フラッシュメモリとは何ですか? 種類、仕組み、メリット、課題

フラッシュ メモリは、フローティング ゲート セル設計を使用してスイッチがオフになる前の状態を記憶するストレージ テクノロジであり、それによって電源のアクティブ/非アクティブに関係なくデータが保持され、読み取り、書き込み、および消去の耐久性のある形式のメモリになります。

フラッシュメモリの仕組み

ソース：eeNews Embedded新しいウィンドウを開く

フラッシュ メモリは、デジタル機器とパーソナル コンピュータ間のデータの保存と送信に使用される不揮発性メモリ チップです。 電気的に再プログラムしたり、きれいに拭き取ったりすることができます。 多くの場合、USB サム ドライブ、MP3 プレーヤー、カメラ、またはソリッド ステート ドライブに含まれています。 近年、フラッシュ テクノロジはより手頃な価格で耐久性が高くなったため、企業 IT で広く使用されるようになりました。

コンピュータで最もよく使用されるフラッシュ メモリの例は次のとおりです。

フラッシュ メモリでは、情報はメモリ セルに保存されます。 これらのセルにはフローティング ゲート トランジスタがあり、電子を長期間捕捉できますが、無期限には捕捉できません。 電圧が印加される場所に応じて、これらのセルは読み取り、書き込み、消去のタスクを実行できます。 書き込み操作を実行するには、メモリ セルのフローティング ゲートを充電または放電する必要があります。 充電状態は論理 0 を意味し、放電状態は論理 1 を意味します。

最新のストレージ システムはメモリ セルをページにグループ化し、セルごとではなく膨大な量のデータを同時に取得できるようにしています。 フラッシュ メモリの最も一般的な形式である not-and (NAND) フラッシュは、32 または 64 ページのブロックで構成されます。

NAND チップは、酸化物媒体内の電子をシリコンの「ゲート」に「押し込む」ことができます。 これらのゲートには、コンピュータが 1 と 0 として解釈する可能性のある電子が保持されています。 チップはこれらのトランジスタを数百または数千個リンクし、ロジック コントローラーを利用してそれらをユニットとして動作させます。

1981 年、東芝の電気技術者である増岡富士夫氏と同僚の飯塚久和氏は、フラッシュの発明に関して米国特許第 4,531,203 号を出願しました。 元々は同時消去可能な EEPROM (電気的に消去可能なプログラム可能な読み取り専用メモリ) と呼ばれていましたが、カメラのフラッシュのように瞬時に消去して再プログラムできるため、「フラッシュ」と呼ばれるようになりました。

これまで、消去可能なメモリ チップ (典型的な EPROM) は、再利用するために紫外線で拭き取るのに約 20 分必要で、高価な光透過性のパッケージングが必要でした。 安価で電気的に消去可能な EPROM もありましたが、そのアーキテクチャは重く効率が低く、各ビットの情報を保持するには 2 つのトランジスタが必要でした。 フラッシュ メモリはこれらの制限を解決しました。

過去 10 年ほどで、フラッシュ メモリは磁気ストレージを急速に上回りました。 スーパーコンピューターやラップトップから携帯電話や iPad に至るまで、さまざまなデバイスでハード ドライブが小型、高速、コンパクトなフラッシュ ベースの SSD (ソリッド ステート ドライブ) に置き換えられています。 PC や固定電話デバイスから、ポータブル デバイス (タブレットやスマートフォン) や携帯電話 (移動時の緊張や緊張に耐えられる、超小型、高密度、信じられないほど安定したメモリ ユニットが必要です) への移行が、この傾向に貢献しています。

こうした傾向は現在、サムスンが 2000 年代初頭に開発し、2013 年に正式に導入した 3D フラッシュ (「スタック」) テクノロジーに有利に進んでいます。記憶容量を向上させるために、単一のシリコン ウェーハ上に複数レベルのメモリ セルが開発される可能性があります。 フローティング ゲート (後続のセクションで説明します) の代わりに、3D フラッシュは電荷トラップとして知られるメカニズムを採用しています。 同じサイズの設置面積内でテラビットの範囲にまで及ぶメモリ容量を提供します。

詳細: メタバースとは何ですか? 意味、特徴、重要性

最も注目すべきタイプのフラッシュ メモリは次のとおりです。

フラッシュメモリの種類

消費者が使用する従来のフラッシュ ストレージは、アプリケーションとしてはハードディスク ドライブ (HDD) やソリッド ステート ドライブ (SSD) に似ています。 USB ポートに適合するコネクタを備えたポータブルな絶縁チップにデータを保存するのに役立ちます。 従来のフラッシュ ストレージ デバイスの主な利点は、スケーラブルでコスト効率の高い容量と、信頼性の高いストレージです。 ただし、この保管技術は物理的な盗難などの欠陥に対して脆弱です。

プライマリ フラッシュ ストレージは、速度と遅延を最小限に抑えるように構築されています。 最前線での入出力処理を担当します。 プライマリ フラッシュ ストレージは、時間に敏感なエンタープライズ アプリケーションや構造化データに最適です。 予測可能なサイズのデータ​​ チャンクの受信と送信に優れており、それを高速に実行します。

ビッグ データ用のフラッシュ ストレージは、主要なデータ分析操作が行われる場所です。 ビッグデータにはフラッシュ ストレージが提供する速度と容量が必要ですが、遅延はそれほど重要ではありません。 通常、ビッグ データ用のフラッシュ ストレージは、さまざまなサイズの巨大なデータセットを含むバッチ処理分析に使用されます。 高密度のフラッシュストレージの一種です。

この種類のストレージ デバイスはキャッシュ ストレージとも呼ばれ、容量を犠牲にして最速のアクセス速度を提供します。 サーバー フラッシュの人気は、1 秒あたりの入出力アクティビティ数/オペレーション数 (IOPS) が増加するため、近年高まっています。 また、ホスト プログラムと並行して機能しながら、フラッシュ メモリも強化されます。 これにより、IT チームは他の種類のフラッシュ メモリを使用する場合よりも効果的にストレージを高速化し、遅延を最小限に抑えることができます。

インテリジェントなキャッシュ ソリューションは、ハイブリッド アレイを定義する 1 つの方法です。 HHD のストレージ容量を使用しながら、保存されたデータにミリ秒未満でアクセスできるようになります。 ハイブリッド アレイでは、より大きな作業負荷が必要になります。

ラック レベルのフラッシュ ストレージは、特殊な形式のストレージです。 このタイプは単なる大規模データ フラッシュのサブセットですが、主な用途はリアルタイム データ分析処理です。 最短のターンアラウンドを実現するために、ラックスケールのフラッシュ ストレージには非常に低い遅延が要求されます。

ソリッド ステート ディスク (SSD) フラッシュ ドライブは、フラッシュ メモリを使用してデータを保存します。 SSD には、ハードディスク ドライブ (HDD) に比べて利点があります。 ハードドライブの固有の遅延は、機械コンポーネントが原因です。 ソリッドステート システムには可動コンポーネントがないため、遅延が最小限に抑えられ、必要な SSD の数が少なくなります。 現在の SSD のほとんどはフラッシュ メモリに基づいているため、フラッシュ ストレージはソリッド ステート デバイスに関連付けられています。

オールフラッシュ アレイは、情報をフラッシュ メモリのみに保存します。 これらの最新の設計は、SSD ストレージ エリア ネットワーク (SAN) の従来の機能によって課せられる制限を受けることなく、パフォーマンスを向上させることを目的としています。 遅延が非常に短く、可用性が高いです。 これらは、マルチクラウド設定や不揮発性メモリ エクスプレス (NVMe) などのストレージ標準に適しています。

詳細: LTE と 4G: 8 つの主な違いを理解する

フラッシュ メモリの動作はトランジスタの概念に基づいています。 トランジスタは、電力や電気信号を強化したり切り替えたりするために使用される半導体の一種です。 コンピュータのストレージでは、トランジスタはメモリ チップの回路の状態を変更できるボタンまたはスイッチとして機能します。

従来のトランジスタは、電気によって駆動される電気スイッチであるという事実が、利点でもあり欠点でもありました。 これは、コンピュータがメモリ回路を介して電気パターンを送信することによってデータを保存できるため、有利です。 ただし、電源がオフになるとすぐに、すべてのトランジスタが元の状態に戻り、コンピュータが保存していたすべてのデータが失われます。 これは、ランダム アクセス メモリ (RAM) の機能についても説明します。

読み取り専用メモリ (ROM) と呼ばれる別のタイプのメモリは、この問題の影響を受けません。 ROM チップが作成されるとき、オンまたはオフのときに学習した内容が「失われない」ように、データが事前にプログラムされます。 さらに、保存されるデータは永続的です。

フラッシュ メモリは、ROM と RAM の両方と重要な特性を共有しています。 ROM と同様に、電源が供給されていない場合でも情報を保持します。 RAM と同様に、繰り返し消去および上書きされる可能性があります。 これを実現するために、フラッシュは、電源がオフかオンかに関係なくオン（またはオフ）を維持するまったく新しいタイプのトランジスタを利用します。 仕組みは次のとおりです。

フラッシュ メモリ デバイスは、否定論理和 (NOR) と否定論理和 (NAND) という 2 つの異なる論理テクノロジを使用してデータをマッピングします。 単一バイトなどの微量のデータを回復できます。 NOR は、携帯電話のオペレーティング システム、デバイス ドライバー、およびコンピューターの起動時に実行される BIOS ソフトウェアを保存する役割を果たします。

NAND ストレージは、データをコンパクトなページで処理し、高速に順次読み書きします。 このフラッシュは、ソリッドステートおよび USB フラッシュ メモリ スティック、カメラ、ビデオ、オーディオ プレーヤー、テレビ用のセットトップ ボックスで利用されています。 NAND ストレージは書き込みよりも読み取りの方が速く、データのページ全体を高速に送信できます。 NAND テクノロジーは NOR ストレージよりも安価で、同等のチップ サイズでより多くのストレージを提供します。

詳細: コンピュータ ネットワークとは何ですか? 定義、目的、コンポーネント、タイプ、ベストプラクティス

フラッシュ メモリの最大の利点は、その速度と可搬性です。 欠点としては、他のストレージ タイプに比べてコンポーネントのコストが高いこと、同じ価格でも容量が限られていること、電源から切断されたままの状態が長時間続くと時間の経過とともにデータが失われることなどが挙げられます。 これらの利点と課題について詳しく説明します。

フラッシュメモリは次のとおりです。

フラッシュ テクノロジを使用する場合は、その欠点を覚えておくことも重要です。 それは次のとおりです。

詳細: モノのインターネットとは何ですか? 2022 年の定義、役割、事例、トレンド

Flash は、現代で最も普及しているテクノロジーの 1 つです。 消費者向けストレージ デバイスからオールフラッシュ データセンターに至るまで、データの保存方法に革命をもたらしました。 フラッシュ メモリは、従来のサーバー、データ センター、データ ウェアハウスを構成する磁気ストレージへの依存を軽減することで、データ分析プロセスを高速化できます。 実際、2023 年 1 月に Micron は、IOPS が 77% 向上することを約束する、データセンター向けの新しいフラッシュベースの SSD を発売しました。 しかもSSDの容量はフラッシュメモリとしては異例の30TB！

この記事はフラッシュメモリとは何かを理解するのに役立ちましたか? FacebookOpens a new window、TwitterOpens a new window、LinkedInOpens a new window でお知らせください。 あなたからの御一報をお待ちしています！

テクニカルライター