保証としている(SPANSION社のフラッシュメモリデータシートによる)
  3. ^ 寿命を迎えたフラッシュメモリのレポート - USBメモリの書き換え限界寿命が来ると何が起きるのか、実際に寿命が来たケースをレポート - GIGAZINE
  4. ^ IntelとMicronがマルチレベルNANDフラッシュの不良を解析 - PC Watch
  5. ^ メモリーカードの価格が大暴落中! - All About
  6. ^ 東芝、300億円の営業赤字に 08年中間決算 - 47news
  7. ^ 東芝,NANDフラッシュ・メモリの赤字は通期で390億円 - 日経BP TechOn
  8. ^ フラッシュメモリー製造 米国NASDAQ上場Spansion Inc.子会社 Spansion Japan株式会社 会社更生法の適用を申請 負債741億円 - 帝国データバンク

関連項目[編集]