フラッシュメモリは、不揮発性、プログラム可能、高速性を備えた、チップベースのストレージ技術です。常時電源が供給されていなくてもデータを保持します。フラッシュにはNANDとNORの2種類があり、それぞれ長所と短所が異なるため、適した用途も異なります。
NORフラッシュメモリは通常、携帯電話、モノのインターネット（IoT）デバイス、医療機器、科学機器などに使われます。一方、NANDはデジタルカメラ、USBドライブ、Secure Digital（SD）メモリーカード、タブレット、コンピューターなどに使われます。場合によっては、コンピューターや携帯電話などのデジタル機器がNANDとNORの両方を使用することもあります。例えば、ソリッドステートドライブ（SSD）にはNANDフラッシュを、オペレーティングシステムのBIOSにはNORフラッシュを使います。
この記事では、フラッシュメモリの2種類を概観し、それぞれの違いを解説します。
NANDとは？
フラッシュメモリは、フローティングゲート型金属酸化膜半導体電界効果トランジスター（Floating Gate Metal Oxide Field Effect Transistor）によって構成されるメモリーセルアレイにデータを保存します。このトランジスターが2進数の1または0を格納します。各トランジスターには2つのゲートがあり、2点間に電流を流す電気スイッチのように機能します。NANDという名称は、使用する論理ゲートの種類であるNOT-ANDに由来します。
DRAMメモリとは異なり、常時電源を必要としません。SSDやメモリーカードが電源から切り離されても、フローティングゲートトランジスター（FGT）と呼ばれる金属酸化物半導体がメモリーセルに電荷を供給し、データは保持されます。
NANDは、USBフラッシュドライブ、メモリーカード、ソリッドステートドライブ（フラッシュストレージメモリ）で最も広く使われているSSDです。NANDのセルアレイは、1～4ビットのデータを格納します。
NANDの種類
NANDの最も一般的な種類はSLC、MLC、TLCで、各セルに1～3ビットを格納します。セルを垂直に積層する3D NANDも、高性能・高密度の環境で普及が進んでいます。
- SLC：Single-Level Cell NANDは、1セル当たり1ビットの情報を格納します。このアーキテクチャーは、耐久性、性能、データ整合性のいずれも4種類の中で最高水準で、耐久回数は10万回のプログラム／消去（P/E）サイクルに達します。これは、セルを消去して再書き込みできる回数です。SLC NANDは現在市場で最も高価なフラッシュメモリであり、耐久性と速度が求められる産業用途に使われています。
- MLC：Multi-Level Cell NANDは、1セル当たり2ビットの情報を格納します。SLCより容量当たりの価格を抑えられる一方、耐久回数が少なく、データエラーが発生しやすくなります。MLCチップは、価格と性能のバランスに優れることから、一般にノートPCやパソコンなどのコンシューマー製品に使われています。
- eMLC：MLCをベースとするEnterprise Multi-Level Cellは、1セル当たり2ビットを格納しながら、商用利用向けに強化されています。eMLCドライブはMLCより高価ですがSLCより安価で、ウェアレベリングやデータ配置を管理するインテリジェントコントローラーを搭載し、製品寿命の延長に役立ちます。
- TLC：Triple-Level Cell NANDは、1セル当たり3ビットを格納し、コストと耐久性を抑える一方で容量を増やします。耐久回数はわずか3,000回のP/Eサイクルで、4種類の中で最も安価なタイプです。主にコンシューマー製品に使われています。
- QLC：Quad-Level Cell NANDは、1セル当たり4ビットを格納し、より高密度で大容量のストレージデバイスを実現します。QLCは読み取りレイテンシーが低いため、人工知能（AI）、機械学習、ビッグデータ、コンテンツ配信など、読み取り負荷の高い処理に適しています。読み取り処理には優れるものの、耐久回数はわずか1,000回のP/Eサイクルで、書き込み負荷の高い用途には適しません。ただし、消費電力が少ないため、デバイスのバッテリー駆動時間を延ばせます。
- 3D NAND：フラッシュメーカーは、マイクロチップ上により多くのトランジスターを詰め込み、NANDデバイスの容量を増やすため、セルサイズの縮小に取り組んでいます。しかし、上述したセルレベルの技術でセルを小型化すると、セル間干渉が生じ、NANDフラッシュのデータ整合性が低下しました。多層フラッシュはメモリーセルを複数の層に垂直積層することで、容量を増やしながらコストを抑えます。2次元から3次元への移行により、3D NANDデバイスは高密度化と低消費電力化、読み書き速度の向上、耐久性の向上を実現しました。さらに、ベンダーはメモリーセルを垂直に積層する際、チャージトラップフラッシュと呼ばれる窒化シリコン膜を使用し、製造コストとチップサイズを削減するとともに信頼性を高めています。チャージトラップフラッシュはフローティングゲート技術に取って代わるもので、製造コスト全体の削減に役立ちます。
NORフラッシュとは？
NORフラッシュは、最初に開発されたフラッシュの種類です。NORチップ上のセルは互いに並列に配置されているため、読み取りには効率的ですが、書き込みはそれほど高速ではありません。コードを一度書き込み、繰り返し読み取る用途で最もよく使われます。
小型チップとして製造でき、ソリッドステートであるため、衝撃に強く、持ち運んだり落としたりする可能性のあるデバイスに適しています。名称は、使用する論理ゲートの種類であるNOT-ORに由来します。
NORフラッシュメモリには、パラレル型とシリアル型という主に2種類があります。パラレルNORでは、メモリーコントローラーが8ビットまたは16ビットのパラレルアドレスバスを使ってメモリにアクセスします。シリアルNOR、すなわちSerial Peripheral Interface（SPI）NORは、ページ単位と、より大きなセクター単位の両方でデータを格納します。
NANDとNORの違い
NORとNANDのフラッシュメモリは、カメラやスマートフォンなどの小型電子機器に組み込まれていますが、フラッシュベースのエンタープライズストレージ環境で利用できるほど費用対効果と密度に優れているのはNANDだけです。どちらの技術も新しいものではなく、1980年代初頭にToshibaが開発しました。
- 導入。NORフラッシュメモリよりもNANDのほうがはるかに多く使われています。今年KioxiaとWestern Digitalが発表した最先端の3D NANDマイクロチップの1つは、218層の3D NANDチップで、記録的な3,200 MT/sのインターフェース速度、実効速度25,600 MB/sを実現しています。より高速で長期保存に適しており、一般的にビジネスクリティカルなエンタープライズアプリケーションで利用されます。
- メモリーセルの接続。NORフラッシュでは、各メモリーセルをソース線に接続し、もう一方の端をビット線に接続するため、複数のセルを同時に1本のビット線へ接続できます。セルが並列に接続されているため、システムは個々のメモリーセルに対して読み書きできます。NORフラッシュは、コンピューターの初期起動シーケンスとハードウェア初期化を制御するOSのBIOSコードのように、小さなデータサイズを扱う場合に最適です。一方、NANDのセルは直列に接続されているため、必要なスペースは小さくなりますが、個々のメモリーセルへの書き込みはできません。こうした直列接続は場所を取らない反面、個々のメモリーセルへの直接書き込みを許可しません。
- 読み取り性能。NORフラッシュはNANDフラッシュより高速に読み取れます。NANDのMLCフラッシュデバイスとNORのMLCデバイスを比較すると、NANDデバイスの読み取り速度は約20.5 MBpsであるのに対し、NORデバイスは61.5 MBpsです。これは、NORが任意のメモリアドレスへのランダムアクセスを可能にするためです。NORフラッシュメモリでは、システムはページやブロック単位ではなく、バイト単位で独立して読み取れます。NANDはランダムアクセスではなくページおよびブロックアクセスをサポートするため、読み取りは遅くなります。NANDはブロック単位でデータを読み取り、一般的なブロックサイズは数百～数千ビットです。
- 書き込み・消去性能。読み取り性能とは逆に、NANDのマイクロチップはNORデバイスよりも高速に書き込みと消去を実行できます。
- 耐久性。NORフラッシュメモリはバイト単位で書き込めるため、NANDメモリに比べて耐久性が向上します。NANDは、1バイトしか変更されていない場合でも、ブロック（512データバイト）単位で消去する必要があります。NORセルは寿命を通じて100％が正常なブロックであるのに対し、NANDセルは出荷時点で正常なビットが通常98％です。そのため、NANDメーカーは通常、NORでは不要なエラー訂正コード（ECC）を追加します。
- 密度。NORメモリは、同等のNANDフラッシュメモリチップより密度が低くなります。NORの密度は64MB～2GBであるのに対し、NANDはMicronの232層NANDチップによって2TBまで拡大しています。
NORとNANDの比較表
結論：NANDとNORのフラッシュメモリ
NANDメモリは引き続き最も普及しているフラッシュメモリですが、NORフラッシュメモリも、適切な技術環境で使えば有効です。どちらも現代のデバイスにおいて役割があり、それぞれおよそ2年周期で大幅な改良が進んでいます。2023年半ばの時点では、供給過剰によりNANDマイクロチップの価格が大幅に下落しました。それに伴い、NANDフラッシュを使用するSSDのコストも下がり、より高速で大容量のストレージを手頃な価格で利用できるようになっています。NORの価格も同様の傾向をたどっており、これらの技術を基盤とするソリューションの購入を検討している企業にとって、導入に適した時期となっています。