高速ランダムアクセスを可能にする新規多値コーディングとアーキテクチャ

2024年9月10日

近年、多値フラッシュ・メモリ技術の進歩により、その応用が広まり、より高い性能の要求が高まっています。この要求に対応するため、ワード線やビット線を分割するなどの技術が採用されてきました。しかし、このようなアレイ分割アプローチは、チップサイズの増大につながります。さらに、従来の多値フラッシュ・メモリは本質的に、SLC（1ビット／セル）よりも多くの読出しサイクルを必要とします。

図1は、SLCとMLC（2ビット／セル）の閾値（Vth）分布と、読出し動作でのワード線波形を示しています。

図1 多値閾値（Vth）分布と従来の読出し動作でのワード線波形^[1]©2024 IEEE

SLCは2つのレベルを区別するために1つの読出しレベルを必要とするが、MLCはUpper-Page^*1に1レベルの読出しレベル、Lower-Pageに2レベルが必要なため、平均読出しサイクルは1.5(=(1+2)/2)回となります。さらに、TLC（3ビット／セル）の平均読出しサイクルは2.33(=(2+2+3)/3)回、QLC（4ビット／セル）の平均読出しサイクルは3.75(=(3+4+4+4)/4)回となり、多値化が進むとレベル数が増加し、読出しサイクル数が増え、tRが増大します（図2）。この本質的な課題を軽減するために、本研究では、複数レベルのデータを複数のメモリセルに共用して記憶することで、読出しサイクル数を削減することを提案します^[1]。

*1 Pageとは1回の動作で読出されたり書込まれたりするデータ数を表します。通常16kbyte（16k x 8bit）が1pageとなります。MLCでは、2bit/cellの1bitをLowerPage、他の1bitをUpperPageとして扱います。

新規多値コーディングを採用したMLCは、3つのメモリセルを組合せ、この3セルで6ビットのデータを記憶します（図3）。平均読出しサイクルは、従来の1.5回から1(=(1+1+1+1+1+1)/6)回と、SLCと同じ回数に削減し、ランダムアクセスをSLCと同等にします。

新規多値コーディングを採用したTLCは、2つのメモリセルをペアとし、この2セルで6ビットのデータを記憶します(図4)。平均読出しサイクルは、従来の2.33回から1.67(=(1+1+2+2+2+2)/6)回と28.6％削減し、高速ランダムアクセスとすることが可能です。また、これらの新規多値コーディングは、新しいプロセスや材料の導入なしでセル記憶密度も変えずに、高速化を図ることができます。