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SSD(Solid State Drive)~補助記憶装置

SSDを用いたストレージの組み合わせ

SSDに関するレポート!

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SSDは、NAND型フラッシュメモリを搭載したストレージ

SSD(Solid State Drive / ソリッドステートドライブ)は、HDDと同じように扱える補助記憶装置(ストレージ)です。ストレージというのは情報を長期的に保存するための記憶装置で、電源を切っても情報が消えません。

SSDはHDDのようにディスクとモーターの構造ではなく、フラッシュメモリの半導体で構成されており、HDDよりも圧倒的にアクセスが速い。そのフラッシュメモリというのは、USBメモリ、SDカードでも採用されている「不揮発性メモリ」であり、電源を切ってもデータを保持できます。更に細かくいうと、SSDではNAND型フラッシュメモリを採用しています。 ※Solid Stateとは、電子工学の分野で「半導体」という意味。

NAND型フラッシュメモリ搭載のSSD

SSD製品の形状

SSD製品の接続にはいくつかの規格があり、形状や接続するコネクタが異なってきます。SSDは半導体ベースなのでモジュール形状が基本ですが、2.5インチHDDと形状互換をもたせた製品がほとんどです。

2.5インチタイプ

SATA 3.0 (6Gbps)
SSD製品は2.5インチが多く、1.8インチや3.5インチというのは稀です。SATA規格が採用されているので、SATA規格の2.5インチHDDと置き換えて使うことができます。「2.5⇒3.5インチ変換マウンタ」でサイズを調整すればデスクトップパソコンでも搭載できます。

SSDにマウンタつける
2.5インチのSSDに「3.5インチ変換マウンタ」を付け、さらに5.25インチマウンタを付けてみた。これで光学ドライブベイにSSDを搭載。振動がないのでこのような不安定な固定でも安心。HDDの形状と互換性があるため搭載しやすい。

mSATA 規格

mSATA(Mini SATA)スロット
mSATA規格のSSD。

M.2規格

M.2規格
M.2規格対応SSD。接続にはSATAとPCI Express × 2接続がある。後者ではSATA3.0のボトルネックをクリアしているため、SATA接続よりも圧倒的に速い。

基礎知識!フラッシュメモリ(不揮発性)とDRAM(揮発性)の違いを理解

SSDが搭載するフラッシュメモリは「不揮発性メモリ」ですが、その対照として、メインメモリが搭載するDRAMが揮発性メモリになります。DRAMは通電されなくなるとデータが消えてしまいますが、フラッシュメモリよりも高速です。

フラッシュとDRAM
SSDのフラッシュメモリと、メインメモリのDRAM

MP3プレイヤー
デジタル・オーディオプレイヤー(MP3プレイヤー)の基板にも、音楽データを蓄積するためのフラッシュメモリが搭載されている。

SSDはNAND型フラッシュメモリを採用

フラッシュメモリにはNOR型とNAND型がありますが、特性上、SSDではNAND型が使われています。また、NAND型にはSLC(シングル Level Cell)とMLC(マルチ Level Cell)がありますが、多く出回っているのは「大容量化しやすく低価格」のMLCです。
NOR型
(ファームウェアやBIOSなど)
NOR型はNAND型より書き込み速度が遅いが、データ耐久性の信頼性が高い。集積度が低いので容量は少なく、書き換える機会が少ないファームウェアやBIOSなどに使われる。
NAND型
(SSDやUSBメモリ、SDカードなど)

NAND型の特長

NAND型は集積度を上げられるので、フラッシュメモリとしては大容量化が可能。しかも書き込み速度はNOR型よりも速い。しかし信頼性はNOR型より劣るため、コントローラでエラーを訂正する機能が必要。そのため、コントローラの性能が製品のクオリティを決める。NAND型はSSDやUSBメモリ、SDカードなどでも採用されている。

NAND型フラッシュメモリのタイプ

NAND型フラッシュメモリは、セル(記録素子)ごとの記録量の違いでSLCとMLC、TLCのタイプがあります。後述。

eMMC 【embedded Multi Media Card 】

eMMCとは
SSDと同様に、NAND型フラッシュメモリを搭載したストレージに「eMMC」がある。NAND型フラッシュメモリと制御回路をまとめ、メモリカードのMMCと同じインターフェースを用いている。転送速度はSSDよりも遅いが、さらに低消費電力であり、小型である。タブレットPCやスマートフォン、カーナビ等で採用されている。

記録方式の技術:SLC、MLC、TLC

SSDにはNAND型フラッシュメモリが使われているが、そのチップの技術にはいくつか種類がある。SLC(Single Level Cell)、MLC、TLCである。最初の技術であるSLCは、1セル(メモリセル / 記憶素子)に1つのデータ(1bit)を格納している。その後登場したMLCでは2つ(2bit)格納、TLCでは3つ(3bit)格納という違いがある。

1セルに格納するデータを増やすことにより、1チップあたりの容量を大きくし、容量単価を下げてきた。その反面、1セルのデータ格納が多いほど、データ保持の信頼性は低くなるデメリットがある。つまり・・・、

SLC(Single Level Cell) 1セルに、1 ビットのデータを格納 信頼性が最も高いが、
容量単価が高い
MLC(Multiple Level Cell) 1セルに、2 ビットのデータを格納 信頼性がSLCより低いが、
容量単価がSLCよりも安い
TLC(Triple Level Cell) 1セルに、3 ビットのデータを格納 信頼性がMLCより低いが、
容量単価がMLCよりも安い

※データ保持信頼性の高い順 : SLC、MLC、TLC
※容量単価のコストパフォーマンス順: TLC、MLC、SLC

※補足: MLCは電圧レベルを利用することで多ビット記録に対応させている。そもそも、MLCとは2ビット記録に限らず、多ビットの記録方式を指す総称であったため、厳密には「3ビット記録のTLC」も該当する。そのため、上記にある解釈でいうMLCを「MLC-2」、TLCを「MLC-3」または「3-bit MLC」と呼ぶ場合がある。

一般的なパソコンユーザーなら、TLCで問題なし

コストパフォーマンスが良くても「データ保持の信頼性」が最も低いTLCであるが、SSD製品ではウェアレベリングのような延命技術が進歩しており、メーカーの品質保持をクリアしている。だから一般的なパソコンユーザーであれば、TLCでもデメリットを感じることなく使える。ただし特性から、24時間稼働で書き換え頻度の高いサーバー用途では、TLCは不向きである。

シンプルなSSDの構造

SSDの構造図解
SSDの基本構造は、「データを保存するNAND型フラッシュメモリ」、「データ転送のコントローラ」、そして「外部キャッシュ」です。HDDのような機械駆動ではなく、半導体が主体のシンプルな構造です。

NAND型フラッシュメモリ

NAND型フラッシュメモリの搭載量を増やすことで、総容量を増やすことができます。1ダイ8GBだとすると、16積層で総容量128GBのSSD製品ということになります。また増えるほど一度に多くのフラッシュメモリにアクセスできるため高速化できます。(例えば1ダイの速度が10MB/sであれば、5ダイの場合、同時アクセスされて50MB/sとなる)。つまり、フラッシュメモリの搭載量が少ないと容量が少ないだけでなく、速度も低くなるということ。なお、製造原価の大部分をこのフラッシュメモリが占めています。

【DDR方式による高速転送の同期型とは】

一部の高価なNAND型フラッシュメモリには、クロックに同期してデータをバースト転送できる「同期型」があります。リード・ライトの度にコマンドを送信する非同期型よりも高速という特長があります。※同じチップでも同期型と非同期型があり、チップ名だけでは判断できない。

コントローラー

コントローラが指揮をとるので、コントローラの良し悪しが性能を左右します。異なるメーカー製のSSDであっても、搭載しているコントローラが同じであれば、基本的に似たような性能になります。しかし、これは従来の見方。
※主なコントローラ・メーカー:SandForce、東芝、Indilinx、Marvell、Intel、samsungなど

コントローラを制御するファームウェア、NAND型フラッシュメモリでは近年改良が進んでおり、SSD製品をコントローラだけ判断できることが減ってきました。

【黎明期によく問題視されたプチ・フリーズ現象】

SSDに見られるプチフリ(プチ・フリーズ)とは一時的にOSからの反応がフリーズする現象。とくに低価格SSDに見られた現象で、JMicron製JMF602のコントローラーを採用したSSD製品で報告があり、書き込みが集中するとプチフリが起きやすいと言われます。ただし第2世代以降のSSD製品ではコントローラーの改善があり、心配しなくてもいいそうです。SSDの黎明期と比べると現在はかなり安定性を見せています。

ファームウェア

コントローラーを制御しているプログラムがファームウェア。NAND型フラッシュメモリやコントローラーが同じSSD製品でも、メーカーが行うファームウェアのチューニングによって若干性能が変わってきます。ファームウェアのアップデートをすると性能が向上する場合があります。

外部キャッシュ

管理情報の保管や一時的なデータキャッシュを行うのが「外部キャッシュ」です。SSDの管理だけなら64MBで充分と言われますが、必須ではないので外部キャッシュを搭載しない製品もあります。また、コントローラに内蔵しているタイプも有ります。

インターフェース

インターフェースはSATA規格なので、同規格のHDDと同じように接続できます。ただ、古いパソコンを使っているのであれば、AHCIモードをチェックしてください。AHCIモードは、SATAの機能を引き出すためのホストコントローラです。

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。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。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。

SSDのメリットとデメリット

SSDの構造におけるメリットとデメリットを解説します。

SSDのメリット~HDDのデメリット要素を払拭

SSDの対照になるのがHDDですが、HDDはディスクとモーターとヘッドで構成されているため、次のようなデメリットがあります。「消費電力が高い、発熱しやすい、動作音がする、機械の駆動時間でタイムロスを生じる、振動や衝撃に弱い

一方、構造の違うSSDは以上のデメリットがありません。基盤とチップだけで構成されているのがSSDです。 機械的な駆動パーツがなく半導体が主体であるため、「無音、振動や衝撃に強い、低消費電力、HDDよりもアクセスが速い」というメリットがあります。ランダムアクセス性能では、HDDの数十倍速いという結果もあります。
HDDではアクセスするとディスクの回転待ちがありますが、SSDでは一瞬で目的のデータにアクセスできるため、速いのは当然ですね。

SSDのデメリット~容量と書き換え回数

SSDのデメリット、言い換えるとHDDよりも劣る面は「容量が少ない、1GBあたりの単価が高い」ことです。読み書きに対する耐久性ではHDDに劣り、また、書き換え回数に制限があります。初期に販売されたSSDでは使い込んでいくとベンチマークの結果が悪くなる報告もあります。そして、長期間書き換えがないと自然放電が起き、データ消失 の可能性を秘めています。そのため作成データを大量に溜めておく使い方よりも、起動システム用として使うことが適しています。

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