NAND セルレベルとは？

概要

ほとんどのソリッドステートドライブで使用されている記憶媒体である NAND は、セルにデータを保存します。各セルはデータを表す電荷を保持します。ここでは、各セルの層を説明する際に、セルをバッテリーにたとえて説明します。Solidigm™ SSD の詳細については、ホワイトペーパーをお読みください。

SLC

SLC は Single Level Cell（シングルレベルセル）の略で、NAND セルの基本的な使用形態です。最も高速であり、（GB あたりの価格が）最も高価です。

• SLC は、1 つのセルに 1 ビットのデータを保存できます。
  • 0 または 1
• これには、測定すべき 2 つの状態が必要です。
  • 1 つは「空」の状態
  • もう 1 つは「空ではない」状態
• バッテリーの充電（またはセルの書き込み）は簡単です。
  • 空の状態よりもわずかでも電荷があれば、ビットは 1 から 0 に変わります。
• 電荷を確認する（セルを読み取る）作業も簡単で、確認は 1 回だけです。
  • セルが空かどうかを確認する
  • true の場合、ビットは 1 です。
  • false の場合、ビットは 0 です。

MLC

MLC は Multi-Level Cell（マルチレベルセル）の略で、名称としては適切とは言えません。追加されたビットは NAND を変更することなくストレージ容量を2倍にするため、SLC よりもコストは低くなります。
実際のコストは、より高い精度や追加の確認処理が必要になることによるパフォーマンス面での負担です。そのため、パフォーマンスは SLC よりも低くなります。

• MLC はセルごとに 2 ビットのデータを保存できます。
  • 00, 01,
  • 10, 11
• MLC では、測定すべき状態は 4 つ必要です。
  • 空の状態＋3 つの電荷状態
• 読み取りおよび書き込みは、SLC よりも複雑です。
  • 充電（書き込み）は正確な電荷量で行う必要があり、そうでない場合は誤ったビット列が保存されます。
  • 確認（読み取り）には、複数回の試行が必要になります。

TLC

TLC は Triple Level Cell（トリプルレベルセル）の略です。TLC は追加されたビットにより、1 セルあたりのストレージ容量が 33％ 増えるため、MLC よりも低コストです。
ただし、これまでと同様に、コストの代償はパフォーマンス面にあり、より高い精度と確認処理が必要になります。

• TLC はセルごとに 3 ビットを格納できます：
  • 000, 001, 010, 011,
  • 100, 101, 110, 111
• TLC では、測定すべき状態は 8 つ必要です。
  • 空の状態 ＋ 7 つの電荷状態
• 電荷状態の幅はより小さく、互いに近接しています。
• 読み取りおよび書き込みは、MLC よりもさらに難しくなります。
  • 書き込みには、より高い精度が必要です。
  • 読み取りでは、正しい範囲（データ）を取得するために、より多くの確認処理が必要になります。

（傾向が見えてきましたか？）

QLC

QLC は Quad Level Cell（クアッドレベルセル）の略です。QLC は追加されたビットにより、1 セルあたりのストレージ容量が 25% 増えるため、TLC よりも低コストです。
ただし、これまでと同様に、コストの代償はパフォーマンス面にあり、さらに高い精度と確認処理が必要になります。

• QLC はセルあたり 4 ビットを格納できます。
  • 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111
  • 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111
• QCL では、測定するために 16 の状態が必要です。
  • 空の状態 ＋ 15 個の電荷状態
• 状態の数が増えるにつれて、それぞれの状態の幅や間隔はさらに小さくなります。
  • 読み取りおよび書き込みは、TLC よりもさらに難しくなります。
  • 書き込みにはより高い精度が必要になり、読み取りにはより多くの確認処理が必要になります。

PLC

PLC は Penta Level Cell（ペンタレベルセル）の略です。PLC は追加されたビットにより、1 セルあたりのストレージ容量がさらに 20％増えるため、QLC よりも低コストになります。
ただし、これまでと同様に、コストの代償はパフォーマンス面にあり、さらに高い精度と確認処理が必要になります。
実現可能であることは確認されていますが、本資料の作成時点では、PLC を採用した製品はまだ存在していません。

• PLC はセルあたり 5 ビットを格納できます。
  • 00000, 00001, 00010, 00011, 00100, 00101, 00110, 00111, 01000, 01001, 01010, 01011, 01100, 01101, 01110, 01111
  • 10000, 10001, 10010, 10011, 10100, 10101, 10110, 10111, 11000, 11001, 11010, 11011, 11100, 11101, 11110, 11111
• QCL では、測定するために 16 の状態が必要です。
  • 空の状態＋31 個の電荷状態
  • 状態の数が増えるにつれて、それぞれの状態と状態の間隔は極めて小さくなり、図では各状態に対応するビット列を表示できないほどになります。
• 読み取りおよび書き込みは、QLC よりもさらに難しくなります。
  • 書き込みには最高レベルの精度が必要になり、読み取りにはより多くの確認処理が必要になります。

まとめ

利点

• セルあたりのビット数が増えるほど、NAND のコストを維持したまま容量を増やすことができます。
  • 企業は同じ量の物理的な NAND を使用しますが、容量は増えます。
• レベル数が増えるほど、GB あたりの価格は低くなります。

短所

• ビット数が増えるほど、パフォーマンスと耐久性が低下します。
  • SSD の設計やファームウェアにより、低下したパフォーマンスを補うための最適化が行われます。
• パフォーマンスを重視するなら、セルあたりのビット数を減らすのが最適です。
  • 最低コストを重視するなら、セルあたりのビット数が高い方が最適です。

ご不明な点については、コミュニティフォーラムをご参照ください。

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