この記事では、SSDの種類や仕組み、メリット・デメリットを紹介し、SSDとHDDを比較します。
SSDとは？この記事では、MiniToolより、SSDの仕組み、種類、メリットとデメリット、SSDの概要について紹介していきます。
SSDとは
SSD（Solid State Driveの略）は、集積回路アセンブリをメモリとして使用し、データを保存するストレージデバイスです。これは、制御ユニット、ストレージユニット（NANDフラッシュチップまたはDRAMチップ）、オプションのキャッシュ（またはバッファ）ユニット、インターフェイスで構成されます。
主制御チップ
SSDには制御ユニット（マスターコントローラーとも呼ばれる）があり、そのコアコンポーネントは主制御のチップです。マスターコントローラーには、次の2つの機能があります。
- 記憶装置とインターフェイスを接続し、データをPCに転送できるようにします。
- SSD内の様々な命令（データの読み取りと書き込み、ウェアレベリング(WL)、不良ブロック管理、エラーチェックと訂正（ECC）、ガベージコレクション（GC）など）の実行を担当します。
つまり、主制御の破片の品質が、実際の使用体験とSSDの寿命を左右します。
メモリチップ
一般に、メモリチップは、NANDフラッシュチップとDRAMチップの2種類に分けられます。
DRAM（動的ランダムアクセスメモリ）はDynamic random-access memoryの略で、NANDフラッシュチップよりも高速な読み書き速度を備えています。ただし、電源をオフにすると、DRAMはデータを失います。そのため、一般的に、DRAMがメモリバンクで使用され、少数のSSDのみがDRAMを使用しています。
NANDフラッシュは不揮発性のストレージ技術であり、電源が落ちた後でもデータを保存できます。低消費電力、低価格、高性能などの利点により、SSDで広く使用されています。
NANDフラッシュチップは、SLC（シングルレベルセル）フラッシュメモリ、MLC（マルチレベルセル）フラッシュメモリ、TLC（トリプルレベルセル）、QLC（クワッドレベルセル）NANDフラッシュメモリに分けられます。さらに、NANDフラッシュチップは平面NANDフラッシュメモリと3D NANDフラッシュメモリに分けられます。
バッファチップ
バッファチップはコントローラーチップの隣にあり、これにより、SSDはデータをより高速に処理できます。ただし、コストを節約するために、一部の安価なSSDソリューションではキャッシュチップが使用されていません。これにより、SSDのパフォーマンスが確実に低下します。
インターフェース
ハードディスクインターフェイスは、ハードディスクとホストシステム間の接続であり、両者間でデータを転送するために使用されます。ハードディスクのインターフェイスは、ハードディスクとパソコン間の接続速度を決定します。
一般的に、SSDは一般的なハードディスクと同じインターフェース仕様を持っています。たとえば、SATA、mSATA、M.2、U.2などのインターフェイスを備えている場合があります。これらのインターフェイスはAHCIプロトコルに対応しています。
ただし、SSDには、NVMeプロトコルのみをサポートするインターフェイス、すなわちPCIeもあります。
ヒント：M.2とU.2インターフェイスは、NVMeインターフェイスも対応しています。SSDの最大の利点「高速性」を実現できるのは、NVMeプロトコルをサポートするインターフェイスだけです。
SSDの種類
SSDは、メモリチップ（記憶媒体）とインターフェイスの2つの要因によって分類されます。
DRAMベースのSSDとFlashベースのSSD
ストレージメディアによると、SSDは主に、DRAMベースのSSDとFlashベースのSSDの2つのタイプに分けられます。
DRAMベースSSDは、記憶媒体としてDRAMを採用しています。一般的に、10マイクロ秒未満と、非常に高速なデータアクセスが特徴です。そのため、フラッシュSSDや従来のHDDの遅延によって妨げられるアプリケーションを高速化するために主に使用されます。
ただし、揮発性が高く、データのセキュリティを保護するために独立した電源が必要なため、適用範囲が比較的狭いという欠点があります。
フラッシュベースSSDは、主に不揮発性のNANDフラッシュメモリを採用しています。 NANDフラッシュは、DRAMと比較して低コストであり、一定の電力供給がなくてもデータを保持できるため、突然の停電が発生してもデータの永続性が保証されます。
SATA SSD、M.2 SSD、U.2 SSD、PCI-E SSD、NVMe SSD
インターフェースによって、SSDはSATA SSD、M.2 SSD、U.2 SSD、PCI-E SSDなどに分けられます。NVMe SSDは、このSSDがNVMeプロトコルを使用していることを示し、これもインターフェースに関連しています。インターフェイスの種類は、SSDのデータ転送速度にある程度影響します。
SSD vs. HDD
SSDのメリット
HDDに比べ、SSDには次のメリットがあります。
1. 速度が速い：SSDはフラッシュメモリーを使用しているため、読み取り速度は従来のハードディスクよりも比較的高速です。また、SSDにはヘッドがないため、シーク時間はほぼ0です。
2. 物理的な衝撃に対する耐性が強い：物理的な出来事（振動、激しい動き、温度変化など）は、破損する可動コンポーネントがないため、SSDにはHDDと同じ程度の影響はありません。
3. 消費電力が少なく、発熱が少ない：多くのSSDは消費電力や発熱量が少ないため、特に過熱しやすいノートパソコンでは電気使用量の削減につながります。
ご注意：ハイエンドや大容量のデバイスでは、エネルギー消費量が高くなる場合があります。
4. ノイズがない：ソリッドステートドライブ（SSD）には機械的なモーターとファンがないため、動作騒音値は0 dbです。
5. 使用温度範囲が広い：一般的なドライブは、5～55℃の範囲内でのみ動作します。ただし、ほとんどのSSDは-10℃から70℃の範囲内で動作します。
6. 持ち運びが簡単：従来のハードディスクに比べ、SSDは軽量です。
SSDのデメリット
SSDにはデメリットもあります。次に、そのいくつかを列挙します。
1. FlashSSDの書き込み回数には制限があり、これはSSDの寿命に関連しています。SLC SSDの書き込みサイクルは100,000回ですが、通常、MLCを使用する一般的なエントリーレベルのSSDは1万回しか書き込みサイクルがありません。
理論的には、書き込みサイクルがなくなると、SSDは破棄されます。したがって、理論的には、HDDの寿命はSSDの寿命よりも長くなります。しかし、実際には、SSDは書き込みサイクルの限界に達しても、もっと長く時間が続きます。SSDには可動コンポーネントがないため、HDDよりも故障しにくいです。
2. SSD（ソリッドステートディスク）は、従来の機械式ハードディスク（HDD）よりはるかに高価であるため、同じGB容量のSSDにアップグレードすると、かなりのコストがかかる可能性があります。
3. 容量。コストが高いため、通常、SSDの容量はHDDの容量よりも小さくなります。
SSDの仕組みと技術
1. プレーンNANDと3D NAND技術
SSDはプレーンNAND技術を使用します。しかし、2Dプレーナフラッシュメモリ技術の進歩により、プレーナ構造のNANDフラッシュメモリは15nmレベルに達した後、実際の拡張限界に近づいています。
この時、3D NAND技術が出てきます。この技術は、データ記憶ユニットを縦に何層にも積み重ねることで、より小さなスペースでより大きな記憶容量を実現するものです。積層数が多ければ多いほど、記憶容量が大きくなります。
2. SLC、MLC、TLC、QLC
最初は、一般的に、メーカーはSLCを採用します。その後、メモリセルのサイズを小さくし、1つのメモリセルに格納するビット数を増やすために、MLC、TLC、QLCが登場します。
SLCは1つの記憶ユニットが1ビットのデータを格納し、MLCは2ビット、TLCは3ビット、QLCは4ビットのデータを格納することを意味します。例えば、通常のフラッシュメモリ（SLC製）の容量は128GBですが、MLCで256GB、TLCで384GB、QLCで512GBの容量になります。
3. ウェアレベリング（WL）
一般的に、NANDブロックのデータ更新の頻度は異なります。頻繁に更新されるものもあれば、あまり更新されないものもあります。もちろん、データが頻繁に更新されるブロックはすぐに使い果たされ、SSDの耐用年数に影響を与えます。
ウェアレベリングのアルゴリズムは、マスターコントローラーのファームウェアに統合されています。ストレージユニット内の各ストレージブロックを平均的に使用し、「特定」のストレージブロックが使い過ぎにより不良ブロックを形成しないようにすることを目的としています。
4. 不良ブロックの管理
不良ブロックの管理には、不良ブロックを検出し、不良ブロックをスキップするか、不良ブロックを予約済みの良品ブロックに置き換えるようにマスター コントローラに指示する、Skip Block メソッドと Reserve Block メソッドが含まれます。 このテクノロジーにより、データのセキュリティと SSD のパフォーマンスが保証されます。
5. ガベージ・コレクション（GC）
ページに保存されたデータを変更すると、SSDは変更内容を新しいページに書き込み、変更されたデータが保存されている古いページを「stale」ページとしてマークします。SSDの中が古いページでいっぱいにならないように、ガベージコレクションが登場します。
SSDのアイドルページが一定量未満になると、ガベージコレクションが実行されます。そのプロセスは以下の通りです。
(1)有効データを予約ブロックにコピーします。
(2)元のブロックを消去し、新しい使用可能なブロックを取得します。
ご注意：データが上書きされやすいHDDとは異なり、NANDはデータを再度書き込む前に消去する必要があります。また、SSDはブロック単位でデータを消去しながら、ページ単位でデータを書き込みます。ブロックには複数のページが含まれます。
このプロセスでは、予約済みのブロックが多く使用され、追加の読み取りと書き込みが発生し、SSDの寿命に影響を与え、SSDのパフォーマンスが低下します。
6. トリム
ファイルを削除しても、ファイルシステムに完全に削除されませんが、ファイルアドレスを「削除済み」としてマークするだけです。OSがSSDにTRIMコマンドを送信するまで、SSDは削除されたデータを無効なデータとして識別できません。
TRIMコマンドによって、SSDはどのページが使用不可と判断され、それらを削除されたページとしてマークします。これで、削除されたページ（削除されたデータを含む）は、GCプロセスを実行するときに元のブロックに残されるため、GCの効率が向上し、書き込み増幅が減少します。
7. オーバー プロビジョニング（OP）
オーバー プロビジョニングとは、使用できない容量を指します。実際の物理フラッシュ容量には、使用可能な容量、GC、不良ブロック管理、ウェアレベリングのためにアイドルまたは代替ブロックを提供するためのオーバープロビジョニングが含まれます。これで、OPは書き込み増幅を減らし、パフォーマンスとSSDの耐久性を向上させます。
8. 書き込み増幅（WA）
フラッシュメモリは、書き込む前に消去する必要があります。このプロセスでは、データとメタデータが複数回書き換えられます。これで、フラッシュメモリに実際に書き込まれる情報量は、書き込もうとする論理量の何倍にもなります。
この相乗効果、書き込み増幅により、必要な書き込み回数が増加し、SSDの寿命が短くなります。書き込みが増えると、フラッシュ・メモリへの帯域幅を消費し、SSD へのランダム書き込みのパフォーマンスを低下させます。
多くの要因がSSDのWAに影響します。
(1) ガベージ コレクションは、書き込み増幅を増加させますが、SSD の速度も向上させます。
(2) オーバープロビジョニングにより、書き込み増幅が減少する可能性があります。OPが大きいほど、WAは低くなります。
(3) TRIM命令をオンにすると、WAを減らすことができます。
(4) TRIMがオンの場合、ユーザーの使用可能容量の未使用スペースが大きいほど、書き込み増幅度が低くなります。
(5) 順次書き込みを行うと書き込み増幅率が低下し、ランダム書き込みを行うと書き込み増幅率が大きく上昇します。
(6) ウェアレベリングにより、書き込み増幅率が向上します。