QLCって本当に大丈夫なのか

QLCというカテゴリーのNAND Flashがある。

現在主流のTLCは一つのセルに8段階の電圧で3bitの情報を表現するが、これが16段階の4bitになったものがQLCだ。

WD、QLC 3D NANDで1.33Tbit実現のSSD向け96層チップをサンプル出荷
https://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/1133921.html


記事によると、このQLC NANDがついにWestern Digital(東芝)から出る。

まずは一般消費者向けの製品として、後にサーバー用等業務用機器向けにも採用されるという。


このQLC、私は個人的には非常に警戒している。

理由は記憶媒体としての信頼性に疑問があるためだ。

もちろん商品として開発したものである以上、一定の信頼性確保に成功しているとは思う。
だが、NAND Flashの特性を考えればQLCなどありえない。

NAND Flashはセルと呼ばれる極小の蓄電池に電気を溜めて情報を保存する。SLCの場合電気があるかないかの二つの状態によって0と1を表す。この時、一定の閾値を超えた電圧であれば1、それ以下なら0というように判断するので、これがMLCの場合4段階になり、例えば0%～25%なら0、26%～50%で1、51%～75%なら3、76%～100%なら4というようになる。TLCやQLCはこれがさらに細分化されるわけだが、一つのものをより多くに分けると閾値の範囲が狭まってしまう。

もしNAND Flashのセルが、全て均一なもので蓄えられる電気が一定であり、かつ永遠に蓄電量が変化しないならば、TLCだろうとQLCだろうと技術的な難度は上がりこそすれ、他は何も問題はない。

だが現実にはセルごとの特性はバラつきがあり、使い続ければ蓄電量も落ちていく。

さらに一旦蓄電された電気は永遠に一定量を保ち続けるわけではなく時間と共に自然に減るし、減っていく速度、つまり保持期間もセルの状態によってバラバラで、さらにこれも使えば使うほど保持期間は短くなっていく。


こうした事を考えると、特にTLCとQLCは信頼性に疑問が残るというのは自明であろう。

そして信頼性と耐久性は、Bit数が一つ増えるたびに一桁単位で落ちていくと思えばいい。

SLCが１とすればMLCは0.1、TLCは0.01、QLCは0.001だ。つまりQLCはSLCの千分の一でしかない。
もちろん正確な数字はまったく違うが、これは書き換え回数を元に出した考え方なのでまったくのデタラメではない。例えばSLCは10万回、MLCは1万回、TLCは1000回という感じで書き換え可能な回数が減っている。


こうした問題に対し、NAND Flashを開発する会社は様々な対策をもって信頼性の確保を行っている。もしQLCが単純に現在主流のTLCの十分の一の信頼性しか無いなら、商品として成り立たなくなるからだ。
この対策に関しては大雑把に言うとNAND Flashのセル自体の信頼性向上と、情報の読み書き時に様々な処理を加える事で情報の信頼性を向上する方法の二通りある。

前者はセルの蓄電量を如何に一定以上の規準に保つか、材料と設計の両面からの対策をする。平面にセルを並べていた2Dから垂直方向にもセルを並べるようになった3D構造への転換は設計面からの対策で、面積当たりの記憶容量を増やす為に微細化が進み、セルの体積が減ったり隣り合わせのセルからの影響で信頼性確保が難しくなった事と、記憶容量を増やすための微細化が限界に達した事に対する対策を兼ねている。
また表記された記憶容量よりも多めにセルを搭載する事で冗長性（調子が悪い領域の代替のため）を持たせる事も行っている。

後者はハード・ソフト両面で符号計算するなどして、読み書きする情報が正確である事を担保する。これには余分な記憶容量が必要であるが、これに必要な記憶領域はセルそのものの冗長分とは別に最初から備わっている。さらに蓄電と放電にも泣く子をなだめるかのごとくあの手この手でセルの状態をより良い方へ持って行くためのきめ細かい制御が行われている事が想像できる。当然こうした制御も全てハード或いはソフトウェアによるプログラムで行われている事だろう。


ここまで色々書くと、そこまでやっているならば何も問題は無いではないか、と私自身も思えてくる。

が、それは恐らく気のせいというヤツだ。（もちろん心配事自体も気のせいと言えるかもしれないが）

いずれにせよ、QLCはTLCよりもあらゆる面で性能は下と見るべきだ。

コメント 13

MLCのときもTLCのときも出始めは保持性ガー耐久性ガーと騒がれていたが、通常の使い方で壊れたという話は（一般論として）終ぞ聞かない。

また、確かに書き込み回数は落ちるものの、10TBに迫らんとする圧倒的な容量を鑑みれば、1セル当たりに書き込まれる頻度は今までと比較にならない程稀釈される点を考慮すべきであって、危ない信用ならないとみだりに騒ぐのはいかがなものか。

5年もすれば答えは出よう。間違いなく杞憂だったと笑い話になっていると考える。
by guest (2018-08-24 05:14) 

guest様、コメント有難うございます。

guest様がおっしゃっている事は、間違いないと思います。

ただ私の書いている事も間違いではありません。

記事中にはメーカーが行っている信頼性確保のための具体的な対策も書いていますし、危機感を煽るだけのプロパガンダにならないように一方的な考えのみを書かず、何も問題は無いという考えも書いています。

なので「危ない信用ならないとみだりに騒ぐ」ような事もしていません。

また、主にヘビーユーザーと呼ばれる方達（私もこれに含まれます）にとってはNAND Flashの特性を知っておく事は死活問題で、この記事に書いた事は万が一の事態に対する危機感から起きています。

さらに、こうした危機感の根拠は実際に周囲でデータを失った人からデータの回復を依頼された経験もあっての事で、知識だけのものではありません。しかもこうした依頼は所謂「一般的な使い方」の人からしか出ていません。

「一般的な使い方」では一生使えるというような通説もありますが、SSDやUSBメモリに使われるNAND Flashはこういう物なんだ、という知識を持って、万が一に備えていただけると幸いに思います。（もちろん、万が一があっても問題ない人は無視していただいてもかまいません）

by 98式軍刀 (2018-08-24 19:51) 

お忙しいところご返信感謝いたします。

記事をdisる意図はなく、ただ私が主張したような事象についても考慮いただき記事に織り込みながら「一般的な使い方」をする利用者に啓蒙できる記事になれば、読者としてもうれしく思います。

なお、以下はいささか論点がずれて卑怯とは承知しておりますが、

> こうした危機感の根拠は実際に周囲でデータを失った人からデータの回復を依頼された経験もあっての事
> しかもこうした依頼は所謂「一般的な使い方」の人からしか出ていません。
> この記事に書いた事は万が一の事態に対する危機感から起きています。

「万が一の事態に対する」方法はSSDセルの多値化への懸念よりも、データの冗長性確保が極めて重要だと考えます。
「一般的な使い方」をするユーザーへはQLCによるデータ消失の危険性を周知する（ただし個人的には最初のコメントの通りあまり重要ではないと考えてはおりますが）ことと併せて、外部へのバックアップの重要性を粘り強く説いていく必要がありそうです。バックアップを取ってさえいればデータ回復などということは不要ですから。

無論、執筆者様の記事やコメントの主張を否定するものではありません。
NANDであれ磁気であれ、ストレージは消耗品であるということを、我々ヘビーユーザーは初心者や一般の利用者にもっと伝えていくべきなのかもしれませんね。

応援しております。これからも頑張ってください。
by guest (2018-08-27 18:39) 

guest様、ご意見と応援ありがとうございます。

guest様の主張を記事に織り込みの件については、昨今のNAND Flashの進歩やSSDの進歩があまりにも早すぎて、数年前の知識や考え方が一部時代遅れになりつつある事を近頃感じていましたので、”論点がずれている”辺りの問題も織り込んで新しく書くつもりです。

またなにかあればご遠慮なくコメントよろしくお願いいたします。
by 98式軍刀 (2018-08-28 20:15) 

3D NANDは1層のものより粗いプロセスで作られているから、メモリセルとしてはだいぶ余裕があります。もちろん、同じプロセスで作られたTLCとQLCを比べれば違いは明白ですが、単純に過去のFlashと比べるのは難しいと思います。あと、エラー訂正も強化されています。まあ、強化しなくてはならない理由を考えれば、安心できる要素ではありませんが。
by 俺様 (2019-01-17 22:17) 

俺様 様、コメントありがとうございます。

おっしゃる通り、3D NANDはセル単体の耐久性などが従来の2D(20nmとか15nm程度のもの)と比べて格段に上がっている事は事実ですが、セルの体積縮小による耐久性減少とは比べものにならないくらい、多値化による耐久性減少は大きいです。

かつて2Dの時代、書き換え回数がSLCは10万回、MLCは1万回、TLCは千回などと言われていましたが、基本その指標は3Dになってもまったく変わっていません。

そして最新の3D NANDでのデータでは、IntelのものがTLCで576回という数字が出ています。この数字はJEDECで示された、一般向けSSDの「30℃で1年保管した場合データが消えない」という条件で出された数字だと思いますが、それでこの程度なのです。

そしてQLC NAND採用SSDの仕様やテスト結果から、現在のQLC 3D NANDの「30℃で1年保管した場合データが消えない」という条件での書き換え回数は70回前後である事が予想されている状態です。TLCの576回と比べると1/10ではなく1/8程度ですから、これは技術の進歩によりその程度で済んでいるという事なのでしょう。

そんなわけで現在の3D NANDと比較しても、QLC NANDの耐久性と信頼性は、QLCの領域から分割された超大容量のSLCキャッシュをフルに活用してTLCの半分以下です。(SLCキャッシュをTLC並みの活用度に抑えると1/8という数字がそのまま出るでしょう)

とはいえ、それでも一般的な使い方とされる場合には3年程度の耐久性は保証されていますから、安全マージンがほとんどゼロとはいえ、十分と言えば十分なのかもしれません。

by 98式軍刀 (2019-01-18 21:12) 

レスありがとうございます。
FlashのチップそのものではなくSSDという意味であれば、TLC/QLC云々よりも製品としてのスペックで判断するのが重要だと思います。同じチップを使用していてもTBWは容量に比例して大きくなりますし。
…などと書きましたが、そいう私は実はSSDを一度も導入したことがありません。25年位前から自作PCを組んでいて、しかも某メーカー製SSDの開発に携わった経験もある人間ですが、SSDに関しては耐久性への不信感とコスト高から導入を見送り続けています。HDDは10年以上使い続けますが、今のSSDならTBWから計算すると充分合格なんですけどね。まあHDDでも不自由していないというのが一番の理由ですが。
by 俺様 (2019-02-02 18:03) 

原理を知れば大丈夫ではないという結論に至りますね。危機感のない人は
データが大量に壊れてから後悔することになります。

by お名前（必須） (2019-04-05 10:33) 

お名前（必須） 様、コメントありがとうございます。

近年のSSDは、用途別の細分化が進み始めたようじ感じています。
耐久性及び信頼性重視、読み書き性能重視、ゲーム用途、一般向け、安価なローエンド製品、というような具合に。(細かく言えば他にも色々な用途別製品が出ています。)

この中でQLC NANDを使った製品は一般向けの一部とローエンド向けか、壊れていなくても一定期間で必ず交換するような用途向けの製品になると思います。

なので、自分の用途に合った製品選びが出来なければ、痛い目に遭い易い事は間違いありません。


by 98式軍刀 (2019-04-05 21:29) 

これからの安価なスマホがQLCになっても6ヶ月は持つでしょうし
そういったユーザーは買い替えも早いから気にしないでしょうね。
本当に可哀そうなのは、こういった事情をよく知らずに、
寿命がほぼ尽きた中古品を買ってしまう人たちなのですが、
メーカーはそもそもそういったユーザーを見捨てるでしょう。
勿論、売る側は不利な情報は積極的には周知しないでしょうから、
どのような意見であれ、正しい情報を広めようとされている
こういったブログの存在は非常に価値のあるものだと考えます。
by nascarlove (2019-04-11 16:04) 

nascarlove様、コメント有難うございます。
NAND Flash製品に限りませんが、開発・製造・流通・販売と、工場から消費者へ商品が渡る過程において、通常商品の本質に関わる説明は消費者に対しほとんどされません。

要は売れさえすれば他はどうでも良いのです。
客へのサービスや誠実さなどは全てそれが主体ではなく、利益を得るための虚構なわけで、そういう現実の中では、消費者は自ら学び、自らの頭で考え、本質を見極める努力をしなければ、単なる一消費単位としての行動以上の事は出来ません。

ただただ、搾取されるのか、自分にとって本当に価値のある買い物をするのか。

私の書く記事がその判断の一助になれば幸いに思います。

by 98式軍刀 (2019-04-11 20:24) 

読んで損した。
by お名前（必須） (2020-02-23 07:40) 

お名前（必須）様、コメントありがとうございます。

ですが、私よりも知識と理解の深い方がこの記事を読めば、読んで損した、と思われても仕方がありません。

当ブログは素人の素人による素人のための(無知の無知による無知のための、と言った方が正しいかも)ブログです。

ですのでどうぞ、もっと優れた記事をお探しになってください。
by 98式軍刀 (2020-02-23 21:50)