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SSD完全攻略マニュアル
聞き手、文:北川達也
SSDの速度は? 信頼性は? 寿命は?
開発の現場から最新事情をレポート
image HDDに代わるストレージとして注目を集めるSSDだが、速度について、寿命についてと、疑問はつきない。そこで、NANDメモリ製造メーカーとしてだけでなく、HDDとSSD両方の開発、製造を手がける東芝に、SSDについてのさまざまな話をうかがった。
ランダムアクセスとレスポンス時間が性能と寿命に大きな影響を与える
 SSDで注目される点は、その速度や寿命ではないだろうか。まずは性能の指標となるシーケンシャルアクセス速度やランダムアクセス速度について聞いてみた。

 「シーケンシャルアクセス速度は、NAND型フラッシュメモリの速度が決まっているため、実際のところメーカー間で大きな差が出ることはありません。メモリチップの速度よりも並列度がSSDの速度を大きく左右するからです」(白井氏)と語られるように、シーケンシャルアクセス速度は、並列度しだいというわけだ。現在のSSDは、10チャンネル以上の並列アクセスが一般的で、ベンチマークの結果からもメーカー間の性能差が大きくないことが確認できる。

 しかし一方、ランダムアクセス速度は制御手法によって差が出る部分となる。「ファームウェアのチューニングやコントローラの設計方針によって、性能は大きく変わってきます」(白井氏)と語られるように、ここがメーカーの腕の見せどころというわけだ。

 「現状のSSDは、瞬発力型と継続性能重視型に大別できます。瞬発力型は、既存のベンチマーク向けには有利で、継続性能型は長期使用に有利です」(白井氏)とのこと。ここで注目したいのは、ランダムアクセスの性能とSSDの寿命の長さがリンクしてくることだ。「SSDの寿命を決める要素として、NAND型フラッシュメモリの書き換え回数に注目が集まっていますが、“制御方式”によって、数倍から数百倍の大きな差が出ることがあります。たとえば長寿命化のために、書き込みに対して書き換え回数を半分に減らすように制御してしまえば、書き換え可能回数が倍になるような効果は得られます。しかし代償として、ある程度のレスポンス時間のバラつきが出てくるのです」(菅野氏)と語る。これは、書き込み履歴を分析してから実際の書き込みを行なうことで、書き換え回数を低減できるからだ。この履歴の分析の精度は、「最大レスポンス時間の長さにほぼ比例する」(菅野氏)とのこと。つまり、長めのレスポンス時間を許容することで、ランダムアクセス性能は犠牲になるものの、SSDの長寿命化を図ることが可能となるのだ。

 ただし、長いレスポンス時間が連続して発生するような状況は避けなければならない。「プチフリという現象は、要するに長いレスポンス時間が継続的に続いている状態です。弊社のSSDでは、複数コマンドの書き込みを一度にまとめて行なうので、その際に長いレスポンス時間が発生することがあります。ただし、この場合には前後のコマンドのレスポンス時間は必ず短くなるため、長いレスポンス時間が継続するという問題は起きないようになっています」(菅野氏)。
image
株式会社東芝 セミコンダクター社
メモリ事業部
SSD応用技術部
SSD応用技術第二担当
メモリ事業部
SSD開発部
SSD設計担当
メモリ事業部
SSD応用技術部
SSD応用技術第二担当
白井隆雄氏 菅野伸一氏 長島良樹氏
東芝が手がけるSSDのチューニング方針は継続性能を重視
image 「弊社のSSDは、長期間快適に使っていただけることを目標に設計しています」(菅野氏)と語られるように、同社のSSDはこの設計方針のもと、「数百人規模のユーザーのアクセスパターンサンプルを収集し、それをもとに制御アルゴリズム開発を行なっている」(白井氏)と言う。さらに、「フラグメント(断片化)発生に強いこと。書き換え処理の効率化による全体的な書き換え回数の削減による長寿命化。最新のNAND型フラッシュメモリの技術を適用し、大容量化を進めていくこと」(長島氏)といった辺りを主要な強化ポイントとしている。

 「フラグメント発生に強いこと」というのは、つまり長期間使用しても速度が落ちにくいということである。「長期間使用していると、ディスクの中にたくさんフラグメントが発生するという状況になります。すると、一つのファイルを書き込む際に飛び飛びの領域にアクセスするというケースが出てきます。弊社の製品は、この状態で使用しても速度が落ちにくくなっています」(菅野氏)。

 「書き換え回数の削減」については、「プチフリ現象のもととなる、長時間の極端なアクセス速度の低下が連続して発生しないように考慮しつつ、適切な分析時間を取り、書き換え回数の削減を行なっています」(長島氏)とのことだ。これは、フラグメント発生に強いということにも関連する。

 「大容量化」については、同社が他社に先駆けてBGAタイプ(ICチップの基板への実装方法。実装面積の省スペース化が可能)のNAND型フラッシュメモリを採用し、256GBと512GB品では、内部にNAND型フラッシュメモリを「8積層」したチップを搭載する。64GBから128GB品までとの違いは、搭載チップの積層数のみである。「BGAタイプは、実装面積が稼げるというメリットがあります。従来のTSOPタイプなら両面実装しなければいけないところをわれわれは片面ですませることができます。そして両面使えば、倍の容量が実現できるのです」(菅野氏)。
書き換え回数と高速化の微妙な関係 SSDの今後の動向について
image SSDは速度への関心とともに、寿命への関心も高い。MLCチップでは、一般論として書き換え回数は1万回程度と言われているが、実際にはどれぐらい書き換えられるのだろう。「データ保持期間の短縮など、信頼性の低下を度外視すれば、物理的に4万回程度であれば書けるものが存在しても不思議ではないです。たとえば、SLCの書き換え回数は10万回と言われていますが、10万回に達した瞬間に壊れるわけではありません。書き換え回数というのは、規定のデータ保持期間などの信頼性要件を達成できる、保証の範囲を示している数値なのです」(長島氏)。

 寿命に関連して、実際に書き換え回数の限界に達したらどうなるのだろうか。「安全のために弊社のSSDは、あらかじめ準備された予備エリアがなくなり、実際に書き込める容量がドライブ公表値を下回る寸前になった場合には、リードオンリーモードに移行するようになっています」(白井氏)とのこと。これで、最悪の場合でもユーザーはそこまでのデータを失うことがない。

 「また、データの保持期間を短くしてよいという条件なら、NAND型フラッシュメモリ単体のリード/ライト速度を上げることもできます」(菅野氏)という話も興味深い。「データを確実に保持するという意味での精度を上げようとすると、リード/ライト速度は遅くなります」(菅野氏)ということだ。

 Windows 7で話題となっているTrimコマンドについては、東芝としては次の製品からの対応を予定していると言う。ただし、「弊社の場合はTrimコマンドで得られる効果のかなりの部分をすでに実現できているので、Trimコマンドによる性能向上はあまりないと考えています。また、TrimコマンドはSSD内部にある“特殊な構造”が存在することを前提としたものなので、市場のSSDの中には、まったく効果が得られないケースもあり得ます」(菅野氏)とのことで、Trimコマンドへの過度の期待は禁物のようだ。

 進化著しいSSDだが、その一方で消費電力の増大という課題もある。「速度を上げるためにNAND型フラッシュメモリの並列アクセス数を上げると、比例的に電力を消費します。さらなる高速化のためには、PCの電源自体のスペックを気にする必要が出てくることになるでしょう」(白井氏)とのこと。

 SSDはファームウェアのアルゴリズム以外にも、速度と寿命の微妙なバランスが存在する。そのサジ加減もメーカーの腕の見せどころになるだろう。「弊社は、SDメモリーカードやスマートメディアなど、記録メディアに対する長年にわたる積み重ねがあります。そういう意味では、世界でもっとも経験を積んでいるメーカーの一つと言えるでしょう。今後もその経験を活かし、製品の開発を行なっていきたいです」(菅野氏)と語ってくれた。
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