NANDとは

キオクシアによると、NANDは、セルの中で絶縁体に囲まれた膜 (電荷蓄積膜) に電子を出し入れしてデータを記憶する。電子は電源を切っても膜にとどまるため、データが消えない。

NANDの特徴はセルのつなぎ方にある。キオクシアによると、NAND型はセルを直列につなぐため、セルを並列につなぐNOR型 (フラッシュメモリーのもう一つの方式) より高い密度で配置でき、容量を増やしやすい。一方のNOR型は、任意の場所のデータを直接読み出す操作 (ランダムアクセス) や高速な読み出しに向く。

1つのセルに何ビットを記憶させるかでも種類が分かれる。1ビットはSLC、2ビットはMLC、3ビットはTLC、4ビットはQLCと呼ぶ。1つのセルにNビットを記憶すると、読み分ける電圧の段階 (しきい値電圧の分布) は2のN乗段階になる。キオクシアによると、MLCは4段階、TLCは8段階、QLCは16段階になる。

(出所: キオクシアの用語集と技術解説「多値化技術とは」。SLCの2段階は2の1乗から当サイトが計算)

キオクシアによると、東芝は1984年に「フラッシュ」と名付けたメモリーを発表し、1987年にNAND型のフラッシュメモリーを発明した。発明したのは、当時東芝に在籍していた舛岡富士雄氏 (現東北大学名誉教授) である。舛岡氏らは同年、半導体素子の国際学会、国際電子デバイス会議 (IEDM) で論文を発表した。論文では、NAND型の構造にすれば、1ビットあたりのセル面積を、同じ設計ルールで作る従来構造の4メガビットのEPROM (データを消去して書き換えられる読み出し専用メモリー) より30%小さくできることを示した。

最初の製品は1991年の4メガビット品だった。その後の進歩の一つが、1つのセルに記憶するビット数を増やす「多値化」である。東芝は2001年、1セルに2ビットを記憶するNAND型の1ギガビット品を世界で初めて製品化し、2007年には1セル4ビットのQLC (16ギガビット) を発表した。

容量を増やす手段は長らく、セルを小さくする微細化だった。キオクシアによると、同社は平面型のNANDで回路線幅15ナノメートルの製品まで微細化を進めた。だがセル同士が近づくと意図しない電流が流れ、1つのセルにためられる電子の数も減って、データが不安定になった。そこでセルを縦に積む発想が生まれた。ただ、平面型のNANDを1層ずつ積み重ねる方法では、層を増やすたびに製造の手間が増え、費用がかさむ。

この課題を解決するため、東芝は2007年、3次元の製造技術「BiCS FLASH」の基本構想を学会で発表した。板状の電極と絶縁体を交互に積み重ね、上から垂直に多数の穴を一括で開けて、穴の中に膜と電極を埋め込んでセルを作る方式だ。

キオクシアの技術解説によると、同社は2015年に48層の3次元NANDを製品化し、2018年に96層、2020年に112層、2022年に162層と積層数を増やしてきた。2023年3月には、キオクシアが米ウエスタンデジタルと共同で218層の第8世代品を発表した。この世代では、セルを制御する回路 (CMOS回路) を作ったウエハーと、セルを作ったウエハーを別々に製造して貼り合わせる「CBA」と呼ぶ製法を採用した。2025年2月には、当時ウエスタンデジタルの子会社だった米サンディスクと共同で、332層の第10世代品を発表した。データの入出力速度は毎秒4.8ギガビットで、第8世代より33%速い。ビット密度は59%高まったとするが、何と比べたかは示していない。キオクシアは2026年7月に第10世代の試作品の出荷を始めた。量産は北上工場 (岩手県北上市) の第2製造棟で手がける計画だ。

積層数の公表の仕方は会社によって違う。各社が発表資料で示した数字は次の通り。

(出所: 各社の発表資料。SKハイニックスとサムスン電子の向上率は各社の前世代との比較。キオクシアとサンディスクのビット密度59%は、発表資料に比較の相手の記載がない。マイクロンの値は単位がギガバイトで、ほかの社のギガビットの値とはそのまま比べられない。サムスン電子とマイクロンは積層数を発表資料で明らかにしていないため、報道の数値は載せていない)

NAND型はNOR型と同じフラッシュメモリーの一種で、DRAMとは仕組みが異なる。DRAMは電源を切るとデータが消える揮発性のメモリーで、フラッシュメモリーよりはるかに速く読み書きできる。速さを取るか、電源を切ってもデータが残ることを取るかで使い分ける。

(出所: キオクシアの用語集)

DRAMの仕組みは「DRAMとは」で、そのチップを縦に積んでGPUのそばに置く広帯域メモリー (HBM) は「HBMとは」で説明している。主なメモリーメーカーの比較は、半導体技術の体系解説の「メモリー各社の比較」にまとめた。

サンディスクの年次報告書によると、同社とキオクシアは合弁会社を通じて日本の8拠点を運営しており、6拠点が三重県四日市市、2拠点が岩手県北上市にある。サンディスクのフラッシュメモリーのウエハーは、すべてこの合弁で作られる。サンディスクは合弁各社に49.9%を出資する。キオクシアが持つ工場の生産能力のうち、約80%が合弁会社の分にあたる。共同で開発した技術は両社で共有している。キオクシアの持ち株会社であるキオクシアホールディングスは2024年12月、東証プライム市場に上場した。

サムスン電子は、層が増えるほど多くの層を貫く高度なエッチング技術が必要になると説明する。JX金属も、微細な構造に薄い膜を作れる材料の必要が高まっているとしている。日本の製造装置や材料のメーカーは、NAND向けの技術開発や売上高を公表している。主な例は次の通り。

(出所: サンディスクの年次報告書、キオクシアホールディングスの適時開示、各社の発表資料と決算資料)

配線材料がタングステンからモリブデンに切り替わる理由は、3次元NANDの配線材料の記事で扱った。四日市と北上で作るNANDをGPUのそばで使うサンディスクの構想は、同社の試算を検証した記事で取り上げた。中国の長江存儲科技 (YMTC) については、同社の上場準備を取り上げた記事にまとめた。

NANDとDRAMの違いは

NANDは電源を切ってもデータが残る不揮発性のメモリーで、セルを直列につなぐため容量を増やしやすい。DRAMは電源を切るとデータが消える揮発性のメモリーで、NANDなどのフラッシュメモリーよりはるかに速く読み書きできる。

NAND型フラッシュメモリーを発明したのは

キオクシアによると、当時東芝に在籍していた舛岡富士雄氏が1987年に発明した。同年、舛岡氏らが国際電子デバイス会議 (IEDM) で論文を発表した。最初の製品は1991年の4メガビット品である。

3次元NANDの積層数はどこまで増えたか

キオクシアとサンディスクは2025年2月に332層の第10世代品を発表し、キオクシアは2026年7月に試作品の出荷を始めた。韓国SKハイニックスは2024年11月に321層品の量産を始めた。韓国サムスン電子と米マイクロン・テクノロジーは、発表資料で積層数を明らかにしていない。

NANDに関わる日本企業は

NANDを生産するキオクシアのほか、3次元NANDの低温エッチング技術を開発した東京エレクトロン、成膜材料のモリブデン化合物を作るJX金属、NAND向けの製造装置を手がけるKOKUSAI ELECTRICがある。