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HDDの仕様規格(インターフェース)

HDDの仕様規格では、ATA(Advanced Technology Attachment)がベースとなっています。外付けHDDではUSB接続、IEEE1394接続などがありますが、いずれもATAから変換された形で使われています。

インターフェースの種類~Serial ATA(SATA)が主流

現在は、Serial ATA(SATA)が主流です。それ以前の規格では「IDE(パラレルATA / PATA)」が使われていました。SATAとIDEとは端子が異なり、またケーブルの違いですぐ判断できます。

SATAとPATAのインターフェース
【画像】 SATAのHDDと、IDEのHDD

SATAコネクタ、IDEコネクタ
マザーボードのSATAコネクタ、IDEコネクタ。SATAコネクタには「SATA2.0」と「SATA3.0」のようにバージョンがあり、コネクタ形状が同じでも転送速度が異なる。

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IDEとSATAのデータ転送方式の違いを理解する

それぞれ、データ転送の方式が異なります。現在の主流であるSATAは単線で連続(シリアル)転送ですが、従来のIDEは同時並行(パラレル)する転送です。

IDEとSATAの転送の違いを図解
ケーブルの違いで一目瞭然。

IDE(パラレルATA / PATA)

古いパソコンはIDE
2000年初期ごろまで、メインであったのはIDEです。平行(パラレル)方式の転送なのでPATA(パラレルATA)とも呼ばれます。幅広のIDEケーブルで接続します。これは複数の伝送線をひとまとめにしたケーブルで、平行してデータを転送します。CPUの動作周波数(クロック数)が低かった頃は、この方法だとクロックあたりの転送力が高く、よく採用されていました。

しかし、CPUが高クロック化してくると、平行方式ではノイズの影響があり、転送速度にずれが生じます。つまり現在の高クロックCPUでは同期をとることが難しくなり、平行方式が適さない時代となりました。また、複数の伝送線をひとまとめにしているためケーブル幅が広く、パソコン内部のエアーフローの妨げにもなります。

Serial ATA(SATA)

HDDをSATAで接続
現在はSerial ATA(SATA)が主流です。CPUの高クロックに対応したインターフェースがSATAで、シリアル(連続)方式です。IDEケーブルと違って、細いSATAケーブルで接続します。単線なので効率悪そうにも感じるのですが、現在のCPUが高クロックなので、高速で転送できます。パラレル方式のように同期をとる必要がないので、高速に任せて安定して転送できます。また、SATAケーブルは細いので、パソコン内部の送風冷却の妨げになりません。なお、USBやIEEE1394もシリアル方式による転送です。

SATAのバージョン

以下でインターフェースの種類を解説します。IDEのUltra ATA/100以降、Ultra ATA/133で転送速度がアップ。SATAに世代交代してからはバージョンが上がると転送速度が向上したり、付加機能が追加されています。SATAのバージョンが上がることで転送速度を上げられるのですが、HDDはモーター駆動であるため、なかなか高速化は難しいと捉えがちです。しかし、外部キャッシュに収まるような小容量ファイルは恩恵を受けやすいので若干の高速化は望めます。

IDE(PATA/パラレルATA) Ultra ATA/33 (33MB/sの転送速度)
Ultra ATA/66 (66MB/sの転送速度)
Ultra ATA/100 (100MB/sの転送速度)
Ultra ATA/133 (133MB/sの転送速度)
Serial ATA(SATA)

SATA1.0

  • 1.5Gbps転送(150MB/sの転送速度)
  • シンプルなSATAケーブルで高速転送を実現

SATA2.0~(バージョン2.5、2.6)

  • 3Gbps転送(300MB/sの転送速度)
    ストレージは1byteを8bitではなく10bit計算なので、300MB/s
    ゆえに、SATA300という呼び方もある。
  • NCQ(ネイティブ・コマンド・キューイング)対応
  • AHCIが規格化(SATA2.0の機能を有効化するホストコントローラ)
    ※SATA2.0以降の機能を使うにはパソコンがAHCIモードに対応している必要がある
  • 最大伝送距離:1m

SATA3.0

  • 6Gbps転送(600MB/sの転送速度)。
    ストレージは1byteを8bitではなく10bit計算なので、600MB/s
    ゆえに、SATA600という呼び方もある。
  • NCQ(ネイティブ・コマンド・キューイング)の最適化
  • 電力管理能力の向上と低消費電力
  • HDDとSSDの接続をそれぞれ識別する
  • 最大伝送距離:1m

ケーブルの芯数に変更はないので、従来のSATAケーブルで問題ない。

SATA Express(予定)

  • 2011年8月10日に規格が発表された
  • PCI Expressを用い、X1なら最大転送速度 8Gbpsを実現予定
  • SATAコネクタで共通化することで、SATA Express製品とSATA製品の両対応ができる

SATA2.0以降にAHCIの規格化や、NCQ(ネイティブ・コマンド・キューイング)機能の追加がありますが、これらについて解説します。

AHCIとは~SATA2.0の機能を有効化するホストコントローラ

IDEとSATAとは本来互換性がありませんが、同じパソコンでどちらも使うことができます。つまりコネクタを変換するだけで使えてしまうのは、IDE互換モードで動いているからです。しかし、IDE互換モードのままではSATA 2.0で拡張された機能を使うことができません。

AHCI(Advanced Host Controller Interface)
SATA 2.0で拡張された機能を利用するには、IDE互換モードからネイティブモードにしなくてはなりません。それがAHCIモードであり、SATAの機能を引き出すためのホストコントローラです。
パソコンが対応しているなら、BIOS画面からIDEおよびAHCIモードの切り替えができるはずです。IDE機器のない環境であればSATA環境を引き出すためにAHCIモードに切り替えましょう。 (メーカーパソコンならもう切り替わっているかもしれません)。AHCIモードであればSATA 2.0以降の機能がネイティブとなります。例えば、パソコンを起動したままeSATAケーブルを抜き差しできるホットプラグに対応できます。NCQも有効になります。

NCQ(ネイティブ・コマンド・キューイング)で、高速アクセス

SATA2.0以降、NCQ(ネイティブ・コマンド・キューイング)に対応可能となりました。単純にいうと高速アクセスが可能なシステムです。HDDでは、虫食い状態になったスペースに記録と消去を繰り返しており、1ファイルのデータがバラバラに記録されている状態です。そのため1つのファイルを読み出すにも、分散されたデータを拾い集めていることになります。 分散されているデータを読み込む時、通常では最短距離で行われているのではなく、読む順番が決まっています。そのため、遠回りすることはしばしば。しかし、NCQに対応していると順番通りではなく、効率がいい順番で読むことができます。

NCQを図解
図で解説しましょう。あるファイルは1~4のデータで構成されているとします。 非NCQでは決められた順番で読まれるので、1→2→3→4の順で読みます。結果、図の例ではディスクを約2回転半させています。非NCQでは近い場所から読むわけではないので、多く回転させてアクセスしなくてはならず、時間がかかるうえHDDにも負担がかかります。回転数が多いということは発熱が多く、理論上、寿命も短いことになります。

次はNCQ対応のHDDです。近いところからアクセスするので効率よく3→2→4→1の順に読みます。決められた順番は一旦無視して、読み込んでから順番を組み直しています。図の例ではディスクが1回転で済みます。NCQ対応だと最低限の回転で済み、読み出しが速く快適になります。駆動の負担が少なくHDDを長持ちさせられます。なお、NCQを有効にするには対応HDDはもちろん、OSやBIOS、チップセットなどがAHCIに対応していなければなりません。

SATAケーブルの品質について

SATAケーブル
SATAのバージョンが上がって高速化しても、SATAケーブルは共通です。 しかしSATA3.0 (6Gbps)はSATA2.0 (3Gbps)の2倍の速度のため、粗悪なケーブルを利用すると通信品質が悪くなる場合があります。許容範囲であれば速度及びデータ内容の保証がされますが、範囲外の粗悪ケーブルだと本来の速度が出せない場合があります。また、ケーブルが長いほど理論上、信号の減衰は大きくなります。

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