PR
スポンサーリンク

NANDフラッシュメモリ～高速・大容量・省エネへの挑戦

デバイス
2020.03.01

NANDフラッシュメモリは、デジタル機器の記憶装置として広く使用されている不揮発性メモリの一種です。本記事では、NANDフラッシュメモリの基本的な概念から最新の技術動向、市場規模、主要メーカーまでを包括的に解説します。2024年現在の半導体業界における重要性と今後の展望についても詳しく見ていきます。

NANDフラッシュメモリ関連の最新ニュース

  • SK hynixが321層NANDフラッシュメモリを量産開始
    SK hynixは2024年11月に、世界初となる321層NANDフラッシュメモリの量産を開始しました。従来の238層NANDと比較して、データ転送速度が12%向上し、読み取り性能が13%向上、さらに電力効率が10%以上改善されています。この技術革新により、より高速で効率的なデータストレージソリューションが実現可能となります。
  • キオクシアがCu-Cuウエハ直接接合技術を用いたNANDフラッシュメモリを開発
    キオクシアはCBA（CMOS Directly Bonded to Array）技術をBiCS FLASH™ generation 8に適用し、ワードライン218層の3次元フラッシュメモリ構造を実現しました。デバイス性能は、図5に示すように従来技術と比較してセル電流が35％向上し、3.2Gbpsのインターフェース性能を実現しました。将来的にはCMOSにHigh-k/Metal Gate(HKMG)を導入し、更なるインターフェース性能を向上させることも可能となります。
  • サムスン電子が次世代NANDフラッシュ開発に向けた新研究施設を設立
    サムスン電子は2024年11月中旬に、次世代半導体の研究開発キャンパスを立ち上げました。この施設では、最先端の設備を導入し、次世代1D DRAMおよび3D NANDフラッシュ技術の開発を進めていく予定です。サムスンのこの戦略的取り組みにより、半導体イノベーションの最前線に立つことが期待されています。
  • 3D NANDフラッシュメモリ市場が2032年までに754.4億ドルに到達する見込み
    SNS Insiderの報告によると、3D NANDフラッシュメモリ市場は2032年までに754.4億ドルに達すると予測されています。この成長は、消費者向け電子機器やデータセンターにおける高容量ストレージの需要増加に牽引されています。3D NAND技術は、従来の2D NANDと比較して優れた性能と効率性を提供し、現代のデバイスにおいて重要な役割を果たしています。

NANDフラッシュメモリとは？

フローティングゲートトランジスタの仕組み

NANDフラッシュメモリは、フローティングゲートトランジスタを基本構造として使用しています。このトランジスタには、電荷を蓄積するフローティングゲートと呼ばれる絶縁された導電層があります。電荷の有無によってデータの「0」と「1」を表現し、電源を切っても情報を保持する不揮発性メモリとして機能します。

NANDアーキテクチャの特徴

NANDフラッシュメモリは、メモリセルを直列に接続するNANDアーキテクチャを採用しています。この構造により、高密度化が可能となり、大容量のデータストレージを実現しています。また、ランダムアクセス性能は劣りますが、シーケンシャルアクセスに優れているため、大容量データの読み書きに適しています。

不揮発性メモリとしての利点

NANDフラッシュメモリは、電源を切っても記憶内容を保持できる不揮発性メモリです。これにより、バッテリー駆動のモバイルデバイスや、頻繁な電源オン/オフが必要なシステムに適しています。また、機械的な可動部分がないため、耐衝撃性に優れ、消費電力も比較的低いという特徴があります。

NANDフラッシュメモリの市場規模

2024年の市場規模と成長率

NANDフラッシュメモリ市場は、2024年に703.2億米ドルに達すると予測されています。2023年の667.5億米ドルから着実な成長を示しており、年平均成長率（CAGR）は5.54%と推定されています。この成長は、デジタル機器の普及やデータセンターの需要増加によって牽引されています。

2030年までの市場予測

市場分析によると、NANDフラッシュメモリ市場は2030年までに973.8億米ドルに達すると予想されています[3]。この成長は、IoTデバイスの普及、5G技術の展開、AIおよび機械学習アプリケーションの増加など、様々な要因によって後押しされています。特に、エンタープライズSSD市場の急速な拡大が、この成長の主要な原動力となっています。

地域別の市場動向

2023年時点で、アジア太平洋地域がNANDフラッシュメモリ市場の32%を占め、最大のシェアを持っています。この地域では、サムスン、SK hynix、マイクロンテクノロジーなどの主要半導体メーカーの存在が市場をけん引しています。一方、北米市場は2024年から2032年にかけて最も急速な成長が見込まれており、クラウドコンピューティングやデータセンターの需要増加が主な要因となっています。

NANDフラッシュメモリの主な用途

スマートフォンとタブレット

NANDフラッシュメモリは、スマートフォンやタブレットの内部ストレージとして広く使用されています。これらのデバイスでは、高速な読み書き性能と大容量ストレージが求められるため、NANDフラッシュメモリが最適な選択肢となっています。最新のスマートフォンモデルでは、512GBや1TBといった大容量のNANDフラッシュメモリが搭載されており、高解像度の写真や動画、多数のアプリケーションを保存することができます。

SSDとデータセンター

ソリッドステートドライブ（SSD）の主要コンポーネントとして、NANDフラッシュメモリは重要な役割を果たしています。SSDは従来のハードディスクドライブ（HDD）と比較して、高速なデータアクセス、低消費電力、高い耐衝撃性を提供します。特にデータセンターでは、高性能なSSDの需要が急増しており、クラウドサービス、ビッグデータ分析、AIアプリケーションなどの処理に不可欠となっています。

IoTデバイスとウェアラブル技術

Internet of Things（IoT）デバイスやウェアラブル技術においても、NANDフラッシュメモリは重要な役割を果たしています。これらのデバイスは小型で低消費電力であることが求められるため、NANDフラッシュメモリの特性が適しています。スマートウォッチ、フィットネストラッカー、スマートホームデバイスなど、様々なIoT製品でNANDフラッシュメモリが使用されており、センサーデータの保存や小規模なオペレーティングシステムの実行に活用されています。

NANDフラッシュメモリの主な種類

SLC（Single-Level Cell）NAND

SLC NANDは、1つのメモリセルに1ビットのデータを格納する最も単純な構造のNANDフラッシュメモリです。各セルは「0」または「1」の2つの状態のみを持ち、読み書きが高速で、耐久性も高いという特徴があります。しかし、容量あたりのコストが高いため、主に高性能が求められる産業用途や企業向けストレージシステムで使用されています。SLC NANDは、10万回以上の書き換えサイクルに耐えることができ、信頼性が極めて高いのが特徴です。

MLC（Multi-Level Cell）NAND

MLC NANDは、1つのメモリセルに2ビットのデータを格納することができます。これにより、SLCと比較して2倍の記憶密度を実現し、容量あたりのコストを削減することができます。ただし、4つの電圧レベルを区別する必要があるため、読み書きの速度はSLCよりも遅くなり、耐久性も低下します。一般的に、MLC NANDは約3,000〜10,000回の書き換えサイクルに耐えることができます。コンシューマー向けSSDや一般的なフラッシュメモリカードなどで広く使用されています。

TLC（Triple-Level Cell）NAND

TLC NANDは、1つのメモリセルに3ビットのデータを格納することができ、さらに高い記憶密度を実現しています。これにより、MLCよりもさらに低コストでの大容量化が可能となりますが、8つの電圧レベルを区別する必要があるため、読み書き速度と耐久性はさらに低下します。TLC NANDの一般的な書き換えサイクルは約1,000〜3,000回程度です。近年のスマートフォンやコンシューマー向けSSDの多くでTLC NANDが採用されており、コストパフォーマンスの高いストレージソリューションとして広く普及しています。

NANDフラッシュメモリの技術的な課題

高層化による製造プロセスの複雑化

NANDフラッシュメモリの高密度化を実現するための主要な手法として、メモリセルの垂直方向への積層（高層化）があります。しかし、層数が増えるにつれて製造プロセスが複雑化し、技術的な課題が増加しています。例えば、高アスペクト比のホール形成や均一な膜質の確保が難しくなっています。2024年現在、業界最先端の321層NANDが量産化されていますが、1000層以上の超高層NANDの実現に向けては、さらなる技術革新が必要とされています。

信頼性と耐久性の向上

NANDフラッシュメモリの多値化（SLC→MLC→TLC→QLC）が進むにつれて、1セルあたりの電子数が減少し、信頼性と耐久性の課題が顕在化しています。特に、書き換え回数の減少や、データ保持期間の短縮が問題となっています。これらの課題に対処するため、エラー訂正技術の高度化や、ウェアレベリング（書き込み回数の平準化）アルゴリズムの改善など、ソフトウェア面での対策が重要となっています。

微細化の限界とコスト削減の圧力

NANDフラッシュメモリの微細化は、物理的な限界に近づきつつあります。特に、電子の量子効果が顕著になる10nm以下のプロセスでは、従来の設計手法が通用しなくなってきています。一方で、市場からはコスト削減の圧力が強く、新たな製造技術の開発と導入にはリスクが伴います。この課題に対して、3D NAND技術の更なる進化や、新材料・新構造の導入など、革新的なアプローチが研究されています。

NANDフラッシュメモリのトップシェアメーカー

サムスン電子

サムスン電子は、NANDフラッシュメモリ市場において最大のシェアを誇る企業です。2022年の市場シェアは約24.41%と推定されています。同社は、垂直統合型の半導体メーカーとして、DRAM、NANDフラッシュメモリ、SSDの自社製造を手掛けており、最終製品であるスマートフォンやテレビにも強みを持っています。サムスンは、NANDフラッシュ技術の革新においても常にリーダーシップを発揮しており、高層化や3D NAND技術の開発で業界をリードしています。

SK hynix

SK hynixは、韓国の大手半導体メーカーで、NANDフラッシュメモリ市場において2番目のシェアを持っています。2022年の市場シェアは約16.23%と推定されています。同社は、2020年にインテルからNAND型フラッシュメモリとSSD事業を買収し、市場での地位を強化しました。SK hynixは、高層NANDの開発に積極的で、2024年には世界初の321層NANDフラッシュメモリの量産を開始しています。

キオクシア（旧東芝メモリ）

キオクシアは、日本を代表するNANDフラッシュメモリメーカーです。2022年の市場シェアは約14.20%と推定され、世界市場で重要な位置を占めています。2023年後半からの市場回復の中で、キオクシアも生産調整を行いながら需要の増加に対応しています。

技術革新への取り組み

キオクシアは、3D NAND技術の開発に積極的に取り組んでおり、高層化と高密度化を進めています。2019年には東芝メモリ（現キオクシア）とWestern Digitalの共同開発チームが、メモリセルアレイのプレーン数を2プレーンから4プレーンに増やし、CMOS周辺回路のほとんどをメモリセルアレイ直下のシリコン基板に形成する新技術を発表しました。

市場動向と戦略

2024年第1四半期、キオクシアの売上高は前四半期比26.3%増の18億2000万ドルとなりました。これは、前四半期からの減産影響を受けた結果、出荷量は7%増と控えめでしたが、価格上昇を追い風に売上を伸ばすことができたためです。

今後の展望

TrendForceの予測によると、2024年第2四半期もキオクシアの供給ビット数、価格ともに上昇する見込みで、売上高も20%の増加が予想されています。キオクシアは、高層化や多値化などの技術革新を進めながら、市場の需要変動に柔軟に対応する戦略を取っています。

マイクロン・テクノロジー

マイクロン・テクノロジーは、米国を代表するメモリメーカーで、NANDフラッシュメモリ市場でも重要なプレイヤーです。2022年の市場シェアは約11.38%と推定されています。

市場での位置づけ

2024年第1四半期、マイクロンはWestern Digitalを僅差で追い抜き、業界4位にランクインしました。価格を他社よりもわずかに下げることで出荷量を伸ばす戦略を取り、売上高は前四半期比51.2%増の17億2000万ドルと、全社中トップの成長率を記録しました。

技術革新と製品戦略

マイクロンは、3D NAND技術の開発に注力しており、高層化と多値化を推進しています。また、エンタープライズSSD市場にも積極的に参入し、データセンター向けの高性能製品の開発を進めています。

今後の展望

AIやIoTの発展に伴うデータセンター需要の増加は、マイクロンにとって大きな成長機会となっています。同社は、高性能かつ省電力なNANDフラッシュメモリの開発を通じて、この成長市場でのシェア拡大を目指しています。

NANDフラッシュメモリ市場の今後

NANDフラッシュメモリ市場は、2024年以降も成長が続くと予測されています。特に、AIやIoT、5G技術の普及に伴うデータセンター需要の増加が、市場成長の主要な牽引力となっています。

技術革新の方向性

現在、NANDフラッシュメモリの高密度化は主に4つの要素技術（高層化、多値化、レイアウト変更、微細化）によって進められていますが、これらの技術は近い将来限界に達すると予想されています。そのため、新たな要素技術の導入や転換が2025年～2030年には本格化する可能性が高くなっています。

市場予測

TrendForceの予測によると、2024年第2四半期のNAND市場は約10%の成長が見込まれています。長期的には、3D NANDフラッシュメモリ市場が2032年までに754.4億ドルに達するという予測もあります。

競争環境の変化

ウエスタンデジタルとキオクシアの合併交渉が進行中であり、成功すれば市場の競争環境が大きく変わる可能性があります。このような業界再編の動きも、今後のNANDフラッシュメモリ市場の動向に大きな影響を与えるでしょう。

NANDフラッシュメモリ市場は、技術革新と需要の変化が激しい分野です。各メーカーは、高層化や多値化などの技術開発を進めながら、市場の需要変動に柔軟に対応する戦略が求められています。今後も、データセンターやAI、IoT分野での需要増加を背景に、市場は成長を続けると予想されます。

参考サイト

スポンサーリンク