【図解あり】SSD(補助記憶装置)の仕組み




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【図解あり】SSD(補助記憶装置)の仕組み

SSD(Solid State Drive : ソリッド・ステート・ドライブ)はコンピュータの固体記憶装置1つです。

コンピュータにおいては

  • プログラムの命令・データの処理を実行する装置 ➡️ CPU
  • プログラムの命令・データを保存する装置 ➡️ 記憶装置

それぞれ役割が分担されており、CPUの近くに位置する記憶装置ほど

  • 高速な命令・データの転送
  • 小容量

という特徴を持っており、逆にCPUから遠くに位置する記憶装置

  • 低速な命令・データの転送
  • 大容量

となります。

コンピュータの記憶階層

メモリ(主記憶装置)とHDD・SSD(補助記憶装置)では

  • レイテンシ(latency)
  • スループット(Throughput)
  • 揮発性か否か

が、大きな違いです。

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この記事では補助記憶装置であるSSD(Solid State Drive : ソリッド・ステート・ドライブ)の

  • 基本構造
  • 基本動作

を説明していきます。

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SSD(Solid State Drive)の基本構造

SSD(Solid State Drive)の基本構造

SSD(Solid State Drive : ソリッド・ステート・ドライブ)の内部を構成する主な部品は

  • インターフェイス
  • SSDコントローラ
  • バッファメモリ
  • NAND型フラッシュメモリ

SSDの基本構造

SSDの基本構造

ホストコンピュータ(Host Computer)・・・処理能力を持ち、ネットワークを通じて処理やサービスを別のマシンに提供するコンピュータの事

インターフェイス

SSDハードディスクドライブ(HDD)の代替記憶装置として登場しており、多くがSATAなどHDD同様のインタフェースを持ちます。

SATA

SATA(Serial Advanced Technology Attachment : 連続的な先進技術的付属物)
コンピュータ

  • HDD
  • SSD
  • 光学ドライブ

を接続する為のインタフェース規格

SATA

M.2

コンピュータの内蔵拡張カードのフォームファクタと接続端子について定めたインタフェース規格

フォームファクタ(Form Factor)・・・コンピューティングにおける主要システム部品の物理的寸法を指定したもの

M.2

PCI Express

PCI(Peripheral Component Interconnect:周辺装置を構成している配線)

2002年にPCI-SIGによって策定されたI/Oシリアルインタフェース規格

PCI Express

USB接続SSD

USB(Universal Serial Bus)
コンピュータ等の情報機器に周辺機器を接続するためのシリアルバス規格の1

USB接続SSD

USB接続SSD

SSDコントローラ

SSDコントローラの主な役割として

  • NAND型フラッシュメモリの制御
    SSDコントローラ

      1. 消去動作
      2. 書き込み動作
      3. 読み出し動作

      の制御

    • 論理アドレスと物理アドレスの交換
    • ウェア・レベリング(wear levelling)・・・
      NAND型フラッシュメモリには書き換え回数に寿命があり、特定メモリセルへのアクセスが集中するとそのメモリセルの寿命が短くなります。
      そこでアクセスするアドレスを拡散して、見かけ上の寿命を延ばす工夫がされています。
    • エラー訂正・・・
      NAND型フラッシュメモリ

      • 消去
      • 書き込み

      を繰り返すと

      1. 徐々に性能が悪化
      2. データを保持できる時間が短縮
      3. 同じセルのデータを繰り返し読み出すことでもエラーが増加傾向

      になります。
      エラーからデータを守るために、SSDではNAND型フラッシュメモリへの書き込みデータに加えて、

      • エラー訂正のための生成データ書き込み
      • 読み出し時にはこのエラー訂正データを使ったエラー訂正する仕組み

      が備えられています。

    • 不良ブロック管理・・・
      エラーが発生し、

      • 読み出し
      • 書き込み

      が行えなくなった記録領域を管理リストに登録し、二度と使用しないようにする機能

    • 消去回数の管理・・・
      各ブロックの消去回数を記録、ウェアレベリング処理では消去回数の少ないブロックを優先的に消去して書き込み処理に使うことで、NAND型フラッシュメモリ全体の寿命を延ばす仕組み
  • バッファメモリの制御
  • ホストコンピュータとのインターフェイス

バッファメモリ

キャッシュ用のDRAMが組み込まれています。

DRAMに関する記事はこちら

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NAND型フラッシュメモリ

半導体記憶装置の一種で

  • 不揮発性
  • 記憶容量当たりの単価が半導体記憶装置の中で最も低コスト

が特徴です。

不揮発性に関する記事はこちら

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フラッシュメモリの基本構造

フラッシュメモリの基本構造は、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor)のうち、MOS・FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)と呼ばれるトランジスタを基本にしています。

電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor)・・・スイッチのオン・オフをゲート電極に電圧をかける事でチャネル領域に生じる電界によって自由電子または正孔の濃度を制御し、

  • ソース電極
  • ドレイン電極

間の電流を制御するトランジスタ

自由電子正孔に関する記事はこちら

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FET(Field Effect Transistor)には

  • ゲート
  • ソース
  • ドレイン

の主な3種類の端子があります。

電界効果トランジスタ

MOS・FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)・・・
電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor)の一種。
MOS・FETは、通常P型半導体であるシリコン基板上に作成されます。

P型半導体であるシリコン基板上のゲート電極にシリコンの酸化絶縁膜とその上にゲート金属を形成し、ドレイン電極・ソース電極間には高濃度の不純物をイオン注入し、N型半導体にします。

MOS・FET

N型半導体・P型半導体に関する記事はこちら

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フラッシュメモリのデータを記録する最小単位をメモリセルと呼びます

フラッシュメモリのメモリセル

メモリセル

  • P型半導体
  • P型半導体の上にN型半導体
    • ドレイン電極(Drain)
    • ソース電極(Source)
  • P型半導体上にトンネル酸化絶縁膜で挟んだフローティングゲート(Floating-gate)
  • コントロールゲート(Control-gate)

で構成されています。

フラッシュメモリのメモリセル

コントロールゲートに電圧が加わるとドレイン電極ソース電極間に電流が流れます.

ドレイン電極ソース電極間に電流が流れ始めるときのゲート電圧を「閾値電圧」と呼びます

フラッシュメモリでは,

  • フローティングゲート中に電荷が存在する
    (ドレイン電極ソース電極間に電流が流れない) ➡️ 2進数のデータ 0
  • フローティングゲート中に電荷が存在しない
    (ドレイン電極ソース電極間に電流が流れる) ➡️ 2進数のデータ 1

と定義しています.

フラッシュメモリのメモリセル

2進数に関する記事はこちら

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記録方式の技術

記録方式の違いで、

  • SLC型
  • MLC型
  • TLC型

に分かれています。

SLC
(Single Level Cell)
MLC
(Multiple Level Cell)
TLC
(Triple Level Cell
1セル当たりの格納データ 1 ビット 2 ビット以上 3 ビット
書き換え回数 90,000100,000 8,00010,000 3,0005,000

フラッシュメモリの基本動作

フラッシュメモリの基本動作には

  • 読み出し
  • 書き込み
  • 消去

が、あります。

フラッシュメモリメモリセル

  • DRAM
  • SRAM
  • HDD

の様に、上書き(オーバーライト:Over Write)が出来ません。

データを書き換えるためには

  1. 消去
  2. 書き込み

の順に行なう必要があります。

フラッシュメモリの消去
  • ドレイン極
  • ソース極

に電圧を印加することでフローティングゲート内の自由電子を追い出します。

フラッシュメモリの消去

フラッシュメモリの書き込み
  • 2進数0を書き込む場合・・・
    コントロールゲートに電圧を印加することで、トンネル酸化膜を突き破って自由電子フローティングゲートに蓄えられます。

  • 2進数1を書き込む場合・・・
    何もしません。

フラッシュメモリの書き込み

フラッシュメモリの読み出し

データの読み出しはコントロールゲートに一定の電圧を掛けて、ソース極からドレイン極に流れる電流を読み出します。

  • データ ➡️ 0・・・フローティングゲートに電子が蓄積されていればソース極・ドレイン極間には電流が流れにくい
  • データ ➡️ 1・・・フローティングゲートに電子が蓄積されていなければソース極・ドレイン極間には大きな電流が流れる

この違いを検出してデータが2進数0であるか1なのかを判定します。

フラッシュメモリの読み出し

SSD(Solid State Drive)の基本動作

SSD(Solid State Drive)の基本動作

  1. ホストコンピュータからインターフェイスを介してSSDに送信されたデータは、SSDコントローラを通して一度、バッファメモリに格納されます。

    SSD(Solid State Drive)の基本動作

  2. 全てのデータがバッファメモリに書き込まれると、SSDコントローラホストコンピュータにデータの書き込みが完了した事を信号で送ります。

    SSD(Solid State Drive)の基本動作

  3. バッファメモリに蓄えられたデータは適切な速度で、SSDコントローラを通じてNAND型フラッシュメモリに書き込まれます。

    SSD(Solid State Drive)の基本動作

  4. NAND型フラッシュメモリの読み出し動作は、書き込み動作に比べるとはるかに速いです。

    ホストコンピュータがSSDのデータを読み出すときは、NAND型フラッシュメモリからバッファメモリ経由で

    • データ誤りの検出
    • 訂正処理

    を行い、ホストコンピュータにデータを送信します。

    SSD(Solid State Drive)の基本動作

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