SSD とは何ですか?またその仕組みは何ですか?

ハードドライブは 1950 年代以来絶えず進化してきましたが、損傷やデータ損失に対して常に脆弱でした。それはソリッド ステート ドライブ (SSD) が発明されるまでのことでした。では、 SSDとは何でしょうか?

SSD ストレージ デバイスは、磁気メディアではなく半導体チップを使用してデータを保存します。また、揮発性メモリ ドライブとは異なり、これらの不揮発性メモリ チップは、電源が切断されてもデータを保持します。しかし、SSD はどのようにしてデータを保存するのでしょうか?この記事では、SSD テクノロジーとは何か、そしてそれがどのように機能するのかについて説明します。

ストレージスペースの歴史の要約

1956 年、IBM は世界初のハードディスク ドライブ (HDD) を RAMAC 305 システムで出荷しました。このドライブは 50 枚の 24 インチ (61 センチメートル) プラッターを使用し、保存されるデータはわずか 5 メガバイトで、冷蔵庫 2 台よりも広いスペースを占めていました。ああ、費用は？ちょうど 50,000 ドル、2024 ドルに換算すると約 570,000 ドルになります。

それ以来、ハードドライブは小型化、大容量化が進み、ありがたいことに価格も下がりました。たとえば、Seagate Momentus ラップトップ ハード ドライブは、フォーム ファクタがわずか 2.5 インチ (6.4 センチメートル) で、100 ドル未満で 750 ギガバイトのストレージを提供します。しかし、高度な保護テクノロジーを備えていても、他の HDD と同様に、Momentus ドライブはクラッシュしたり燃えたりして、貴重なデータを持ち去ってしまう可能性があります。それは、ハードドライブには故障する可能性のある機械部品があるためです。ラップトップを落とすと、読み書きヘッドが回転するプラッターに接触する可能性があります。これにより、ほとんどの場合、重大なデータ損失が発生します。

ソリッドステートドライブとは何ですか?

コンピュータ用語では、メモリとストレージには違いがあります。ランダム アクセス メモリ、つまりRAM (または単にメモリ) は、コンピュータが実行しているプログラムとあらゆるデータを保持します。人間の短期記憶と同様に、RAM は一時的なものであり、その機能を発揮するには電力が必要です。一方、ストレージには、アプリ、ファイル、写真、音楽など、デジタル ライフに必要なものがすべて保存されます。電源を切ってもその内容は保持されます。

RAM とストレージはどちらも、保持できるバイト数に基づいて容量を誇ります。最新のコンピューターの場合、RAM は通常 4、6、または 8 ギガバイトです。ストレージの容量はほぼ 100 倍になります。たとえば、一般的なラップトップのハード ドライブは 500 GB を保存できます。

ここからが少しベタベタになります。一部のストレージ デバイスにはフラッシュ メモリと呼ばれるものが搭載されていますが、この紛らわしい用語は RAM とストレージの境界があいまいです。フラッシュ メモリを備えたデバイスは依然として多くの情報を保持しており、電源が入っているかどうかに関係なく情報を保持します。

しかし、回転するプラッターと読み書きヘッドを搭載したターンテーブルのようなアームを備えたハードドライブとは異なり、フラッシュメモリデバイスには機械部品がありません。これらは、コンピューター チップ上にあるトランジスタやその他のコンポーネントから構築されています。その結果、半導体の特性を利用するデバイスに与えられる「ソリッドステート」というラベルを享受できます。

NANDフラッシュメモリの登場

フラッシュ メモリには NOR と NAND の 2 種類があります。どちらもグリッド内にセル (トランジスタ) を含んでいますが、セル間の配線が異なります。 NOR フラッシュでは、セルは並列に配線されます。 NAND フラッシュでは、セルが直列に配線されています。 NOR セルにはより多くのワイヤが含まれるため、サイズが大きく、より複雑になります。 NAND セルは必要なワイヤが少なく、より高密度にチップ上に実装できます。

その結果、NAND フラッシュ メモリは安価になり、データの読み書きが可能になります。このため、NAND フラッシュは理想的なストレージ テクノロジとなり、ソリッド ステート ドライブのメモリの主流である理由も説明されています。 NOR フラッシュは、コード ストレージ アプリケーションなど、低密度、高速、読み取り専用のアプリケーションに最適です。

SSD テクノロジー: ハードディスクドライブの交換

このような背景を踏まえて、ソリッド ステート ドライブのより正確な定義を提供できます。ソリッド ステート ドライブは、NAND フラッシュを使用して不揮発性の書き換え可能なメモリを提供するデバイスです。コンピュータでは、ソリッド ステート ドライブをストレージ デバイスとして使用し、従来のハードディスク ドライブの代わりに使用できます。

実際、メーカーは、2 つのテクノロジーを互換的に使用できるように、HDD に似た形状と設置面積を持つ SSD を製造しています。しかし、類似点はそこまでです。ソリッドステートドライブのシェルを割って開けても、プラッターやアクチュエーターアームは見えません。次はそれをやってみましょう。

ソリッド ステート ドライブがデータを保存し、アクセスする仕組み

ソリッド ステート ドライブは、外見上は HDD とまったく同じように見えます。形状は長方形で、つや消し金属のシェルで覆われており、ハード ドライブの業界標準のフォーム ファクタに適合するサイズになっています。通常は 2.5 インチと 3.5 インチ (6.4 センチメートルと 8.9 センチメートル) です。

しかし、銀色の外装の下には、基板上に整理されたチップの配列があり、磁気メディアや光学メディアは見えません。その多くはより狭いスペースに収まる可能性がありますが、SSD メーカーは、ラップトップやデスクトップ PCの既存のドライブ スロットに確実に収まるように、追加の「ハウジング」でコンポーネントをドレスアップしています。

ソリッド ステート ドライブの極めてシンプルな構造と比較すると、ハード ドライブの内部は驚異的な動き、音、アクティビティを備えています。スピンドル上に配置された丸いプラッターは、毎分 7,200 回転で回転します。複数の読み書きヘッドに分岐したアクチュエーター アームが、目に見えないほどの猛スピードでプラッター上を駆け巡ります。アームはアクチュエータ ブロックに接続されており、読み書きヘッドを動かすための命令が保持されています。

これらの命令が呼び出されると、場合によっては 1 秒間に最大 50 回、アームの一端が回転し、プラッター上でヘッドが一斉に動きます。ヘッドがプラッター上の特定の位置に到着すると、電磁石が磁界を生成し、その下にあるトラック内のデータを運ぶドメインの位置を揃えます。各ドメインは、1 または 0 の 2 つの可能な方向のいずれかに配置できます。これらの配置が変化すると、デジタル情報の個別のチャンクに対応するパターンが形成されます。

データの保存方法、NAND スタイル

ソリッド ステート ドライブの NAND フラッシュは、異なる方法でデータを保存します。 NAND フラッシュには、列と行のグリッドに配置されたトランジスタがあることを思い出してください。一連のトランジスタが電流を流す場合、その値は 1 になります。電流を流さない場合、値は 0 になります。最初はすべてのトランジスタが 1 に設定されます。しかし、保存操作が開始されると、電流は一部のトランジスタにブロックされます。これはトランジスタの配置方法により発生します。列と行の各交差点で、2 つのトランジスタがセルを形成します。

トランジスタの 1 つはコントロール ゲートとして知られ、もう 1 つはフローティング ゲートとして知られています。電流がコントロール ゲートに到達すると、電子がフローティング ゲートに流れ込み、電流の流れを遮断する正味の正電荷が生成されます。トランジスタに正確な電圧を印加すると、1 と 0 のユニークなパターンが現れます。

NAND フラッシュには、各セルに保存できる 1 と 0 の数に基づいて 2 つの種類があります。シングルレベル セル (SLC) NAND は、セルごとに 1 ビット (1 または 0) を格納します。マルチレベル セル (MLC) NAND は、セルごとに 2 ビットを格納します。 MLC フラッシュはより高いストレージ容量を提供しますが、消耗が早くなります (はい、消耗します。これについては数ページで詳しく説明します)。それでも、SLC よりもギガバイトあたりのコストが低いため、ほぼすべての消費者向け SSD で推奨されるテクノロジとなっています。

コストは、フラッシュ メモリ、ひいてはソリッド ステート ドライブの最大の障害の 1 つです。しかし近年、コストは大幅に下がっています。同時に、NAND フラッシュ開発の進歩により、このテクノロジーの優れた点が取り入れられ、さらに優れたものになりました。次に、ソリッド ステート ドライブの利点を見ていきます。

SSD で販売: ソリッド ステート ドライブの利点

あなたは、500 ギガバイトのハード ドライブを搭載した最高級のラップトップに投資しましたが、非常にうまく動作しています。すべての写真とビデオ、音楽ライブラリ全体、5 冊の読みかけの小説、アプリケーションがドライブのプラッターに詰め込まれています。 HDD をソリッド ステート ドライブに交換することを検討するのはなぜですか?お父さんはいつも「壊れてないなら、直す必要はない」って言ってたよね？

おそらくお父さんはハードドライブを所有していなかったでしょう。厳しい現実として、HDD は故障する可能性があり、実際に故障する可能性があり、多くの場合、技術仕様が示すよりも頻繁に故障します。たとえば、ハードドライブのメーカーは、平均故障間隔 (MTBF) として知られる測定値を使用して製品の信頼性を評価します。一般的な民生用ハード ドライブの MTBF 定格は 500,000 時間です。これは、テストされたドライブのサンプルでは、​​500,000 時間のテストごとに 1 件の障害が発生することを意味します。これは 57 年に 1 回の失敗です。これはかなり良いことだと思いませんか?

残念ながら、MTBF スコアは誤解を招きやすいものです。これらは、小さなサンプルサイズと短時間に基づいた統計的評価から得られます。実際には、MTBF スコアとともに、一般的な HDD の保証と耐用年数 (3 ～ 5 年程度) も考慮する必要があります。 SSD には可動部品がないため、. MTBF は最大 250 万時間と評価できますが、これはおそらくデバイスの寿命がさらに数年伸びることを意味します。

さらに重要なのは、HDD と比較したソリッド ステート ドライブのパフォーマンスです。 SSD は、移動ヘッドや回転プラッターがないため、たとえ同じ距離になくても、1 つのデータに他のデータと同じくらい速くアクセスできます。デバイスの高速性は、システム ソフトウェアの起動からファイルのオープン、データの読み書きに至るまで、すべての主要な CPU タスクに現れます。

SSD のパフォーマンスを従来の HDD と比較する

次の箇条書きでは、これらの重要なアクティビティに関して SSD と HDD を比較します。

起動時間（Windows 7）：22秒（SSD）、40秒（HDD）

データ読み取り/書き込み速度: 510 ～ 550 メガバイト/秒 (SSD)、50 ～ 150 メガバイト/秒 (HDD)

Excelファイルオープン速度：4秒(SSD)、14秒(HDD)

これらすべてが合計されます。一般ユーザーでも、SSD を搭載したコンピューターのパフォーマンスが大幅に向上していることに気づくでしょう。しかし、パワーユーザーであればその違いを実感できるでしょう。ゲーム デザイナー、アニメーター、その他の巨大な出力ファイルをレンダリングする人々は、大きなファイルの読み取りと書き込みの累積時間を節約できるという理由だけで SSD を早期に採用しました。現在、ゲーマー、写真家、グラフィックスやビデオ ファイルを編集する人は、ソリッド ステート ドライブによる速度向上を高く評価しているでしょう。

最後に、SSD は従来のハードドライブよりも消費電力がはるかに少ないため、バッテリー寿命が長くなり、温度も低くなります。また、非常に静かで、HDD で発生するようなヒューヒューという音やクリック音がありません。頻繁に旅行する人で、コンピューターを膝の上に置くことが多い場合は、この点がより実感できるでしょう。ただし、ラップトップがほとんどの時間ドッキングされている場合でも、より低温で静かなマシンは、快適さに顕著な違いをもたらす可能性があります。ワークスペース。

もちろん、完璧なテクノロジーは存在せず、SSD も完璧には程遠いです。次のページでは、NAND フラッシュの欠点と、テクノロジーの組み合わせが最適なソリューションである理由を検討します。

SSD では販売されていない: ソリッド ステート ドライブの欠点

ハードドライブをソリッドステートドライブに交換するのは簡単なことのように思えます。ただし、切り替える前に、SSD の制限を理解しておく必要があります。コストのようなもの。価格は着実に下がってきていますが、NAND フラッシュ メモリは依然として高価です。たとえば、PNY Prevail SSD で 240 GB のストレージを取得するには、280 ドルを支払う可能性があります。つまり 1 ギガバイトあたり 1.17 ドルです。一方、Western Digital Scorpio Blue HDD は、約 65 ドルで 250 ギガバイトのストレージを提供します。つまり、1 ギガバイトあたり 0.26 ドルになります。

あとは長寿の問題ですね。 SSD で使用される NAND フラッシュは、有限数の書き込みにのみ使用できます。なぜ？ SSD では、非常に大きなデータ ブロックを一度に消去してから再書き込みすることなしに、単一ビットの情報を書き込むことができないためです。セルが消去サイクルを通過するたびに、フローティング ゲート トランジスタにいくらかの電荷が残り、その抵抗が変化します。抵抗が増加すると、ゲートを変化させるために必要な電流量が増加します。最終的には、ゲートをまったく反転できなくなり、役に立たなくなります。読み取りにはセルの電圧の変更ではなくチェックのみが必要であるため、この減衰プロセスは SSD の読み取り機能には影響しません。その結果、NAND フラッシュが読み取り専用状態に「腐敗」する可能性があります。

一部のメーカーは、NAND フラッシュの劣化を防ぐためにウェアレベリングと呼ばれるものを使用しています。この技術では、フラッシュ メモリが均等に消耗するようにデータの書き込みをすべてのブロックに分散しますが、それでも SSD は時間の経過とともに劣化します。シングルレベルセルタイプの NAND フラッシュ メモリは、通常 50,000 回のプログラム/消去サイクルを実現します。消費者レベルの製品で使用される種類のマルチレベルセルのフラッシュは、約 5,000 サイクル後に消耗します。

このため、多くのデータセンターや技術者は SSD と HDD を組み合わせて使用​​しています。 1 つのアプローチは、ラップトップのソリッド ステート ドライブと、音楽、写真、その他のファイルを保存する外部ストレージとして従来のハード ドライブを使用することです。これは、SSD の超高速ランダム データ アクセスと、比較的安価で大容量の HDD の両方の長所を組み合わせたものです。これが良いと思われる場合は、適切なソリッド ステート ドライブの購入を開始してください。

クラウドはストレージスペースにどのような革命をもたらしているのか

クラウド コンピューティングが個人および専門分野のストレージ容量を引き継ぎ、あらゆる種類の消費者デバイスに堅牢なデータ回復とデータ転送速度を提供する中で、SSD は後れを取っています。 Samsung、Seagate、SanDisk、Intel、Kingston、などの主要 SSD メーカーは、高品質の SSD ストレージ製品を発売し続けていますが、潮流は変わりました。

幸いなことに、貴重なデータを保存するために従来のハードディスク ドライブや SSD ストレージを好む人は常に存在します。しかし、デジタル変革が進むにつれて、市場はニッチ市場に成長すると予測されています。

著者のメモ

この記事の執筆中、私は大学のコンピューター サイエンスに戻り、そこでビット、バイト、そしてもちろんメモリについて学びました。当時、私は 5.25 インチの外付けフロッピー ドライブを備えた Commodore 64 (つまり 64 キロバイトの RAM) の前に座っていました。やあ、どこまで来たんだ。