大容量 HDD とフラッシュメモリ

なんでも“1”と“0”に置き換えるデジタル技術
字を書いたり絵を描いたりする紙のノートには、音楽は録音できないよね。録音ができるカセットテープには、字を書いたり絵を描いたりできない。でも、コンピュータには、文字も写真も音楽も、いろいろなデータを入力して保存したり、印刷したり、メールで送ったりできる。これっていったいどうしてなんだろう。

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コンピュータがあつかえるのは“1”と“0”だけ

データのオンとオフ

私たちが使っているコンピュータは原理的に、データのスオン／ 1イッチがオンの状態 １” になっているのか、それともオフの状態 ０” になっているのかということしか判断できません。
それなのに、コンピュータが文字や画像や音楽など、さまざまな種類のデータをあつかえるのは、コンピュータの内部

電流

では、全てのデータを 1” と 0” とを組み合わせた「デジタルオフ／ 0データ」に置き換えているからです。
このような、 １” と ０” のいずれかの状態になれるデジタルデータをビットと呼んでいます。

電流

またビットを 8 個まとめたものをバイトと呼びます。つまりコンピュータは、電流が流れているかいないかで、“ １” と “ ０” を判断しています。

8 ビット＝1 バイトになります。

数字や文字をデジタルデータに置き換える
ビットが１つしかなければ、あつかえるデータは１とビットの状態と数字の対応
10 進数
0123456789101112131415コラム00000000111111110000111100001111ビット00110011001100110101010101010101

2 進数
0110111001011101111000
1001
1010
1011
110011011110
1111

０の 2 つだけになります。けれども複数のビットを用意することで、あつかえるデータを増やすことができます。例えばビットを４つ使えば、16 種類の状態が表せるので、それぞれに数字を割り当てれば、0 から15 までの数があつかえるようになります。同じようにビットを８個使えば 0 から 255 までの数を、16 個使えば 6 万 5,535 までの数を表すことができます。そ8 ビットあればアルファベット（大文字と小文字）とカタカナ、数字、記号を、16 ビットあれば日本でよく使われる漢字まで一通り割り当てることができます。

アナログとデジタル

文字盤と針で時間を示すアナログ時計は、12 時00 分 00 秒から12 時 00 分 01 秒に切り替わる間も針が動き続けています。これに対して数字で時間を示
すデジタル時計は、数字切り替わる間の時間が表示されることはありません。
このように、時間や空間などの連続して変化する

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データをアナログデータ、とびとびに変化するデータをデジタルデータと呼びます。

して、それぞれの組み合わせに漢字やひらがななどを対応させることで、コンピュータは文字や数字をあつかえるようになります。
このときビットの状態は、私たちが普段使っている数（これを 10 進数といいます）が 10 になると1 桁繰り上がるように、あるビットが２になると、1 桁くりLet’s Research
アナログデータとデジタルデータの利点と欠点を調べてみよう。

上がっています。このような数を 2 進数と呼んでいます。

写真や音楽も 2 進数にして記憶する
コンピュータの内部では、アナログデータである写真や音楽などのデータも 2 進数のデジタルデータに置き換えています。
例えば、音は空気の振動なので、波の強さ（振れ幅）を振動数（周画像をデジタルデータにする波数）ごとに区切って 2 進数に置き換えることで、1と 0 の組み合わせとして表現できます。写真も同じように、画像を細かく区切って、画面上の位置（座標）や色などを 1と 0 の組み合わせに置き換えることができます。
このとき、データの区切りを細かくすればするほど、音声や画像の細かい部分まで表現できるようになりますが、それだけ必要なデータの量も大きくなります。

音声をデジタルデータにする55磁気でデータを記録する HDD のしくみ
コンピュータはデータを保存するため、多くの場合ハードディスクドライブ（HDD）を使っています。HDD の内部には回転する金属（磁石）の円盤（ディスク）が入っていて、表面には磁性体と呼ばれる磁化しやすい物資が薄い層になっています。ここにデータを書き込んだり読み出したりするときは、磁気ヘッドと呼ぶ電磁石を使います。
データを書き込むときは、コイルに電流を流します。すると磁界が発生してディスクの表面が磁化されて、磁石のような性質を持ちます。磁石に流れる電流の向きを反対に切り替えると、磁化される極性の向きも反転します。HDD は、この性質に “1” と “0” を対応させて、ディスク上にデータを書き込んでいます。
データを読み出すときは逆に、磁化されたハードディスクの構造とデータの書き込みと読み出しのしくみ

ディスクの磁界によって磁気ディスク磁気ヘッドの電磁石に発生する電流を利用します。この電流の向きは磁界の極性によって反転するので、電磁石に流れる電流からディス ク上 の “1” と “0” の磁気ヘッドデータを読み出すことができます。

HDD は超・精密加工技術でできている大量のデータを効率よく記録するために、HDD のディスクは円周状のトラックに細かく区切られています。ディスクの半径はわずか 3 ～ 4.5cm 程度ですが、そこに数万本ものトラックが並びます。最近の HDD では、1 本あたりのトラックの幅は 1/10,000mm 以下にまで細かくトラックとヘッドなっています。

トラック
幅1/10,000mm

また磁石が金属に近づけば近づくほど磁界は強くなるため、HDD の磁気ヘッドとディスクの間隔はわずか数 nm（ナノメートル、1nm は 1/1,000,000mm）しかありません。

浮き上がる

これは、例えばジャンボジェット機が地上約数 mm を時速数百 km で飛行しているよう空気の流れな状態に相当します。ディスクが回転すると磁気ヘッド表面に空気の流れができるので、ヘッドはわ回転方向ディスクずかに浮き上がっています。
毎分数千回転のスピードで回転するディス56

ク上の指定されたトラックにあるデータを読み出すため、HDD の磁気ヘッドは非常に精密なコントロールが必要になります。

Let’s Research
磁 石を近 づけると金属が磁化するしくみを調べてみよう。

HDD の記憶容量を増やした巨大磁気抵抗効果
幸区に研究開発センターを持つ東芝は 1998 年、HDD に記憶できるデータを大きく増やす技術を開発しました。この技術は、コバルトや鉄などと銅を交互に重ねた厚さ 1/100,000mm 程度と非常に薄い膜の電気抵抗（電流の流れやすさ）が、磁界により大きく変化することを利用して、ディスクに記録した情報を電気的な信号に変換しています。この現象は巨大磁気抵抗効果（GMR）と呼ばれていて、1998 年に東芝が世界に先駆けて HDD に応用しました。GMR 技術によって HDD の容量が爆発的に増大して、パソコン以外にも DVD レコーダーや携帯音楽プレーヤーなど、世の中の多くの製品に使われるようになりました。
GMR の発見者（ドイツ、フランス）は、2007 年にノーベル物理学賞を受賞しています。

さらなる大容量化を目指して音楽や動画をあつかうようになって、データの量は大きく増えました。けれども HDD はむしろ、ノートパソコンなどへ収めるため小型化する傾向にあります。
限られた大きさの中で、HDD に記憶できるデータ量を増やすには、磁気の密度を上げる必要があります。そのためには、磁化される領域を小さくしなければなりませんが、これには限界があります。

面内記録方式と垂直磁気記録方式（従来のもの）ディスクの表面を磁化させることは、S 極と N 極を持つ磁石を並べて置くようなもので、記録するデータによっては N 極同士、S 極同士が並ぶことがあります。このとき、同じ極同士は反発しますが、ディスク上では離れることができません。そのため時間の経過にしたがって磁気が弱まってしまうのです。
磁化する領域が小さくなればなるほど、この現象によって記録したデータが不安定になってしまいます。

（東芝が開発したもの）

この問題を解決するために、東芝が開発した技術が垂直磁化方式です。従来は、ディスクの表面に水平に加えていた磁界を垂直に加えることで、垂直方向に磁化します。この技術により狭い領域でも磁力が安定するようになり、同じ面積に従来の２倍以上のデータが記録できるようになりました。また、垂直磁化方式には、隣り合う極同士が磁性を強めあうように作用する利点もあります。

※矢印は磁界の向き

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図1：NAND型フラッシュメモリの構造

図3：多値化技

2値 (制御ゲート

Let’s Research“電子”を使ってデータを記録するフラッシュメモリ
電子絶縁膜

フラッシュメモリにはNAND 型と NOR 型がありますが、どのように違うのか調べてみよう。

トンネル

浮遊ゲート

酸化膜
音楽や写真、動画データの記録には、HDDだけでなくフラッシュメモリも使われています。特に携帯電話やデジタルカメラなど持ち歩く機器で使うメモリ
シリコン基板
カードには、フラッシュメモリが入っています。実は、このフラッシュメモリをNAND 型メモリセル発明したのも東芝なのです。

フラッシュメモリは、非常に小さく作り込まれた電子回路で、電圧をかけるとワード線回路の中にある小さな箱に電子が流れ込んでたまり、電流を止めても電子がそとどこに留まる性質を利用しています。その箱に電子があるかないかは、周囲の回ビット線路の電流の流れ具合で知ることができ、これを１ビットのデータの記録に利用しています。電子は非常に小さいため、切手や指の爪ぐらいの大きさの 64GB フ
ラッシュメモリには、CD 80 枚分ものデータを記録できます。
１辺が１cm もない小指の爪ほどの大きさのメモリカードが野球場だとすると、メモリチップの内部１ビットを記憶する回路のサイズは、シャープペンシルの芯の太さ程度になりま

図1：NAND型フラッシュメモリの構造 す。それをびっしりと数十億個敷き詰めるほど精密な回路が、フラッシュメモリ
図3：多値化技術
図4：微細化技の中に作られているのです。
2値 (1bit/Cell)

制御ゲート
トンネル
酸化膜

電子

絶縁膜
浮遊ゲート

多値 (2bits/Cell)

図2：NAND型フラッシュメモリの動作
電圧量
電圧量（書き込みと消去）
電子が 沢山ある 状態をフラッシュメモリのしくみ 「浮遊ゲート」に電子がシリコン基板

セルデータ 0.1

ある 状態をと定義する

セルデータ 0電子が もっとある
消去動作
状態を書込み動作と定義する

NAND 型メモリセル

高電圧

ワード線

0「浮遊ゲート」に電子が ない 状態をビット線

約1

セルデータ 0.0

NAND型
フラッシュ
電子が 少しある 状態をメモリのチップ
セルデータ 1.0と定義する

セルデータ 1

最と定義すると定義する
電子がない 状態をセルデータ 1.1と定義する

メモリチップの内部

0
図4：微細化技術

高電圧

図2：NAND型フラッシュメモリの動作（書き込みと消去）

ドーム型球場
約10mm角

書込み動作
高電圧

0

NAND型
フラッシュ
メモリのチップ

両翼100ｍ1万倍に引き伸ばすと消去動作

100m
最小配線幅1万倍に引き伸ばすと0高電圧

ほぼ野球のフィールドサイズと同等

32nm

0.3mmのシャープペンシルの芯よりちょっと太い

小さくて軽いフラッシュメモリの特長
HDD のように、ディスクを回転させたりヘッドを動かしたりする必要のないフラッシュメモリは、小さく軽く作ることができます。また、動く部品がないため衝撃を受けても壊れにくい利点があります。このため、携帯電話などの小さな

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32n

機器で多く採用され、大量のデータがあつかえるようになりました。HDD のように利用できるフラッシュメモリを使ったソリッドステートドライブ（SSD）も開発されていますが、現在はやや値段が高めなので、大量のデータを保存するサーバーや家庭用パソコンでは、まだまだ HDD が使われています。
フラッシュメモリを使った機器のいろいろ

サーバー

薄型デジタルテレビ

カーナビシステム

携帯電話
デスクトップPC

セットトップボックスス

ノートパソコン OA機器

SSD

デジタルビデオカメラ
BDレコーダーインタビュー

最先端の技術をいち早く市場に株式会社 東芝
研究開発センター
記憶材料・デバイスラボラトリー
参事
岩崎 仁志さん株式会社 東芝研究開発センター
LSI 基盤技術ラボラトリー
主任研究員
村岡 浩一さん

巨 大 磁 気 抵 抗 効 果 を 実 用 化 に 結 び つ け た 結 果、

子供の頃から研究者を目指していました。大学で研HDD の 容 量 が 爆 発 的 に 増 大して、 パ ソコン以 外 に究していた原子力関係は、十数年もかかって実用化すも DVD レコーダーや携帯音楽プレーヤー等、世の中るのに対し、コンピュータ関係だと、研究開発の数年の多くの製品に使われるようになったことは、感 慨深

後には製品になるという驚くほどのスピードで進みまいものがあります。理論や 基 礎 研究が 実 際 の 製 品商す。それだけに、大変ですがやりがいのある仕事だと品にこれほど速く応用されることは珍しく、それだけ言えます。特に、何かを小さく作り込む技術は、職人

HDD の大容量化は、最先端研究を市場に活かせる分技のようなものなので、若い人たちにも伝えていきた野と言えるでしょう。

いですね。

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株式会社東芝 研究開発センター
場所：〒 212-8582 川崎市幸区小向東芝町 1

http://www.toshiba.co.jp/rdc/index_j.htm
問い合わせ先： (044)549-2056

東芝科学館

http://kagakukan.toshiba.co.jp/
場所：〒 212-8582
川崎市幸区小向東芝町 1 番地
TEL.044-549-2200
開館時間 9:00-16:45
休館日：日曜日・祝日・特定休日

More Information
カンガエル先生の日立おもしろ科学教室（日立製作所）

http://www.hitachi.co.jp/inspire/kaeru/harddisk/index.html
HDD のしくみや特長を楽しみながら勉強できます。
世界初の NAND 型フラッシュメモリ（東芝科学館）

http://kagakukan.toshiba.co.jp/manabu/history/1goki/1991
memory/index_j.html
東芝が開発した世界初のフラッシュメモリの紹介。
てくのろじぃ解体新書フラッシュメモリ（東芝）

http://www.toshiba.co.jp/about/ir/jp/private/tec_book/html/
tec201008.htm
てくのろじぃ解体新書 SSD（東芝）

http://www.toshiba.co.jp/about/ir/jp/private/tec_book/html/
tec200907.htm
フラッシュメモリと、フラッシュメモリを使った記憶装置 SSD について調べてみよう。

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