【1】はじめに
フラッシュメモリは、電気的にデータを書き換え可能で、電源を切っても情報を保持できる不揮発性メモリです。
1980年代に登場し、今ではスマートフォン、SSD、USBメモリなど、あらゆる記憶装置の中心技術となっています。
「フラッシュ（Flash）」という名前は、データを一括で高速に消去できることに由来します。
【2】基本構造
フラッシュメモリの1ビットセルは、特別なMOSFETで構成されています。
その特徴は「フローティングゲート（Floating Gate）」を持つことです。
構造の概要：
● 通常のMOSFETのゲート酸化膜の間に、電子を閉じ込める「フローティングゲート層」を挿入。
● この層に電子を注入・放出することで、電荷の有無を記録。
● 電荷がある＝1or 0として認識（方式によって異なる）。
電子を出し入れする方法として、Fowler–Nordheimトンネル効果やホットキャリア注入が利用されます。
【3】データの記録（書き込み）
書き込み時には、フローティングゲートに電子を注入します。
１．ゲートに高電圧（約10〜20V）を印加。
２．電子が酸化膜をトンネル効果で通過し、フローティングゲートに蓄積。
３．蓄積された電子により、しきい値電圧（Vth）が上昇。
４．そのセルは「1（または0）」として認識される。
【4】データの消去（イレース）
消去では、逆にフローティングゲートから電子を抜き取ります。
● 高電圧を逆方向に印加し、電子を酸化膜を通じて引き戻す。
● しきい値電圧（Vth）が元に戻り、セルがリセットされる。
● フラッシュメモリでは、ブロック単位でまとめて消去を行う。
これが「一括消去＝フラッシュ」と呼ばれる所以です。
【5】データの読み出し
読み出し時は、低電圧（約1V）をゲートに印加して電流の有無を検出します。
● 電子がフローティングゲートに溜まっている → チャネルが閉じて電流が流れない。
● 電子が無い → チャネルが開いて電流が流れる。
この違いによって、0または1として読み取られます。
【6】NOR型フラッシュメモリの構造
NOR型では、各セルが並列接続され、各セルに直接アクセス可能な構造を持ちます。
特徴：
● セルごとに独立して読み書きができる。
● 読み出し速度が高速。
● ランダムアクセスに強い。
欠点：
● セル面積が大きく、大容量化に不向き。
● 書き込み・消去が遅い。
用途：
● ファームウェアROM、マイコン内蔵ROM、コード格納用途。
【7】NAND型フラッシュメモリの構造
NAND型では、セルが直列に接続され、ブロック単位でアクセスします。
特徴：
● セル面積が小さく、大容量化に有利。
● 書き込み・読み出しはページ単位（数KB〜数十KB）。
● 消去はブロック単位（数MB）。
● 読み出し速度は遅いが、ストレージ用途に最適。
用途：
● SSD、USBメモリ、SDカード、スマートフォンの内部ストレージ。
【8】SLC・MLC・TLC・QLCの違い
フラッシュメモリは、1セルに格納するビット数によって分類されます。
● SLC（Single-Level Cell）：1セル＝1ビット（高速・高信頼・高コスト）
● MLC（Multi-Level Cell）：1セル＝2ビット（中間性能・中コスト）
● TLC（Triple-Level Cell）：1セル＝3ビット（大容量・安価）
● QLC（Quad-Level Cell）：1セル＝4ビット（超高密度・低耐久）
現在は、用途に応じて「SLCキャッシュ」や「ハイブリッド構成」が採用されています。
【9】3D NAND技術
従来はセルを平面上に配置していましたが、
近年では垂直方向に多層積層する「3D NAND」が主流になりました。
特徴：
● 層数は128層、176層、200層超へと進化。
● 記憶密度が飛躍的に向上。
● コストダウンと高速化を同時に実現。
例：
Samsung「V-NAND」、Kioxia/WD「BiCS」、Micron「3D NAND」など。
【10】フラッシュメモリの課題
● 書き換え回数に制限（寿命）
● 書き込み速度の低下（特にTLC・QLC）
● 誤り訂正（ECC）回路の必要性
● 書き込み単位と消去単位の不一致による管理負荷（ウェアレベリング）
これらの課題を制御するために、フラッシュコントローラ（Flash Controller）が重要な役割を果たします。
【11】今後の展望
● QLCの次世代：PLC（5ビット／セル）の研究進行中。
● 3D構造のさらなる積層化（500層超）が視野。
● MRAM・ReRAMとの融合による「ユニバーサルメモリ」構想も進行。
● AIによるセル寿命予測・エラー補正最適化が現実化しつつある。
【12】まとめ
・ ラッシュメモリは電気的に消去・書き換えが可能な不揮発性メモリ。
・ NOR型：高速読み出し・低密度。
・ NAND型：大容量・低コスト・ストレージ用途。
・ 3D化・多値化（SLC→QLC）により性能とコストの両立が進む。
・ 次世代ではPLCや新材料デバイスへの進化が期待される。
【理解チェック】
１．フラッシュメモリの「フローティングゲート」とは何か？
２．NAND型とNOR型の構造上の違いは？
３．3D NAND技術の最大の利点は？
コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。
※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。
