ソリッドステートドライブ（SSD）は企業のデータ読み書き速度を高め、重要なアプリケーションを支える能力を向上させます。データセンターでは、ディスクベースのストレージアレイやサーバーストレージサブシステムによってパフォーマンスが低下するエンタープライズワークロードに対する解決策となります。ハイブリッドアレイやオールフラッシュアレイの人気と普及が高まるなか、SSDストレージは非常に高い入出力性能を必要とする負荷の高いワークロードに対応します。SSDには、消費電力が少なく、データセンターのエネルギー予算を抑えられるという利点もあります。本稿では、SSDのメリットとデメリットを企業向けに解説します。
SSDとは？
SSDは、可動する機械部品を持たず、フラッシュメモリとコントローラーを搭載したストレージデバイスです。一部のSSDは、HDDの代替製品として販売されているため、ハードディスクドライブと同じ外形フォームファクターを使用します。HDDの代替製品として販売されているため、既存のほとんどのストレージアレイと同じ物理的制約内に収まり、工場やデータセンターのレベルで大規模な再設計を行う必要がありません。
ソリッドステートドライブは、電力を供給する電気回路上のゲートの一種であるNANDフラッシュまたはNORフラッシュを使用します。本稿では、NORよりもはるかに広く使われているNANDフラッシュに焦点を当てます。
NANDはSSDメディアに限られません。メモリセルアーキテクチャは、SSDに搭載したり、サーバーなどのデバイスに直接組み込んだりできる基板にも使われています。それでも、NANDフラッシュの大半は、エンタープライズ向けの不揮発性フラッシュメモリストレージの中核を構成するストレージアレイ内のソリッドステートドライブを介して提供されます。
フラッシュとSSDは同義ではありません。NANDフラッシュメモリは不揮発性ストレージの一種で、外部電源の有無にかかわらず、シリコンメモリチップにデータを永続的に保存します。また、SSDはNANDフラッシュだけに限られません。揮発性のダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）などのメモリ技術も搭載します。
SSDには可動部品がないため、動作音が大幅に小さく、アクセス時間も短くなります。SSDはハードディスクドライブと比べて、全体的な消費電力も少なくなります。
SSDの仕組み
SSDは、基板に組み込まれたメモリセルアレイに情報を保存します。メモリセルは基本的に、フローティングゲートを備えたトランジスタです。各トランジスタには2つのゲートがあります。1つは電流を流し込むソース、もう1つは電流を排出するドレインです。メモリセルはスイッチとして機能し、ソース端子とドレイン端子の間の電力の流れを制御します。
フローティングゲート（FG）トランジスタと呼ばれる半導体は、外部電源に接続されているかどうかにかかわらず、メモリセルに電荷を生成します（時間の経過とともに、電源を切ったSSDは電力が漏れます）。FGから十分な電荷が供給されている限り、データの完全性は維持されます。
メモリセルには、1セル当たり1ビット以上を格納できます。シングルレベルセル（SLC）では、制御ゲートがフローティングゲートに電子が蓄積されているかどうかを検知します。制御ゲートはその結果に応じて、0または1のバイトを記録します。マルチレベルセル（MLC）も同様に動作します。
SSDには、相互接続されたメモリセルと基板だけでなく、SSDコントローラーとも呼ばれるフラッシュコントローラーも搭載されています。コントローラーは、デバイス自体との接続に加え、エラー訂正や圧縮などの追加機能も管理します。
SSDのメリット
比較するとソリッドステートドライブとハードディスクドライブ、SSDの優位性は明らかです。速度、エネルギー効率、耐久性が向上します。
高いパフォーマンス
最速クラスの毎分15,000回転のハードディスクドライブでも、NANDフラッシュSSDの性能にはかないません。NVMe（Non-Volatile Memory Express）ベースのSSDの最高速度は、ハードディスクドライブの20～40倍に達することがあります。その理由は物理的なものです。機械部品が常に動作するハードディスクドライブは、機械部品を持たないSSDよりも早く故障します。SSDは機械式アームや読み取りヘッドの代わりに、電気を使ってデータストレージへの応答を生成します。パフォーマンスが高速になれば、起動時間の短縮、データ移動の高速化、帯域幅の向上につながります。
消費電力の削減
HDDの可動する機械部品は、SSDのメモリセルを流れる微小な電流よりも多くの電力を必要とします。またSSDは、データセンターで何百枚もの回転ディスクが発生させる大量の熱の蓄積も避けられます。そのため、HVACや温度管理への大規模な投資が不要になります。
これは、複数の大規模データセンターを持つ組織にとって特に有益です。データセンターの維持には保守とエネルギーが必要ですが、それらを可能な限り削減すればコストを抑えられるだけでなく、企業全体のサステナビリティも向上します。
相応の耐久性
SSDとHDDでは耐久性が異なります。HDDの機械部品やドライブ表面はSSDよりも環境要因による損傷を受けやすい一方、新しい技術によって、物理的な落下に耐えられる耐衝撃性を備えたハードディスクドライブも登場しています。またSSDは、データ漏洩なしに長期間電源を切っておくことはできませんが、電源を切ったHDDは、環境が管理された状態であれば数十年にわたって使用できます。
しかし、コントローラーにストレージインテリジェンスが加わったことで、SSDの耐久性は向上しています。これらの技術は、データの漏洩や破損からドライブを保護します。エラー訂正符号（ECC）、ガベージコレクション、読み取り・書き込みキャッシュなどがその例です。
詳しくは最適なNVMe SSDをご覧ください。
SSDのデメリット
SSDには多くのメリットがありますが、完璧ではありません。ハードディスクドライブと比べて、コストが高いこと、ストレージ容量が限られること、消去可能なライフサイクルが短いことなどがデメリットです。
全体的に高いコスト
SSDの1GB当たりの価格はここ数年で大幅に下がりましたが、HDDの価格も下落しています。それでも、フラッシュドライブの価格は十分に下がり、高いパフォーマンスがコストに見合うようになりました。重要なのはパフォーマンスです。ハードディスクドライブによってトランザクションデータベースなどの負荷の高いアプリケーションの処理速度が低下しているなら、安さを理由にハードディスクドライブを購入するのは、結果的に不経済です。
価格は実際には個々のハードウェアによって大きく異なる点に注意してください。エンタープライズ向けアーカイブ用に設計された大容量・高品質のハードディスクドライブは、PC向けに設計された低価格のNVMe SSDよりもはるかに高価になる場合があります。
低いデータストレージ容量
NAND SSDの容量がHDDに遅れを取っているのは、NANDのメモリセルへの書き込みに制限があるためです。基板上のメモリセルが多いほど、SSDの密度は高くなります。しかし、平面型（二次元）NANDは、セルが故障し始める前に保持できるメモリセル数に限界があります。
これを受けて研究者は、メモリセルを水平方向だけでなく垂直方向にも積み重ねた3D NANDを開発しました。これにより3D NANDは、より高密度、低消費電力、優れた耐久性、高速な読み書きを、GB当たりの低コストで実現できます。こうした改善により、メーカーはSSDのストレージ容量を増やせるようになりました。
しかし全体として、エンタープライズ向けのハードディスクドライブは通常、より大容量です。最大20TBを搭載できるのに対し、高品質なNVMeドライブは通常、最大でも約8TBです。
HDDより短いライフサイクル
SSDは故障するまでの書き込みサイクルが、HDDよりも大幅に限られています。主な理由は、SSDでは既存のブロックを上書きできず、まずブロックを消去してから新しいデータを書き込む必要があるためです。この処理は最終的にメモリセルの完全性に影響します。NANDの最大書き込み回数は、セル当たりのビット数によって異なります。
- シングルレベルセルNANDフラッシュ — 50,000～100,000回の書き込みサイクル
- マルチレベルセル — 3,000回の書き込みサイクル
- eMLC（エンタープライズMLC） — 10,000～30,000回の書き込みサイクル
- トリプルレベルセル — 300～1000回の書き込みサイクル
- 3D NAND — 1500～3000回の書き込みサイクル
アーカイブメディアとして不向き
企業はデータアーカイブにアクセスし、分析し、収益化できることを求めています。SSDは書き込みサイクル数が限られているため、アクティブアーカイブや同じデータセットに対する繰り返し分析には適していません。アクティブアーカイブの目的は必要なときにデータへアクセスできることですが、これではメモリセルが耐えられる書き込みサイクル数を超えてしまいます。
さらに、高速SSDは長期ストレージとして実用化するには高価すぎることが少なくありません。ハードディスクドライブは全体的なコストが低く容量も大きいため、コールドアーカイブにはより適しています。
SSDへの投資は価値があるか？
SSDはストレージ環境、特に重要なワークロードにメリットをもたらしますが、ストレージメディアの購入価格を押し上げ、ハードディスクドライブのメディアよりも頻繁なSSD交換が必要になる場合があります。SSDは、追加の時間とコストをかける価値があるのでしょうか？
高性能環境では、価値があります。一部のSSDフォームファクターはHDDと同じであるため、ディスクをSSDに置き換えても、必ずしも大規模なテクノロジー刷新になるわけではありません。また、SSDは高性能化と低価格化が進んでいるため、データセンターにおいて引き続き大きなメリットをもたらします。
これらのメリットとデメリットを踏まえると、SSDは、高トランザクションデータベース、Webストリーミング、仮想デスクトップインフラストラクチャ（VDI）のような高密度環境など、負荷の高いエンタープライズワークロードに最適です。特にビジネスをNVMeベースのドライブに移行する場合は、相当な時間の投資が必要になることがあります。しかし、企業にとって最も重要なアプリケーションの迅速なデータアクセス要件をより適切に支えられるため、その価値は十分にあります。
結論：企業向けSSD
SSDはアクセス時間が短く、データにより速くアクセスできるため、重要なアプリケーションのパフォーマンスを向上させます。エネルギー効率が高いことで、データセンターの生産性も向上します。特定のSSDはすべてのストレージ環境に適しているわけではありませんが、複数のシステムにメリットをもたらします。迅速なアクセスが必要なアプリケーションと、アーカイブストレージが必要なアプリケーションを慎重に検討してください。そうすることで、どの環境にSSDが必要かを判断できます。
さらに、ストレージ環境ごとに最適なSSDを検討してください。安価なSSDは手頃な価格で大量購入できる一方、最も重要なアプリケーションを支えるために、少数の高品質で高価なドライブを購入したい場合もあるでしょう。長い間、SSDはハードディスクドライブほど費用対効果に優れていませんでした。しかし、近年のストレージ技術の進歩とストレージ市場全体の変化により、大企業からスタートアップまで、あらゆる企業にとってSSDが現実的な選択肢になっています。
次に最適なSATA SSDについてご覧ください。