ソリッド ステート ドライブの説明:利点、欠点、および HDD を置き換える理由

ソリッド ステート ドライブ (SSD) は、オペレーティング システムやアプリに使用されるコンピューター ストレージとして急速に普及しつつあります。これらは、最新のラップトップ、携帯電話、タブレット、さらにはゲーム機にも搭載されています。

優れたパフォーマンスと耐久性を備えたこれらのドライブは大きな注目を集めていますが、SSD とは一体何でしょうか?

従来のハードディスク ドライブ (HDD) の仕組み

SSD の違いを理解するには、時計を少し戻して、従来のハードディスク ドライブ (HDD) を見てみる必要があります。 HDD は、最近までほぼすべてのコンピュータに搭載されている標準タイプのドライブでした。

HDD 内には、「プラッター」と呼ばれる 1 つまたは複数の回転ディスクがあります。各プラッターはトラックとセクターに分割されています。プラッターは通常、アルミニウムまたはガラスで作られ、磁性材料でコーティングされています。

プラッターの表面には、それぞれが 1 ビットのデータを表す何十億もの個別の領域が含まれています。この領域は磁化または消磁でき、1 または 0 を表します。

回転するプラッターが毎分数千回転で動くと、スイング アームに取り付けられた小さな読み取り/書き込みヘッドがプラッターの上に髪の毛の間ほど浮かんで、ドライブからの読み取りやドライブへの書き込みを行います。

ハードディスク ドライブは、小さく、精密で、壊れやすい可動部品が多数ある、非常に複雑なデバイスです。彼らが今と同じようにうまく機能することは現代の驚異です。

ソリッド ステート ドライブ (SSD) の仕組み

SSD は、ハードディスク ドライブよりも CPU や RAM などの半導体デバイスと多くの共通点があります。 SSD と HDD は両方ともストレージ デバイスとして機能しますが、SSD はまったく異なる方法で動作します。

一般的な SSD の内部には、コンピューター チップのみが含まれています。 SSD には、データの保存方法と保存場所を管理するコントローラ チップがありますが、SSD の大部分はフラッシュ メモリ チップで構成されています。

フラッシュメモリは「不揮発性」メモリです。 RAM などの揮発性メモリは、電源を切ると保持されず、そこに保存されているデータは消えます。対照的に、不揮発性メモリ (SSD や USB ドライブなど) では、電源がオフになってもデータは保持されます。これが、USB サム ドライブが「フラッシュ ドライブ」とも呼ばれる理由です。

最新の SSD (およびほとんどの USB フラッシュ ドライブやメモリ カード) は、NAND フラッシュ メモリと呼ばれるタイプのフラッシュ メモリを使用します。これは、マイクロチップ内で作成できる論理ゲートのタイプの 1 つにちなんで名付けられました。 NAND メモリ内には、異なる電荷レベルを保持できる「セル」があります。メモリセルの電荷レベルを測定することで、それが 1 を表しているのか 0 を表しているのかを知ることができます。セルの内容を変更するには、セル内の電荷レベルを変更するだけです。

NAND メモリの世界には、テクノロジーにさまざまなバリエーションがあります。たとえば、Samsung SSD に「V-NAND」または「垂直」NAND というラベルが付いているものを見たことがあるかもしれません。ここではメモリセルが垂直に積層されているため、同じシリコンフットプリントでより多くの記憶容量が可能になります。 Intel の 3D NAND もほぼ同じテクノロジーです。

SSD とインターフェイスの種類

SSD にはさまざまなフォーム ファクターと NAND フラッシュ メモリ タイプがあります。これにより、SSD の最大パフォーマンスと価格が決まります。

フラッシュ メモリの種類

すべての NAND フラッシュは、データ密度とパフォーマンスが同じではありません。上記の説明から、SSD はデータをメモリ セル内の電荷として保存することを思い出したでしょう。

セルが 1 ビットのデータのみを保存する場合、それは SLC またはシングルレベル セル メモリと呼ばれます。 。 MLC (マルチレベル セル) メモリと TLC (トリプル レベル セル) メモリは、セルごとにそれぞれ 2 ビットと 3 ビットのデータを保存します。 QLC (クアッドレベル セル) メモリでは、セルあたり 4 ビットになります。

1 つのセルに保存できるデータのビット数が多いほど、SSD の価格が安くなり、同じスペースにより多くのデータを詰め込むことができます。これは素晴らしいアイデアのように聞こえますが、SSD の動作原理により、マルチビット ストレージ方式を使用するとドライブの寿命が早くなります。 SLC メモリは、NAND の中で最もパフォーマンスが高く、耐久性が高く、寿命が長いタイプです。ただし、これはこれまでで最も高価でもあり、ハイエンド ドライブにのみ搭載されています。

そのため、ほとんどの民生用 SSD は MLC または TLC を使用し、耐用年数を可能な限り延ばすために特別な方法を採用しています。 SSD の摩耗の問題については、この記事の少し後の方で、テクノロジーの欠点として取り上げます。

SSD フォームファクタ

SSD にはさまざまなフォームファクタがあります。 「フォームファクター」とは、単にデバイスの物理的形状と、デバイスが準拠する接続規格のことです。 SSD は当初、HDD を置き換えるために設計されたため、消費者デスクトップ向けの最初のデバイスは、以前はハード ドライブがあった場所に差し込むことを目的としていました。

ここで、2.5 インチ SATA SSD 設計が登場します。現在の 2.5 インチ ラップトップのハード ドライブを取り出して、これらの SSD の 1 つを接続するだけです。

このケース内の SSD にはそこまでのスペースは必要ありませんが、ラップトップやほとんどの最新のデスクトップにはすでに 2.5 インチのドライブ ベイと SATA コネクタがマザーボードに搭載されているため、これは非常に理にかなっています。 2.5 インチ ドライブをデスクトップの 3.5 インチ ベイに設置できるアダプタを購入することもできます。

不必要なスペースを占有することは別として、これらの 2.5 インチ ドライブは 600 MB/秒に制限されていました。これは、SATA 3 インターフェイスの制限であるためです。

mSATA (mini-SATA) 規格はスペースの問題を解決します。 mSATA は、形状、サイズ、コネクタが PCI Express Mini カード規格と物理的に同じでしたが、2 種類のカードには電気的に互換性がありません。

mSATA 規格は現在、M.2 規格に置き換えられています。 M.2 SSD は、カードとマザーボードの組み合わせに応じて、SATA または PCIe になります。

M.2 カードは、両面にコンポーネントを備えた両面カードにすることもでき、長さはさまざまです。コンピューターのマザーボードが、使用する M.2 SSD と互換性があることを確認することが常に重要です。

NVMe SSD は、Non-Volatile Memory Express 標準を使用します。これは、コンピュータがグラフィックス カードによく使用される PCIe を使用して SSD メモリにアクセスできる方法です。 PCIe は SATA よりもはるかに広い帯域幅を備えているため、高速 SSD メモリの潜在能力を最大限に発揮できます。

SSD の利点

SSD が急速にストレージ テクノロジの標準になりつつある理由はたくさんあります。初期のいくつかのトラブルにより、しばらくの間、主流のコンピューターの世界から遠ざけられましたが、今では誰にでもお勧めできる段階に達しています。最新のビデオゲーム機でも SSD が使用されています。 SSD を現在の人気に導いた主な長所は次のとおりです。

SSD は高速です

世界最速のメカニカル ハード ドライブである Seagate Mach.2 Exos 2X14 は、524 MB/秒の持続転送速度に達します。これは SATA 3 SSD とほぼ同じ速度ですが、最近のコンピュータに搭載されている一般的な機械式ドライブは、市場のハイエンドの場合、100 MB/秒から 250 MB/秒の間の速度を達成できます。

ミッドレンジのラップトップに搭載されているような一般的な M.2 PCIe SSD は、2.5 ～ 3.5 GB/秒を提供します。最新の M.2 PCIe SSD は 8 GB/秒に近づいており、これは気が遠くなるようなデータ量です。シーケンシャル書き込み速度は通常、読み取り速度よりも少し遅くなりますが、データは両方向に非常に速い速度で送信されます。

転送速度だけではありません。機械式ハードドライブでは、プラッターを回転させ、ドライブヘッドを所定の位置に移動するのに時間がかかります。データ要求に対してプラッタ上で適切な場所を見つけることは、「シーク時間」として知られています。 SSD の場合、その待ち時間の数値は事実上ゼロです。

SSD は、メモリ セル内の任意の場所からデータを瞬時に読み取り、それを並行して実行することもできます。どのようにスライスしても、SSD は最高の機械式ハード ドライブとは異なるパフォーマンスの領域にあります。

コンピューターの HDD を SSD にアップグレードすると、起動時間が大幅に短縮され、システムの応答性が非常に速くなります。それは単純に、CPU がストレージ ドライブからのデータを待つ必要がないからです。これは、古い Windows システムに新しい命を吹き込む素晴らしい方法です。

SSD は耐久性があります

SSD の耐久性は、可動部品のない CPU や RAM などの他のソリッドステート コンポーネントとほぼ同じです。電力サージによって破壊されない限り、それらは無期限に、または少なくともコンピュータが役に立ち続ける限り動作し続けるはずです。また、フラッシュ メモリは、落下すると、特にプラッタの回転中に簡単に破壊されてしまうハードドライブとは異なり、衝撃による損傷に対して非常に耐性があります。

この耐久性により、ノートパソコンに最適です。Apple MacBook Air、iMac、その他の Mac コンピュータ ファミリなどのウルトラブックには、高性能の統合 SSD が搭載されているのはこのためです。

この場合の「耐久性」とは、SSD の磨耗現象を指すものではありません。これについては、以下の欠点のリストで説明します。

SSD は断片化の影響を受けません

HDD ではデータの断片化が大きな問題となります。これは、ドライブ上の最初の利用可能な領域に新しいデータが書き込まれるときに発生します。そのため、特定のファイルまたは一連の関連ファイルのデータがドライブの物理プラッタ領域全体に分散している可能性があります。

これにより、シーケンシャル読み取り速度が低下し、ファイルのすべての部分を検索するためにドライブ ヘッドがあちこちを飛び回るため、シーク時間が膨大になります。 SSD はその性質上、断片化の影響を受けません。ファイルが断片化していないわけではありません。可動部分やシーク時間がないので、それは問題ではありません。

デフラグはドライブに不必要な磨耗を与えるだけです。 SSD の断片化についてもう少し詳しく知りたい場合は、「SSD をデフラグする必要がありますか?」をお読みください。

SSD は静かです

ハードディスクの音がうるさい！モーターのハム音、ディスクのヒューという音、ドライブ ヘッドが前後に動くカチカチ音 - それは何十年にもわたって、コンピューター ユーザーにとってのバックグラウンド ノイズでした。

対照的に、SSD はまったく騒音を出しません。これは些細な利点のように思えるかもしれませんが、ノイズの多いコンピューター コンポーネントは迷惑です。音声録音に使用されるコンピューターなど、一部の使用例では、音声レベルが重要です。 HDD のノイズを抑えるために、特殊な取り付けや設計が施された高価なハード ドライブがありましたが、SSD ではその問題は完全に解決されます。

これが、ファンや機械式ハードドライブのない Apple M1 MacBook Air のようなコンピューターを使用できる理由です。コンピュータ全体がソリッドステートであるため、騒音はまったく発生しません。

SSD は小型で電力効率が高い

SSD は HDD よりも占有するスペースがはるかに少なく、動作に必要な電力もはるかに少なくなります。つまり、高速な不揮発性ストレージ ドライブを必要とする、より小型で薄型のコンピュータ、タブレット、スマートフォン、その他の電子デバイスを使用できるようになります。

SSD は、使用していないときはほぼ完全にスリープ状態になることができ、HDD とは異なり、ほぼ瞬時に高パフォーマンス モードに切り替えることができます。全体として、SSD の消費電力は、モバイル コンピュータやそれを使用するその他のガジェットのバッテリ寿命を延ばすために特に重要です。電気機械デバイスは、動作するためにソリッドステート デバイスよりも多くのエネルギーを必要とします。

SSD によりインストール サイズを縮小できる

SSD を使用すると、一部のアプリケーション、特にビデオ ゲームのインストール サイズを削減できます。アプリケーションがメモリへの急速なデータ ストリーミングに依存している場合、開発者は HDD プラッタ上の複数の場所に情報を複製する可能性があります。これにより、ドライブ ヘッドが常に必要なデータのコピーの近くに位置するため、シーク時間が短縮されます。これは賢いトリックですが、ストレージ スペースが犠牲になります。

SSD 用に設計されたアプリケーションでは、これを行う必要はまったくありません。 SSD には実質的に遅延がなく、ドライブ上のどこからでもすぐにデータを読み取ることができるため、データのコピーは 1 つだけ存在する必要があります。

PlayStation 5 などのコンソールは、特に圧縮と組み合わせることで、SSD がインストール サイズをどれだけ縮小できるかをすでに示しており、これが次の利点をもたらします。

SSD は高速化可能

SSD がすでに十分に高速であると考えている場合は、これらのドライブを高速化して、真の高速パフォーマンス数値を得ることができます。それはすべて圧縮テクノロジーのおかげです。データは高度に圧縮された形式で SSD に保存されます。情報が要求されると、リアルタイムで解凍され、SSD の生データ転送速度が効果的に増幅されます。

唯一の問題は、圧縮を解除するには強力なプロセッサが必要であるということですが、現在 SSD にはそのようなプロセッサが搭載されていません。 GPU はこの種の作業を行うのに優れていることが判明したため、Microsoft の DirectStorage や Nvidia の RTX IO などのソフトウェア API (アプリケーション プログラマー インターフェイス) を使用することで、最近の世代の GPU は 3D グラフィックスだけでなく SSD のパフォーマンスも高速化できます。

SSD の欠点

SSD には多くの望ましい特性がありますが、テクノロジーは完璧ではありません。 SSD の所有には、私たちが望むほど快適ではない側面もあります。

SSD は高価です

HDD は価格が大幅に下がり、保存できるデータ量が非常に高い密度まで増加しました。その結果、ギガバイトの HDD データのコストは、最も安価な NAND フラッシュよりもはるかに安くなります。

SSD の価格はここ数年で急激に下落しましたが、一般的には依然として 256 GB ～ 512 GB の比較的小型の SSD を使用しています。 SSD はアプリケーションとオペレーティング システム用に予約されていますが、HDD には SSD の速度の恩恵を受けないメディア ファイルやアプリケーション用の大容量ストレージがまだあります。

良いニュースは、他のすべての半導体技術と同様に、トランジスタの密度と製造プロセスが指数関数的な傾向を示し、コストの削減と大幅なスペースの増加につながる可能性が高いということです。現時点では、ほとんどの予算では SSD と HDD ストレージの組み合わせが必要です。

SSD は摩耗する可能性があります

SSD は耐久性が高く、HDD よりも耐久性が高く、動作寿命も長い一方で、摩耗が発生します。 SSD のメモリ セルへの書き込みは破壊的であるため、SSD の磨耗が発生します。 SSD メモリ セルにビットが書き込まれるたびに、電荷を保持する能力が少しだけ失われます。

セルへの書き込みを繰り返すと、時間の経過とともにセルが動作しなくなります。 SLC SSD は、特定のセルをフライングする前に最も頻繁に繰り返される書き込みを処理できますが、MLC、TLC、QLC セルの順に脆弱性が高くなります。初期のコンシューマ向け SSD は、驚くほどすぐに寿命を迎える可能性がありますが、今日のドライブには、SSD の書き込み耐久性を延長するためのウェアレベリングやオーバープロビジョニングなどの戦略が採用されています。

SSD の摩耗は複雑なトピックであるため、詳細な説明については、「SSD の摩耗と損傷について知っておくべきことすべて」を参照してください。

SSD では急速なビットロットが発生する可能性があります

あらゆる形式のデータ ストレージは最終的にはビット腐敗に陥ります。 これは、ストレージ メディアが劣化しすぎて、データを読み取り可能な形式で保持できなくなった場合に発生します。

さまざまなメディアがさまざまな理由でビット腐敗しますが、ハードドライブはビット腐敗が問題になることなく数十年間保存できます。一方、SSD は、わずか数年間保管しただけでデータが失われる可能性があります。これは、各メモリセルに電荷を保持する絶縁層の劣化によって起こります。量が漏れた場合、セルは空であり、データは含まれていません。

SSD を高温すぎる環境に保管すると、ビットの腐敗がより早く起こるようですが、いずれにせよ、引き出しのどこかにデータを保存するのにはおそらく最適な選択ではありません。

SSD データ復元は不可能に近い

機械式ハードドライブからデータを回復する技術を中心に構築された洗練された業界があります。十分なお金があれば、専門家が文字通り断片からドライブを再構築するため、粉々になったドライブからデータを復元することもできます。

より日常的なレベルでは、Windows または別のオペレーティング システムで HDD を削除しても物理データは削除されないため、誤って削除したデータを復元できます。代わりに、ドライブのその領域は単に上書きされるようにマークされます。上書きがまだ行われていない限り、特別なソフトウェアを使用して復元できます。

SSD では、ドライブが損傷したり、ファイルが削除されたりした場合、何も復元することはほとんど不可能になります。 HDD が電気サージによって損傷した場合でも、新しいドライブ電子機器を使用して再構築することはできますが、SSD は完全に電気的であるため、すべてのメモリが故障する可能性があります。

また、SSD が未知の物理データ オペレーティング システムで多くのことを実行する高度なコントローラーを備えていることも役に立ちません。たとえば、SATA SSD で使用される TRIM コマンドは、削除対象としてマークされたメモリ セルをプリエンプティブに削除して、新しいデータの書き込みプロセスを高速化します。したがって、削除取り消しのトリックはそれらには機能しません!

SSD は完璧ではありませんが、ストレージ ドライブのパフォーマンスが飛躍的に向上したため、最終的にストレージ市場を支配することは避けられないようです。時間の経過とともに、SLC SSD も価格が下がると予想されますが、耐久性の低い SSD タイプは摩耗を制限するという点でさらに賢くなるでしょう。

ハードドライブテクノロジーも初期にはかなりの問題を抱えていましたが、SSD がまだ抱えている問題はすべて記録的な速さで解決されるだろうと私たちは感じています。