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SSDはどのような仕組み?HDDより高速な理由や内部構造、データ消去の仕組みとは

SSDはどのような仕組み?HDDより高速な理由や内部構造、データ消去の仕組みとは

HDDに代わって、データの記憶媒体(ストレージ)としてSSDが主流になりつつあります。SSDはHDDよりも処理が高速で、消費電力も少ない点などが大きなメリットです。では、SSDは実際にどのような仕組みで動作し、高速な読み書きや少ない電力消費を実現しているのでしょうか。この記事では、SSDが高速で動作する理由やその内部構造、データを消去する際の仕組みなどについてご紹介します。

SSDがHDDより高速な理由

HDDは「プラッタ」と呼ばれる円盤を回転させながら、プラッタに磁気ヘッドを近づけることでデータの読み書きを行っています。円盤を回転させるためのモーターなど駆動部品があることが、HDDの発熱や駆動音の主な原因です。

その一方でSSDは、USBメモリやSDカードなどと同様に半導体メモリと呼ばれるストレージの一種です。内蔵されたフラッシュメモリにデータを読み書きしていて、物理的な駆動部品がないため、小型化や静音化、処理の高速化を実現しています。

SSDの内部構造

駆動部品を持たないSSDは、どのようにしてデータをメモリに保存しているのでしょうか。ここでは、SSDの内部構造について詳しくご紹介します。

NAND型フラッシュメモリ

SSDの内部にある、データを保存する部分がフラッシュメモリです。フラッシュメモリには「NOR型」と「NAND型」の2種類ありますが、SSDでは「NAND型」が使用されています。また、NAND型フラッシュメモリも、1セルに何ビットの情報を保存するかによっていくつかの種類があります。

1セルあたり1ビットのデータを保存する場合は「SLC」、2ビットなら「MLC」、3ビットでは「TLC」と呼ばれ、SLCは耐久性が高いものの容量が少なく高価です。その一方で、TLCは大容量で安価ですが、耐久性能はSLCよりも劣ります。

コントローラー

SSDは、コントローラーという部品を介してデータ読み書きなどのアクセス制御を行っています。先に述べたNAND型フラッシュメモリには書き換え回数の上限があり、特定のメモリばかりで書き込みを行っていると、NAND型フラッシュメモリの寿命が縮まる原因になります。

そのため、SSDのコントローラーは「ウェアレベリング処理」を行い、データを複数のメモリに分散して書き込ませることで、NAND型フラッシュメモリの寿命の短縮を回避しているのです。

また、NAND型フラッシュメモリは消去や再書き込みを繰り返すことで性能の劣化を招いてしまいますが、性能が劣化したことにより発生するエラーからデータを守るための補正機能も、コントローラーには備わっています。つまり、SSDの寿命やデータ通信の速度は、搭載されたコントローラーの性能に左右されるといえるでしょう。

キャッシュメモリ(DRAM)

キャッシュメモリ(DRAM )とは、データの管理情報の保管や一時的なデータキャッシュを受け持っている部品です。実は、NAND型フラッシュメモリ単体で見ると、データの書き込み処理はそれほど高速ではありません。キャッシュメモリに一時的にデータを保存しておくことにより、さらなる書き込み処理の高速化が行われています。ただし、 キャッシュメモリを持たないタイプのSSDもあります。

インターフェース

インターフェースとは、SSDとパソコンのマザーボードを接続する部分のことです。「SATA」や「mSATA」など、複数の規格が存在します。

SSDのデータ消去の仕組み

SSDがHDDと異なる点の1つに、直接データを書き換え(上書き)できないことが挙げられます。しかし、書き換えが行えないのであれば、SSDはどのようにデータの消去や上書きを実行しているのでしょうか。ここでは、SSDのデータ消去や上書きの仕組みについてご紹介します。

ブロック単位でのデータ消去が基本

SSDではデータの書き込みや読み込みは「ページ」という単位で実行していますが、データの消去はページが複数集まった「ブロック」という単位で実行しています。つまり、書き込みと消去で単位が異なるので、元の場所に新しいデータを上書きできないのです。

そのためSSDではデータを消去する際、ブロック内のデータをいったん他のブロックへコピーしてから、元のブロック全体のデータを消去するという方法がとられています。このような複雑なデータ消去をするのは、コントローラーの項目でご紹介した、寿命低下を防ぐためにデータを書き込むメモリを分散させる、ウェアレベリング処理が理由です。

Trimコマンドを使用すれば読み書きの速度を向上できる

SSDのデータの上書き方法は複雑です。そのためデータを削除するには時間がかかるうえ、コントローラーの作業量が増えることで速度低下を起こす場合もあります。

データ削除の際の速度低下を防ぐには、あらかじめ自動的に空きブロックを作っておく「Trimコマンド」の実行が有効です。ただし、Trimコマンドを実行するとSSD内のブロックに残っている削除データは不要とみなされ、完全消去されてしまいます。そのため、間違ってデータを消してしまった際にデータが復旧できなくなる点には注意が必要です。

まとめ SSDの仕組みを知って商品選びに活かそう

SSDの内部パーツはそれほど多くはありませんが、データ消去など動作の点では複雑な処理もあり、分かりにくい部分も多いです。しかし、データの書き込みが高速な理由や内部構造、データ消去の仕組みなどを知ることで、SSDを選ぶ際に決め手を見つけやすくなります。SSDの細かい仕組みを理解し、使い道や目的に合ったSSDの商品選びに役立ててください。

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