MakeUseOfのSolid State Drives 101へようこそ。 このガイドでは、最新かつ最高の大容量ストレージデバイスを取り上げます。

• 他の大容量記憶媒体と比較する。
• その仕組みを確認する。
• さまざまなタイプをご覧ください。
• 知っておくべき運用・保守の要素を強調する。

これがこのガイドに書かれていることのすべてです。

1 ソリッド・ステート・ドライブ入門

2 歴史を振り返る

ROMチップ|ハードディスク/ハイブリッドドライブ|フラッシュメモリ|最新型SSD

III. SSDの構造

バッテリーコントローラー

4 その他知っておきたいSSDのスペック

メモリタイプ|物理インターフェイス|論理インターフェイス|形状ファクター

5 子供の世話と食事の仕方

(デ)フラグメンテーション|プルーニングコマンド|OSサポート

6 ソリッド・ステート・ドライブは最高のアップグレードのひとつ

では、さっそく潜入してみましょうか。

1 ソリッド・ステート・ドライブ入門

コンピュータの大容量記憶装置は、パンチングカード（とその大敵である飛蚊症）の登場以来、格段に進歩した。コンピューター業界は、カセットテープを行ったり来たり、フロッピーディスクドライブをシングルライトのディスクに交換したりと、苦難の道を歩んできたのだ。現在では、固定式の大容量ハードディスクや書き換え可能なCD-ROMメディアなどの利便性を享受しています。

しかし、その間、ストレージの1つの形態であるRAMは常に高速化してきました。機械的にではなく、電子的にデータにアクセスすることができるのが強みです。大きな欠点は、マシンの電源が落ちると、保持しているデータをすべて失ってしまうことだ。また、1バイトあたりのコストも高くなります。しかし、永続的なストレージを、スピードと堅牢性の点でRAMに近づけることが、業界の長年の目標でした。

フラッシュメモリーの開発により、ハードディスクドライブ（hdd）の大容量・高耐久性とフラッシュメモリーの耐久性・高速性を兼ね備えたソリッドステートドライブ（ssd）が誕生したのである。ssdがどのように誕生したのか、技術的、ユーザーエクスペリエンスの観点から見てみましょう。

2 歴史を振り返る

ハードディスクドライブは、明らかに現代のソリッドステートドライブの母体の一つであるが、その血統は非メカニカルストレージにも負っているところがある。以下のすべてが、精神的にも技術的にも、今日のソリッド・ステート・ドライブに貢献しています。

2.1 ロムチップ

現在、私たちは通常、彼らのモバイルデバイスのフラッシュという文脈で、リードオンリーメモリ（ROM）という言葉を耳にします。機械式ハードディスクが一般的になるずっと以前から、コンピュータはマザーボード上のROMチップに格納されたコードから起動することができた。その名の通り、コンピュータはこのメディアからしかデータを読み取れませんでした。これは、プログラムを起動するための最初の「コマンドプロンプト」をロードするためである。このチップの容量が大きくなると、AmigaのWorkbenchのようなオペレーティング環境全体を収容できるようになりました。書き込みができないのでssdとは全く違いますが、非メカニカル媒体でオペレーティングシステムを実行するというアイデアを表現しています。書き込みができる最近のeepromでも、実行時に内容を変更することはできないので、やはり違いますね。

2.2 ハードディスク/ハイブリッドドライブ

ssdの開発には、hddが明らかに貢献しました。後者のほとんどは、現在も同じか類似のハードドライブ規格を使用しているからです。SATA（詳細は後述）のような接続タイプでは、古い機械式ドライブをより高速なものに交換するのが簡単なので、HDDからSSDへの切り替えも非常に簡単でした。AppleのFusionドライブのようなハイブリッド・ドライブは、通常のハードディスク・ドライブに高速ソリッド・ステート・ストレージを追加することで、その道をさらにスムーズにします。

フラッシュベースのストレージが登場した当初は、非常に高価なものでした。そのため、価格が高いだけでなく、スペースもほとんど確保できない可能性が高いのです。ハードディスクの大容量化とSSDの高速化を両立させるために、ベンダーは2つのアプローチをとっています。

• ソリッドステートを活用し、ハードディスクの容量を補うのも一つの方法です。これは、ユーザーがSSDとHDDの両方を購入し、最も合理的な場所にプログラムをインストールしたり、ファイルを保存したりする場合です（例えば、ビデオエディターなどのパフォーマンス重視のアプリケーションはより高性能なSSDに、テキストエディターなどの重要度の低いアプリケーションはHDDにインストールするなど）。また、メカニカルHDDとソリッドステートメモリーを搭載した2.5インチドライブなど、2種類のメモリーを同じ物理単位で組み合わせたデバイスもある。しかし、コンピュータやオペレーティングシステムから見れば、2つの独立したドライブであることに変わりはありません。
• あるいは、機械式と固体式のストレージを同じデバイスに搭載した、より完成度の高い例も上にありますが、一見すると1つのストレージデバイスのように見えます。これらのデバイスは、頻繁に使用するデータをドライブのSSD部分にキャッシュすることで、プログラムからより速く利用できるようにします。ドライブのコントローラハードウェア、オペレーティングシステム、またはその両方が、データの行き先を管理することができます。これにより、SSDのスピードとHDDの総合的な容量が得られます。

2.3 フラッシュメモリー

1980年代から21世紀初頭にかけて、リムーバブルメディアはhddとあまり変わらないものが多くありました。例えば、アイオメガの「ZIPドライブ」（実質的にはHDDに近い容量のフロッピーディスク）や、その他の書き込み可能なCD（磁気ではなく光学書き込みを使用）などがあります。ドライブやメディア、あるいはその両方に、何らかの機械的な内装が施されているものが次々に登場します。ポータブルコンピューティングが本格的に普及し始め、本格的なデジタルフォトが登場すると、より弾力性のあるメディアが登場するようになりました。コンパクトフラッシュ（CF）カードを皮切りに、ソニーメモリースティック、マルチメディアカード（MMC）、スマートメディア、エクストリームデジタル（xD）カード、セキュアデジタル（SD）シリーズが登場した。

これらは、一般消費者が容易に入手でき、コスト的にも実用的であった最初のフラッシュ型メモリである。しかし、デバイスに依存していたため、21世紀初頭に「サムドライブ」が登場すると、大きなアップグレードとなった。また、持ち運びができ、ほとんどのユーザーがその違いに気づかないほど高速で、最も重要なことは、どこにでもあるUSBポートを使用することでした。他のメディアの1MBあたりのコストには及ばないものの、安価で効果的なドキュメントの持ち運び手段であった。

2.4 モダンソリッドステートドライブ

最新のソリッド・ステート・ドライブがハードディスクやハイブリッド・ドライブに取って代わるのには、いくつかの理由があります。まず、スマート○○革命により、携帯性の要求が高まったこと。結局のところ、**でフルウェブを閲覧できるのであれば、軽くて便利なノートパソコンがあってもいいのでは？しかし、こうした携帯機に使われているメモリーも影響します。もしあなたの**が、煩雑でノイズの多い機械式ドライブや温度上昇なしに何GBものデータを保存できるなら、なぜノートパソコンで同じことができないのでしょう？

現在のSSDは、HDDと比較して以下のような明確な優位性を持っています。

• 動く機械部品がないため、ドライブへのデータの読み書きは電子的に行うだけで、動くアームよりはるかに高速です。
• これは、ドライブにダメージを与える可能性のある衝撃や落下に対する耐性が高いことも意味します。
• 可動部がないため、これらの部品に電力を供給する必要がなく、電池の寿命を延ばすことができます。
• 消費電力の削減は熱の減少を伴うため、マシンの性能向上やマザーボードの長寿命化に貢献します。

しかし、そのメリットをどのように伝えればいいのでしょうか。SSDの実際の仕組みはどうなっているのか？次章では、SSDドライブの内部構造とモデルごとの違いについて見ていきます。

III.ssdの解剖学

SSDドライブを開けると、機械式ハードディスクのようにピカピカのプラッターや繊細なアクチュエーターアームがあるわけではありません。その代わりに、いくつものチップを取り付けた基板があります。これらのチップには多くの部品が含まれていますが、SSDの仕組みを理解する上で鍵となる部品は2つあり、それはバッテリーとコントローラーです。詳しく見ていきましょう。

3.1 バッテリー

SSDの基本的な記憶単位はセルである。これは基本的に、電荷を保持することができるトランジスタを含む（多数の）区画を持つメモリチップである。この電荷を停電後も保持できることが、コンピュータのRAMと異なる点である。しかし、それ以外は似たようなものです。

各セルにはデータを表す小さな電荷があり、すべてのビットをまとめるとファイルができあがります。しかし、ハードディスクと同様に、これらの個々のビットは、ドライブの周囲の個々のセルに存在する場合があります（つまり、必ずしもすべての隣接するセルに存在するわけではありません）。ハードディスクも同じです。しかし、大きな違いは、機械式ヘッドがドライブの中を飛び回る必要がなく、単純にこれらのビットをすべて拾ってファイルにアクセスすることです。SSDコントローラーは電気信号でデータを素早く拾うことができるので、読み込み速度（と書き込み速度）がHDDよりはるかに速いのです。

下図は、SSDユニットが簡単なテキストファイル（"m "の文字を含む）を保存する様子を示しています。

3.2 コントローラー

コントローラは、充電の有無をゼロと解釈するか、実際に電池がデータを保存しているときの値として解釈する。また、ホストOSとのデータ交換も担当します。コントローラの中には、実際には下図のようにいくつもの機能が含まれています。

ほとんどの場合（電気技術者を目指すのでなければ）、コントローラはホストOSとメモリセルライブラリの間に位置し、両者の間でデータをシャッフルすることを知っていれば十分である。上記は、データがドライブ上の位置からお気に入りのアプリケーションに届くまでの流れを簡略化したものです。猫の動画を安全かつ効率的に保存するためには、多くの追加要素（ページやブロックの使用状況など）があります。マーチャントのコントローラーは、ユニークな機能や上に示したもののベスト版を提供することで付加価値をつけることができるところです。

しかし、SSDの性能を左右するのは、メモリの種類とコントローラだけではありません。次章では、ソリッドステートドライブのその他の特徴や仕様について掘り下げていきます。

その他、知っておくべきSSDの仕様4つ

SSD（またはSSDがプリインストールされたマシン）を検討する際には、SSDの性能とその価値を理解することが賢明です。以下では、ssdの主な特性、いくつかのオプションについて説明し、その長所と短所について述べます。

4.1 メモリの種類

上記の例では、メモリの種類を「フラッシュメモリ」、具体的にはNANDフラッシュとしています。NANDフラッシュは、SDカードなどのリムーバブルメディアや**やタブレットPCに使われているメモリと同じものです。実際、これらのモバイル機器の多くは、後で説明するフォームファクター固有のソリッドステートドライブを使用しています。もう一つの方法は、一般的なRAMモジュールと同じ技術を使ったDRAMベースのssdである。高性能である反面、非常に高価であり、また、電源喪失時にDRAMの内容が失われる問題の解決も必要である。(機械全体の電源が落ちているときや、電池を使用しているときにも電力を維持することで実現しています）。DRAMの主な用途は、サーバー、特に性能重視のアプリケーションに使用されます。あなたが遭遇する可能性のある機器に搭載されているSSDはNAND型である。

NAND型フラッシュSSDは、大きく分けて2つのセル形式を採用しています。1つ目は、1層分の電荷しか蓄えられない単層電池（SLC）。したがって、セルが充電されている場合は1ビット、充電されていない場合は0ビットの値に等しくなる。マルチレベルセル（MLC）ドライバーは、複数の充電レベルに対応することで、2ビットを記憶することができます。SLCやMLCほど一般的ではないが、第3のタイプとして、3ビットを記憶できるTLC（Tri-Level Cell）がある。SLCは支持層が1層しかないため、耐久性に優れています。MLCでは、実質的に記憶容量を2倍にすることができるので、その分安くなります。ただし、これらのセルには最大で2倍の書き込みが行われる可能性があり、ドライブがより早くなくなってしまうことを念頭に置いてください。

4.2 物理インターフェース

SSDを選ぶ際のもう一つのポイントは、システムとの接続方法です。モバイル端末の場合、選択の余地はないのです。ノートパソコン、タブレット、または**デザインの一部として、ベンダーは物理的なインターフェイスの1つを持つことになります。しかし、異なるインターフェイスを使用するデバイス間でトレードオフを行う場合は、やはり注意が必要です。コンピュータを自分で組み立てる場合、または既存のコンピュータのドライブをアップグレードする場合、以下の異なる接続が1つ以上利用できる場合があります。お持ちのケーブルやスロットによって、最適なSSDを購入することができます。

最近のハードウェアは、ストレージ（SSDを含む）に対して、主に2つのインターフェイスを提供しています。

• スループット速度が6Gbpsと比較的低いSerial ATA（SATA）。しかし、ほとんどのマザーボードには2つ以上搭載されているので、システム設計の際にある程度の柔軟性を確保することができます。例えば、OSとプログラムをSSDに置き、メディアストレージ用に大容量で安価なHDDを保存することができます。また、ホットスワップが可能なので、迅速なバックアップソリューションが必要な場合は、外付けSATAドライブは良い選択肢となります。
• 31.5Gbpsという極めて高速なスループットを実現するPCI Express（PCIe）。ただし、PCIeフォームファクタはマザーボード上の1スロットです。また、専用グラフィックカードもPCIeスロットを使用するため、落とす必要があるかもしれません。 PCIeカードのサブタイプは「レーン」の数で、レーンとは送信用と受信用の2つのレーンのことを指します。名前「x1」「x2」「x4」「x8」および「x16 "はカードに搭載されているレーン数を示します。下図は、上からx4、x16、x1、x16の4つのPCIeスロットを持つマザーボードです（最後のスロットは「レガシー」PCIスロットです）。レーン数が増えれば、より多くの同時転送が可能になりますが、その代償として、これらのレーンがすべて一杯になったときの消費電力は高くなります。小型機器向けには、「mini PCIe」もあります。

SSDと互換性のあるインターフェースには、他にファイバーチャネルとSAS（Serial Attached SCSI）がある。しかし、これらは巨大なドライブのプールをつなぎ合わせて一つのリソースのように見せるサーバー技術（例）である。サーバー管理者でない限り、これらの問題に遭遇することはまずないでしょう。

4.3 論理インターフェース

SATAやPCIeなどのインターフェイスは、ケーブルのハードウェア機能を定義する物理的なインターフェイスです。論理インターフェースは、ストレージデバイスがオペレーティングシステムに提供する機能の標準セットを定義します。これらの機能は、デバイスが提供しなければならないものであり、マーチャントが実際にどのように実装すべきかは規定されていません。

コンシューマー向けSSDシステムで使用される一般的な3つの論理インターフェイスを紹介します。

• ATAPI：ハードディスクやHDDのようなメディア用に開発された古い規格。
• AHCI：SATAバスを使用するデバイスのための新しい規格です。SSDにもメリットはありますが、回転するプラッターベースのメディア向けに設計されています。ssdの方が何かと効率が悪く、ボトルネックになります。
• NVMe：ソリッドステートドライブに特化した規格。複数のコマンドキューなどの属性を利用する。これは、コントローラーが1つの読み取り/書き込みコマンド（AHCIの場合）ではなく、複数の読み取り/書き込みコマンドを処理できることを意味します。

これは、お使いのデバイスの高度な技術的属性です。重要なのは、お使いのデバイスがPCIeベースのSSDを使用している場合、最適なパフォーマンスを得るためにはNVMeもサポートする必要があるということです。

4.4 フォームファクター

SSDを選ぶ際に最後に考慮すべきは、フォームファクターです。インターフェースと同様に、どのようなデバイスを購入するかが大きな影響を及ぼします。繰り返しになりますが、タブレットや携帯端末の場合、**マーチャントが出すものに引っかかるんです。ノートパソコンは同じかどうかはわかりません。ハードディスクに簡単にアクセスでき、交換できるモデルもありますが、その場合、必要なハードディスクのサイズを知っておくとよいでしょう。デスクトップはオプションがある場合があります。

PCIeモデルは「ドライブ」ではなく「カード」として提供され、見た目は他のカードと変わりません。底面にコネクターがあり、基板上にチップやダイオードなどがたくさん並んでいます。

これらのうち最も識別しやすいのは、HDDと同じフォームファクタを使用するドライブです。これらのSATAモデルは、モバイルとデスクトップ用に1.8インチ（下の写真の上から2番目）と2.5インチ（上から3番目）のサイズが用意されています。デスクトップは3.5インチドライブ（下段）搭載も可能です。

上図の一番上のドライブはmSATAフォームファクタを使用しています。これは、以下のように、より専門的な使用ケースに適したデバイスの例です。

• mSATAは、タブレット端末や超薄型ノートパソコンなどの機器に多く採用されているカード型フォーマットです。新しいM.2フォームファクターは、mSATA規格を進化させたもので、スペースを最大限に活用するために「ブレード」構成をより多く利用しています。上の画像は、mSATA（左）とM.2（右）のカードを並べたものです。
• モジュール型ドライブは、小型のSSDドライブを直接**マザーボードで使用できるように設計された筐体にパッケージしています（下図）。汎用のものではありますが、産業界の現場で使用されているような特殊なPCを対象としています。

市場に出回っているさまざまなSSDの違いはご理解いただけたと思います。もしかしたら、すでに購入された方や、搭載されている端末があるかもしれません。変更すべき点はありますか？正常に動作させるための特別な手続きはありますか？見てみよう。

5 子供の世話と食事の仕方

一般的に、通常のハードディスクに適用されることは、SSDにも適用され、良好に動作します。なるべくなら捨てないようにしましょう。濡らさないでください。過熱させないこと。

しかし、特別に気をつけなければならないことがあります。

瓦礫

上記のセクションで示したように、ssdの物理的な構造は、旧来のディスクベースのストレージとは大きく異なっています。そのため、ハードディスクのメンテナンスに必要なことが一部適用されない。その中で最もわかりやすいのがデフラグです。これは、保存されているファイルデータのブロック同士を近づけようとする処理です。ファイル内のブロックが近ければ近いほど、ロボットアームがそれらを読み込んでメモリ内でファイルを組み直すために飛び越える必要がなくなります。

ソリッドステートドライブは、確かにそのような機械的な腕を持っていません。そのため、SSDのデフラグが性能面でメリットをもたらすかどうかは疑問が残る。しかし、SSDのユニットは、故障するまでに一定の書き込み回数にしか耐えられないことも忘れてはなりません。MUOの著者の何人かがSSDのデフラグを推奨しているのは、このためです。それは理にかなっています。怪しげな利益を提供しても、ドライブを損傷する可能性があるのなら、なぜリスクを取るのでしょうか？

"Trim "コマンド

しかし、やるべきことは、TRIMコマンドを定期的に使うようにすることです。ハードディスクと同じように、OSからファイルを削除しても、ハードディスクにファイルが残っている場合があります。通常、そのセル内の値（電荷）は、他のファイルがそのスペースを必要とするまで残ります。しかし、ssdの特徴として、書き込む前に空でなければならない。言い換えれば、「書き換え」は実際には「消去書き込み」である。ファイル保存操作で、これらのセルをすべて消去してから書き込む必要がある場合。このため、時間がかかり、ドライブのパフォーマンスが低下していると感じられることがあります。

TRIMコマンドは、これらの「未使用」セルをすべて特定し、解放することで消去する。その意味では、SSD版の「ゴミ拾い」（使っていないセルの中身を消去する）、「安全な消去」（これらのセルを復元不可能にする）、「デフラグ」機能に近いものがあるとも言える。ドライブの動作を高速化するために、お客様（またはオペレーティング・システム）は定期的にTRIMを実行する必要があります。そのため、お使いのOSで適切なサポートがされているかどうかを確認する必要がありますが、これは次のセクションで行う便利なステップです。

オペレーティングシステム対応

SSDは標準的な物理インターフェースでマシンに接続されているため、最新のオペレーティングシステムは最初からSSDを認識しています。一方、PCIeドライブは、Linuxと同様に論理インターフェイスに基づいて表示される場合があります。myxps13のディスク印刷では、下図のようにNVMeベースのパーティションがはっきりと表示されます。(dev/nvmeと表示され、その後にパーティション番号が表示されます）。

最も重要なのはTRIMコマンドをサポートしているかどうかで、幸いにも最近のOSはサポートしています。 TRIMのサポートは実際にはファイルシステムの機能ですが、ファイルシステムのサポートはOSとそのカーネルに依存します。本節の冒頭の表は、オペレーティングシステムと、そのオペレーティングシステムと互換性のあるどのファイルシステムがTRIMをサポートしているかをまとめたものです。

SSDはノートPC、デスクトップPC、サーバーに最適なアップグレードの1つです。

このガイドで、古いハードディスクと比較した場合のSSDの多くの利点がお分かりいただけたと思います。MUOでは、SSDを「最高のアップグレードの1つ」と繰り返し紹介してきました。特に、検討したい理由としては、以下のようなものが挙げられます。

• このドライブにOSやプログラムをインストールすることで、起動時間やプログラムのパフォーマンスを向上させることができます。写真や音楽、文書などは、これまで使っていたハードディスクでそのまま保存できますのでご安心ください。
• 上記は、古いノートパソコンにも適用されます。また、バッテリーの持ちも良くなり、万が一落としてしまっても、より安全に保護することができます。ノートパソコンのドライブベイにアクセスできることを確認し、正しいフォームファクターとインターフェースを購入するようにしてください。
• 自宅や小さな会社でサーバーを運用している場合は、SSDの方がユーザーへのサービスが充実しています。特に、PCIeベースのドライブの複数のコマンドキューは、共有ファイルやアプリケーションへのアクセスに対する同時リクエストを処理することができます。

いかがでしょうか？あなたは「ずっと」タイプですか？それとも、まだ "冷たい "タスクを実行しているHDDの代わりにSSDを使用しているのでしょうか？以下のコメントで、そのすべてをお聞かせください。