従来のハードディスクドライブのような機械式の回転ディスクではなく、ほとんどのソリッドステートドライブはNAND型フラッシュメモリを使用しています。これは不揮発性メモリの一種で、データを保存した後は、保持するために電力を必要としません。NANDチップも多層化されており、1つのセルに1ビットを超える情報を保存できます。こうした多層チップを使用するドライブは、各セルが保持できるビット数によって、シングルレベル、マルチレベル、トリプルレベル、クアッドレベル、ペンタレベルのセルソリッドステートドライブ（SSD）に分類されます。
価格から速度、信頼性まで、多層SSDにはそれぞれ長所と短所があります。この記事では、それぞれの比較を通じて、どのような用途で力を発揮するのかを解説し、ニーズに合った製品を選べるようにします。
多層SSD一覧：比較表
多層SSDは、使用するNAND型フラッシュチップのレベル数、つまりNANDセルあたりのビット数によって呼ばれます。ここでは、それぞれの違いを概観します。
| SSDの種類 | NANDセルあたりのレベル数／ビット数 | プログラム／消去サイクルの予想寿命 | 用途 |
|---|---|---|---|
| シングルレベルセル（SLC） | 1 | 50,000-100,000 | 高負荷の書き込み処理 |
| マルチレベルセル（MLC） | 2 | 10,000 | エンタープライズデータセンター |
| トリプルレベルセル（TLC） | 3 | 3,000 | デジタルコンシューマー製品 |
| クアッドレベルセル（QLC） | 4 | 2,000 | 読み出し中心の処理、AI／ML、ストリーミングメディア／コンテンツ配信 |
| ペンタレベルセル（PLC） | 5 | 該当なし | 長期保存、データアーカイブ |
フラッシュSSDの仕組み
フラッシュは、SSDがハードディスクドライブ（HDD）をたちまち上回り、ほぼすべての性能指標で優位に立ちました。
速度以外にも速度、メリットがあります。可動部品がないフラッシュSSDは、従来のHDDよりも耐久性が高く、急な移動や物理的な衝撃による損傷を受けにくくなっています。また、消費電力も少なくて済みます。一般にHDDよりギガバイトあたりの価格は高いものの、性能の向上を考えれば、多くの企業にとってその費用は十分に見合うことが多いでしょう。
フラッシュメモリは、浮遊ゲート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（FGT）によって定義されるメモリセルアレイにデータを保存します。FGTは2つのゲートを備え、2点の間を電流が流れる電気スイッチのように、2進数の1または0を保存します。—NAND型フラッシュは、使用するNOT-AND論理ゲートにちなんで名付けられています。フラッシュセルでデータを保持するために、常時電力を供給する必要はありません。電源が切れると、FGTがメモリセルに電荷を供給し、データはそのまま保持されます。
SSDには摩耗する機械部品がないものの、故障する可能性はあります。寿命を測る指標の1つが、ドライブが劣化して故障し始めるまでに実行できるプログラム／消去（P／E）サイクル数です。ほとんどの多層SSDは、限られたP／Eサイクル数に対処するためウェアレベリング技術を使用し、ドライブ内のすべてのNANDセルにサイクルを均等に分散させることで寿命を延ばしています。
多層フラッシュ：SLC、MLC、TLC、QLC、PLC
多層NAND型フラッシュで構築されたSSDは、含まれるレベル数、つまり各セルが保存できるビット数によって呼ばれます。
SLC：シングルレベルセルSSD
シングルレベルSSDは1セルあたり1ビットを保存し、多層ソリッドステートドライブのどのタイプよりも高速です。また、多層SSDよりも多くのP／Eサイクルに対応できるため、耐久性も高く、5万～10万サイクルに達します。マルチレベルセルSSDより高価ですが、耐久性と速度に優れることから、データをアーカイブするのではなく常に更新するエンタープライズアプリケーションでよく使われます。
MLC：マルチレベルセルSSD
マルチレベルSSDはNANDセルあたり2ビットを保存できますが、2ビットの読み書きにはより時間がかかるため、SLCより低速です。MLC SSDは、SLCチップと同じサイズの電圧ウィンドウを使いながら、浮遊ゲートトランジスタ（FGT）上に00、01、10、11の4種類の電圧状態を生成できます。しかしその結果、データの保存時に時間のかかるアルゴリズムを実行しなければなりません。このアルゴリズムにより、MLC SSDの読み書き処理はシングルレベルセルSSDより約4倍遅くなります。予想寿命は1万P／Eサイクルです。
TLC：トリプルレベルセルSSD
トリプルレベルセルSSDはNANDセルあたり3ビットを保持でき、8種類の電圧状態を備えています。これにより、SSDのコストを抑えながらストレージ容量を増やせます。性能も向上します。しかし耐久性は低下し、TLC SSDの予想寿命はわずか3,000P／Eサイクルです。TLC NANDチップは、多くのデジタルコンシューマー製品で使われています。
QLC：クアッドレベルセルSSD
クアッドレベルセルSSDはNANDセルあたり4ビットを含み、16種類の電圧状態を生成します。ビット数が増えることで容量が増え、コストが下がる一方、耐久性と信頼性が犠牲になります。QLC SSDは、信頼性が低下するまでに維持できるのはわずか1,000P／Eサイクルです。
PLC：ペンタレベルセルSSD
ペンタレベルセルSSDは1セルあたり5ビットを保存でき、32種類の電圧状態を生成します。1つの領域にこれほど多くのビットを持たせると、フラッシュコントローラーによる管理が複雑になります。32種類の電圧状態の差は非常に小さいため、エラー訂正ソフトウェアがオーバーヘッドとなり、性能が低下します。その結果、PLC SSDはまだ広く利用できる段階にない新しい技術です。メーカーは、2年以内に課題を克服できると見込んでいます。
多層SSDのメリット
容量が大きくコストが低い多層ソリッドステートドライブ、特にMLC SSDとTLC SSDは、ハードディスクドライブに対して、消費者と企業の双方に多くのメリットをもたらします。主なものを以下に挙げます。
- 耐久性の向上—故障や発熱の原因となる可動部品がない
- 無音動作
- 低消費電力
- 振動・衝撃への耐性
- 読み出し時間の短縮／起動時間の短縮
- 小型フォームファクター—超薄型ノートPCやモバイルデバイスに収まりやすい
多層SSDのデメリット
ただし、SSDとフラッシュ全般はストレージメディアの世界における大幅な進歩と見なされてきた一方、HDDと比較すると、この技術にはいくつかのデメリットがあります。
コスト
SSDには機械式ハードドライブより高い費用を払う価値があると考えるユーザーもいるでしょうが、それでもSSDのほうが高価です。2023年半ばの市場分析によると、外付け8TB SSDの小売価格は約539ドル、8TBの機械式ハードドライブは約160ドルでした。容量が小さいドライブでは価格差が縮まり、1TB HDDは約45ドル、1TB SSDは約80ドルで販売されていました。価格差は時間とともに縮小しています。
耐久性と信頼性
SSDはまた、時間の経過とともに耐久性と信頼性が低下するという問題もあり、層と容量を増やすほどP／Eサイクル数が減少します。寿命は2つの方法で測定されます。書き込みテラバイト数（TBW）と、1日あたりのドライブ書き込み回数（DWPD）です。TBWは、交換が必要になるまでのSSDの寿命全体で、何テラバイトのデータを書き込めるかを示します。一方、DWPDは耐久性の指標で、SSDの信頼性が低下するまで、指定された年数にわたり、1日あたり特定のギガバイト数を何回書き換えられるかを示します。
データ復旧
損傷または破損したSSDからデータを復旧できる場合もありますが、HDDほど簡単でも単純でもありません。HDDとは異なり、SSDが消去できるのは大きなデータブロックだけです。ブロックが消去するには小さすぎる場合、ドライブは消去前にそのブロックを移動するため、書き込みサイクルが増え、寿命が短くなります。対応するOSでTRIMコマンドと呼ばれる機能を有効にすると、SSDに対して、ブロックが使用されなくなり削除対象としてマークできることを通知できます。これにより寿命は延びますが、データ復旧には悪影響があります。TRIMコマンドが発行されると、そのデータは復旧できなくなります。
詳しくはSSDの寿命を見積もる方法。
多層SSDの用途
多層SSDの選定・購入を検討する企業には、幅広い選択肢があります。選定基準は想定する用途によって異なります。信頼性と速度が重要な要件でしょうか。高負荷の読み書き処理に使うのでしょうか、それとも長期保存だけが目的でしょうか。判断の参考となる、企業における代表的な用途を紹介します。
高負荷の書き込み処理
シングルレベルセルSSDは、10万P／Eサイクルという高い耐久性、性能、信頼性を備えているため、高負荷の書き込み処理を必要とするエンタープライズアプリケーションに適しています。SLC SSDは高価ですが、その性能と信頼性には十分な価値があります。
エンタープライズデータサーバー
MLC SSDとトリプルレベルセルSSDは、価格、性能、そして1万P／Eサイクルの耐久性を理由に、エンタープライズサーバーで最もよく使われる2種類です。多くの企業は、書き込み負荷の高い処理に必要なDWPD要件を満たすため、TLCとMLCを組み合わせて併用します。
読み出し中心の処理
クアッドレベルセルSSDは、データ分析、NoSQLデータベース、人工知能および機械学習（AI／ML）を伴う、負荷の高い読み出し中心の処理に最適です。ストリーミングメディアやコンテンツ配信ネットワークにも適しています。
データアーカイブと長期保存
ペンタレベルセルSSDは現在市場で入手できませんが、メーカーは電圧の課題、エラー、耐久性に関する懸念への対応を進めています。高頻度または高速の書き込みに依存しない、アーカイブや長期保存の用途に最適な構成になると期待されています。
まとめ：多層SSDについて知っておくべきこと
1セルあたり複数ビットを保持できるNAND型フラッシュチップを基盤とする多層ソリッドステートドライブは、ほぼすべての性能指標で従来のハードディスクドライブを上回り、高速性と耐久性が求められるエンタープライズ用途に適しています。しかし、この技術はまだ発展途上です。メーカーが課題を解決し続けるまでは、HDDだけでなくシングルレベルセルSSDと比べても、寿命が短くコストが高いなどの制約が残ります。用途によっては、今すぐニーズを満たす多層SSDを見つけられる企業が多いでしょう。そして技術が成熟すれば、将来はさらに選択肢が広がります。