TLC/QLC（ティーエルシー/キューエルシー）

2025年10月26日

TLC/QLC（ティーエルシー/キューエルシー）

英語表記: TLC/QLC (Triple/Quad-Level Cell)

概要

TLC（Triple-Level Cell）およびQLC（Quad-Level Cell）は、SSDの主要な構成要素であるNANDフラッシュメモリにおいて、一つのメモリセルにどれだけの情報量（ビット）を格納するかを示す技術規格です。TLCは1セルあたり3ビットを、QLCは1セルあたり4ビットのデータを格納できることを意味します。この技術は、ストレージデバイス（HDD, SSD, NVMe）の中でも特にSSDの容量単価と製造コストを決定づける極めて重要な要素です。NANDフラッシュの多値化技術が進むことで、私たちはより安価で大容量のSSDを手に入れられるようになったのです。

詳細解説

NANDフラッシュと多値化の目的

TLCやQLCといった技術は、「ストレージデバイス（SSD 技術）におけるNANDフラッシュ」の進化の核心部分に位置しています。NANDフラッシュメモリは、電子を閉じ込める小さな箱（セル）の集合体で構成されています。

初期のNANDフラッシュは、1セルに1ビットのみを格納するSLC（Single-Level Cell）方式が主流でした。これは、セルに電子がある状態（1）とない状態（0）の2つの状態を識別するだけで済むため、非常に高速で信頼性も高いものでした。

しかし、SSDの普及に伴い、より大容量で低コストな製品が求められるようになりました。この要求に応えるために開発されたのが「多値化」技術です。これは、1つのセルに複数の電圧レベルを設定し、それぞれの電圧レベルに異なるビットの組み合わせを割り当てることで、1セルあたりの格納容量を増やす技術です。

TLCとQLCの仕組みとトレードオフ

多値化が進むにつれて、MLC（Multi-Level Cell：2ビット）、TLC（3ビット）、そしてQLC（4ビット）へと発展しました。

TLC (Triple-Level Cell): 1セルに3ビットを格納します。3ビットは $2^3 = 8$ 種類の状態（電圧レベル）を表現できるため、メモリコントローラは8段階の非常に精密な電圧を識別する必要があります。SLCに比べて容量は3倍になりますが、電圧レベルの識別が難しくなるため、書き込み速度が低下し、セルが耐えられる書き換え回数（耐久性）も低下します。現在、多くの一般消費者向けSSDの主流はこのTLCです。
QLC (Quad-Level Cell): 1セルに4ビットを格納します。 $2^4 = 16$ 種類の状態を識別する必要があります。TLCよりもさらに容量効率が向上しますが、16段階という微細な電圧差を正確に読み書きする必要があるため、耐久性はさらに低く、速度も遅くなる傾向があります。大容量かつコストを最優先する用途（例えば、読み出し頻度が高いデータアーカイブなど）での採用が増えています。

このTLC/QLCへの進化は、NANDフラッシュの物理的な限界に挑む技術革新そのものです。セルあたりのビット数が増えるほど、以下のトレードオフが顕著になります。

| 規格 | 1セルあたりのビット数 | 識別する電圧レベル数 | 容量効率 | コスト | 耐久性（P/Eサイクル） | 書き込み速度 |
| :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— |
| SLC | 1ビット | 2 | 低 | 高 | 非常に高 | 速 |
| MLC | 2ビット | 4 | 中 | 中 | 高 | 中 |
| TLC | 3ビット | 8 | 高 | 低 | 中低 | 中低 |
| QLC | 4ビット | 16 | 非常に高 | 非常に低 | 低 | 低 |

SSDの性能は、このNANDフラッシュの特性に大きく依存します。TLCやQLCを採用したSSDは、耐久性や速度の課題を克服するために、大容量のキャッシュ（SLCキャッシュ）を一時的に利用するなどの高度な技術（SSD 技術）を組み合わせて実用化されているのも興味深い点です。

具体例・活用シーン

TLC/QLCは、私たちが普段利用するSSDのほとんどに採用されており、その恩恵を私たちは日々受けています。

一般消費者向けPCの普及:
TLCは、数年前まで高価だった1TBや2TBといった大容量SSDを、手の届きやすい価格帯に押し下げました。これにより、HDDからSSDへの移行が一気に進みました。もしTLC技術がなければ、大容量のSSDは現在でも非常に高価だったでしょう。
データアーカイブ用途:
QLCは、頻繁な書き換えは行わないが、大量のデータを保存しておきたい外付けSSDやデータセンターのストレージとして活用されています。例えば、写真や動画のバックアップなど、一度書き込んだらあまり変更しない用途に最適です。

比喩：アパートの部屋の居住人数

TLC/QLCの概念を理解するために、「アパートの部屋（セル）」と「居住人数（ビット）」の比喩を考えてみましょう。

SLCアパート（1ビット）: 1部屋に1人だけが住んでいます。部屋の出入り（データの書き込み・読み出し）は非常にスムーズで、壁（耐久性）も頑丈です。管理も楽なので、トラブル（エラー）が少ないです。
TLCアパート（3ビット）: 1部屋に3人が住んでいます。収容人数は増えましたが、3人が快適に暮らすためには、家具の配置や生活ルール（電圧レベル）を細かく決める必要があります。少しでもルールが乱れる（電圧が変動する）と、誰が誰だか分からなくなり（データエラー）、トラブルが増えます。また、頻繁な出入りは部屋の劣化（耐久性の低下）を早めてしまいます。
QLCアパート（4ビット）: さらに無理をして1部屋に4人が住んでいます。容量効率は最高ですが、管理は非常に難しくなり、部屋の傷み（耐久性）は最も早くなります。

このように、TLCやQLCは容量を増やす魔法の技術ですが、その代償として、より繊細な管理（エラー訂正技術など）と耐久性の低下という課題を抱えているわけです。しかし、この課題をSSDのコントローラ技術やファームウェアで補うことで、実用的なストレージデバイスとして成立しているのです。

資格試験向けチェックポイント

IT系の資格試験、特にITパスポートや基本情報技術者試験では、SSDの基本技術としてNANDフラッシュの多値化に関する知識が頻出します。

トレードオフの理解が最重要:
SLC、MLC、TLC、QLCの順に、「容量効率は上がるが、耐久性（書き換え寿命）と書き込み速度は低下する」というトレードオフの関係性を正確に把握してください。この性能とコストのバランスを問う問題は非常に多いです。
- 暗記のコツ: S (Single) → M (Multi) → T (Triple) → Q (Quad) の順にビット数が増えることを確認し、ビット数が多いほど「安価で大容量だが、劣化しやすい」と覚えておきましょう。
SSDの基本構造の確認:
TLC/QLCは、SSD（Solid State Drive）を構成する「NANDフラッシュ」のセル構造に関する技術であることを、ストレージデバイス（HDD, SSD, NVMe）の文脈の中で理解しておく必要があります。HDDとは異なり、SSDの寿命はこのセル構造の耐久性に依存します。
耐久性の指標（P/Eサイクル）:
セルの耐久性は、P/Eサイクル（Program/Erase Cycle：書き込み・消去の繰り返し回数）で測られます。一般的に、SLCが数十万回であるのに対し、TLCやQLCは数千回程度まで低下します。このP/Eサイクルの概念も、試験で問われることがあります。
応用情報技術者試験レベル:
より上位の試験では、TLC/QLCの耐久性低下を補うための技術（ウェアレベリング、エラー訂正符号ECCなど）と関連付けて出題されることがあります。TLC/QLCを採用したSSDの寿命を延ばすために、どのようなSSD 技術が使われているのかという視点を持つと良いでしょう。