補助記憶装置であるSSDの仕組み(構造・動作)について




補助記憶装置であるSSDの仕組み(構造・動作)について

SSD(Solid State Drive:ソリッド・ステート・ドライブ:以降SSDと呼ぶ)はコンピュータの固体記憶装置の一つです。

コンピュータは

  • 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いる一方で、CPUから遠くに位置する記憶装置は

  • 低速な命令・データの転送
  • 大容量

という特徴を持っています。

コンピュータの記憶階層

CPU・レジスタに関する記事はこちら

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この記事では、補助記憶装置であるSSDの

  • 基本構造
  • 基本動作

それぞれについて説明、最後に人気SSDを見ていきます。

SSDの基本構造

SSDの基本構造

SSD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

になります。

SSDの基本構造

SSDの基本構造

ホストコンピュータ・・・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

インターフェイス

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

SSDのインターフェースには

  • SATA
  • M.2
  • PCI Express
  • USB接続SSD 等々

があります。

SATA

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

  • HDD
  • SSD
  • 光学ドライブ

を接続する為のインタフェース規格になります。

SATA

M.2

M.2は、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になります。

フォームファクタとは、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です。

M.2

PCI Express

PCI(Peripheral Component Interconnect:周辺装置を構成している配線)とは、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になります。

PCI Express

USB接続SSD

USB(Universal Serial Bus)とは、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一つです。

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には

  • NAND型フラッシュメモリの制御
  • 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

があります。

NAND型フラッシュメモリの制御

SSDコントローラ

NAND型フラッシュメモリの動作には

  • 消去動作
  • 書き込み動作
  • 読み出し動作

があり、これをSSDコントローラによって制御します。

また、SSDコントローラは

  • 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 leveling)
  • エラー訂正
  • 不良ブロック管理
  • 消去回数の管理

も行なっています。

ウェア・レベリング

ウェア・レベリング(wear leveling)では、書き換え回数に寿命があるNAND型フラッシュメモリの特定メモリセルへのアクセスを拡散する働きをしています。

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るため、アクセスするアドレスを拡散する事で、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は

  • 消去
  • 書き込み

を繰り返す事で

  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。

SSDでは、エラーからデータを守るために、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

不良ブロック管理とは、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になります。

消去回数の管理

消去回数の管理では

  • 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用

する事で、NAND型フラッシュメモリ全体の寿命を延ばしています。

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

NAND型フラッシュメモリは、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。

フラッシュメモリに関する記事はこちら

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SSDの基本動作

SSDの基本動作

SSDの基本動作を一連の流れを通して見ていきます。

  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コントローラは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

人気SSD

人気SSD

2020年6月時点における人気SSDベスト3は

  • MX500 CT500MX500SSD1/JP
  • MX500 CT1000MX500SSD1/JP
  • WD Blue SN550 NVMe WDS500G2B0C

になります。

MX500 CT500MX500SSD1/JP

スペック
メーカーcrucial(クルーシャル)
容量500GB
規格サイズ2.5インチ
インターフェイスSerial ATA 6Gb/s
タイプ3D TLC NAND
設置タイプ内蔵
厚さ7 mm
読込速度560 MB/s
書込速度510 MB/s

MX500 CT1000MX500SSD1/JP

スペック
メーカーcrucial(クルーシャル)
容量1TB
規格サイズ2.5インチ
インターフェイスSerial ATA 6Gb/s
タイプ3D TLC NAND
設置タイプ内蔵
厚さ7 mm
読込速度560 MB/s
書込速度510 MB/s

WD Blue SN550 NVMe WDS500G2B0C

スペック
メーカーWESTERN DIGITAL(ウエスタンデジタル)
容量500 GB
規格サイズM.2 (Type2280)
インターフェイスPCI-Express
タイプ3D NAND
設置タイプ内蔵
厚さ2.38 mm
読込速度2,400 MB/s
書込速度1,750 MB/s

以上、

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