MLC（エムエルシー）

2025年10月13日

MLC（エムエルシー）

英語表記: MLC (Multi-Level Cell)

概要

MLC（Multi-Level Cell、多値セル）とは、NAND型フラッシュメモリにおいて、一つのメモリセルに複数のビット（通常は2ビット）の情報を格納する技術のことです。これにより、従来の技術であるSLC（Single-Level Cell、単一レベルセル）に比べて記憶密度が大幅に向上し、SSDなどの不揮発性ストレージの製造コストを下げ、大容量化を実現しました。コンピュータの構成要素であるストレージの容量単価を下げる上で、非常に重要な役割を果たしている技術だと言えます。

詳細解説

階層における位置づけと目的

MLCは、私たちが普段利用するコンピュータの構成要素の中でも、特に不揮発性メモリの分野で中心的な存在です。このメモリは、電源を切ってもデータが消えない特性を持っています。

主記憶装置（RAM、キャッシュ）は、高速ですが電源が切れるとデータが消える揮発性メモリです。これに対し、MLCが使われるSSDは、データを永続的に保持する不揮発性メモリとして機能します。MLCの最大の目的は、この不揮発性メモリの記録密度を高め、コストパフォーマンスを向上させることにあります。

MLCの動作原理

従来のSLCでは、一つのメモリセルに「電荷がある」か「電荷がない」かの2つの状態（1と0）だけを記録していました。これは1ビットの情報に対応します。

しかし、MLCでは、一つのセル内に電荷の量を精密に制御することで、4つの異なる電圧レベルを認識できるようにします。この4つのレベル（例えば、00, 01, 10, 11）に対応させることで、一つのセルで2ビットの情報を格納することが可能になります。

この多値化の実現により、同じ物理的な面積のチップ上に2倍の情報を格納できるため、SSDの製造コストが劇的に下がりました。これは、消費者にとって大容量のストレージを安価に入手できるという大きなメリットをもたらしました。

トレードオフ：速度と耐久性

MLCはコストと容量の面で優れていますが、その動作原理上、いくつかのトレードオフが存在します。

書き込み速度の低下: 4つの電圧レベルを正確に識別し、書き込むためには、SLCよりも精密な制御が必要になります。これにより、データの書き込みに時間がかかり、速度がやや遅くなります。
耐久性（寿命）の低下: メモリセルは、データの書き換え（P/Eサイクル：Program/Erase Cycle）を繰り返すうちに劣化します。MLCは電圧レベルが細かいため、ノイズやセルの劣化によるわずかな電圧の変動が、保持しているデータ（2ビット）全体のエラーにつながりやすくなります。SLCが一般的に数万回の書き換えに耐えるのに対し、初期のMLCは数千回程度と、耐久性が低くなる傾向にありました。

この耐久性の課題を克服するために、SSDコントローラー側で「ウェアレベリング」（後述）といった高度なデータ管理技術が必須となっています。MLCは、高速性よりも大容量と低コストを求める用途、特に一般消費者向けのSSDやUSBメモリなどで広く採用されています。これは、コンピュータの補助記憶装置の分野における技術革新の典型例であり、非常に興味深い進化の道筋だと言えるでしょう。

階層への再度の結びつけ

MLCは「揮発性と不揮発性メモリ」というカテゴリにおいて、不揮発性メモリの進化の方向性（高密度化と低コスト化）を示す重要な指標です。この技術の登場がなければ、現在のPCやサーバーにおけるストレージの構成要素は、今よりもずっと高価で低容量なものになっていたはずです。

具体例・活用シーン

MLCは現在、多くのパーソナルコンピュータ（PC）やノートPCに搭載されているSSDの主要な構成要素として活躍しています。

具体的な利用例

一般消費者向けSSD: コストと性能のバランスが取れているため、標準的な内蔵SSDとして広く利用されています。
産業用、業務用SSD: 高い耐久性が要求されるエンタープライズ用途では、SLCが好まれますが、書き込み頻度が比較的低いデータセンターのバックアップ用途などでは、容量単価の低いMLCが採用されることもあります。

アナロジー：図書館の棚

MLCがどのような技術的なメリットとデメリットを持つのかを理解するために、図書館の棚を想像してみましょう。これは、コンピュータの構成要素としての記憶密度を考える上で非常に分かりやすい比喩です。

SLC（単一レベルセル）の場合:
SLCは、棚の「一区画」に本を「一冊」だけ置くイメージです。本がある（1）か、ない（0）か、判断は非常に簡単です。出し入れも早く、棚が多少揺れても本が落ちる心配はほとんどありません。非常に信頼性が高い状態です。
MLC（多値セル）の場合:
MLCは、棚の「一区画」に本を「四冊」（00, 01, 10, 11に対応）重ねて置くイメージです。
- メリット: 同じ棚のスペースで4倍の情報（本）を格納できます。これが「高密度化」と「低コスト化」を実現する理由です。
- デメリット: 四冊重ねてあるため、どの本がどのデータに対応しているかを読み取るためには、非常に慎重に、そして精密にチェックしなければなりません。読み書きの動作が遅くなる要因です。また、地震（ノイズや劣化）が起きて棚が少しでも揺れると、本が崩れてデータが壊れやすくなります。これが「耐久性の低下」につながります。

このように、MLCは限られたスペースに多くの情報を詰め込む「収納術」のようなものであり、その代償としてデータの読み書きの難易度が上がり、信頼性を保つための工夫（ウェアレベリングなど）が必要になる、と考えると、この技術の特性が非常によく理解できるのではないでしょうか。

資格試験向けチェックポイント

MLCは、ITパスポート、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験のいずれにおいても、「コンピュータの構成要素」および「揮発性・不揮発性メモリ」の分野で頻出するテーマです。特に、フラッシュメモリの種類と特性に関する出題が中心となります。

必須知識としての比較項目

試験では、メモリの種類（SLC, MLC, TLC, QLC）を比較させる問題が最も多く出題されます。以下のトレードオフの関係を完全に把握しておくことが重要です。

| 項目 | SLC (1ビット/セル) | MLC (2ビット/セル) | TLC (3ビット/セル) | QLC (4ビット/セル) |
| :— | :— | :— | :— | :— |
| 記録密度 | 低 | 中 | 高 | 最高 |
| コスト | 高 | 中 | 低 | 最低 |
| 書き込み速度 | 最速 | 中 | 遅い | 最も遅い |
| 耐久性 (P/Eサイクル) | 最も高い | 中 | 低い | 最も低い |

試験対策のポイント:

定義の明確化: MLCが「Multi-Level Cell」であり、1セルあたり2ビットを格納する技術であることを正確に覚えてください。
不揮発性メモリとしての位置づけ: DRAM（揮発性）やSRAM（キャッシュ）ではなく、MLCはNANDフラッシュメモリであり、SSDなどに使われる不揮発性メモリであることを理解しましょう。
トレードオフの理解: 「記録密度を上げると、コストは下がるが、速度と耐久性は下がる」という基本原則を問う問題が頻出します。
ウェアレベリングとの関連: MLCのような耐久性の低いメモリを実用化するために、コントローラーが行う「書き込みを均等にする技術」（ウェアレベリング）がセットで問われることがあります。

応用情報技術者試験での出題パターン

応用情報技術者試験では、MLCの登場がSSDの性能や信頼性にどのような影響を与えたか、具体的なシステムの設計や選定の文脈で問われることがあります。「高いIOPS（I/O per second）が求められるシステムでは、MLCよりもSLCの利用が適切である」といった、用途に応じた選択肢の正誤を判断させる問題に注意が必要です。