フラッシュが始まり勝利する：SSDの未来

未来はフラッシュドライブ（SSD）に属します。従来のハードドライブ（HDD）よりもはるかに高速なデータ転送速度を提供し、同時に比較的安価になります。 SSDの普及により、データセンターとコンピューティングシステムのアーキテクチャが大幅に変化する可能性があります。

SSDフラッシュドライブを備えたサーバーおよびストレージシステムを使用すると、大規模データベースの検索、オンライントランザクション処理、ビジネス分析、ビッグデータ処理、大規模仮想化など、最も要求の厳しいタスクを解決できます。 SSDは、サーバーおよびストレージシステムのHDDを大幅に混雑させる可能性が高く、ハイパーコンバージドシステムの重要なコンポーネントになります。 2020年までに40 TBのフラッシュドライブが登場し、SSDの耐久性の問題は実質的に解決されました。


NANDフラッシュメモリへの消去と書き込みは、個々のセルのレベルで徐々に劣化しますが、NANDコンシューマードライブが3000-10000の書き込み操作用に設計されている場合、最新のエンタープライズクラスのフラッシュドライブは最大100,000サイクルに耐えることができます。

フラッシュメモリを使用すると、データをより効率的に操作して保存できます。 SSDは、「ホット」データだけでなく「コールド」データの保存にもますます使用されています。

ハードドライブの歴史から

ハードドライブは、IBMが1956年に最初に導入してから60年以上にわたって使用されています。 最初のディスクは巨大で、3.75メガバイトしか保存できず、今日の為替レートで300,000ドルかかりました。

1956 IBM 350ディスクストレージシステム

350 Disk Storage Systemは、IBM 305 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control）の主要コンポーネントでした。 40枚のプレートと、磁気ディスクのスタックを上下に移動するダブルリード/ライトヘッドで構成されていました。

それ以来、ハードドライブの主要なメカニズムであるデザインは、大幅な改訂が行われましたが、変更されていません。 HDDは、磁化の原理を使用して、回転ディスクにデータを保存します。 読み取り/書き込みヘッドは、ディスクの磁気面の上に「浮いています」。 回転速度が高いほど、ハードドライブの動作が速くなります。 今日の一般的な家庭用HDDは5400または7200 rpmで動作し、一部のサーバーディスクではさらに高速です（10〜15K rpm）。


HDDコンポーネント

HDDプレートは磁気に敏感な層でコーティングされており、磁気ヘッドが回転ディスクの表面上を移動するとデータが記録されます。 磁区の磁化をすばやく反転させ、バイナリコードで1または0に変更します。 今日のハードドライブの主な、おそらく唯一の利点は、大量のデータ（ディスクあたり10〜12 TB）を安価に保存できることです。

HDDの記録密度と回転速度は増加し続けています。 また、従来のハードドライブとSSDの価格を比較すると、SSDの場合、データの単位を保存するコストは約3〜5倍高くなります。 したがって、従来のハードドライブは、最も経済的な保管方法です。 IDCによると、今日ではエンタープライズクラスのドライブの供給の90％以上を占めていますが、2025年までにSSDが供給のほぼ20％を占めるようになります。


IDCの予測：HDDとSSDの比率が企業ドライブの供給でどのように変化するか。

最適なハードドライブの使用シナリオは何ですか？

• 大容量が必要なディスクアレイ（NAS、RAIDなど）。
  
• 優先度が低コストのデスクトップコンピューター。
  
• メディアファイル（写真、ビデオ、オーディオ）のストレージ。
  
• バックアップコピーとアーカイブデータの保存。
  

他のほとんどすべてのタスクでは、利点はフラッシュメモリにあります。

SSDとは何ですか？

実際、SSDにも長い歴史があります。 ハードドライブインターフェイスと互換性のある最初の半導体記憶装置は、1978年に登場しました。 これはStorageTek 4305です。


ストレージテクノロジー4305-1978年の45 MB SSDサンプル。

StorageTekはIBMメインフレーム用に設計されました。 STC 4305は当時人気のあったIBM 2305ハードドライブシステムの7倍高速で、このキャビネットの価格は40万ドルで、帯域幅は最大1.5 MB /秒でした。

最新のSSDは、不揮発性NANDメモリを使用します（ブール演算子「NOT AND」から）。 フラッシュメモリは、トランジスタに基づいて個別のメモリセルにデータを保存します。 この半導体メモリは、HDDのように電力が供給されていないときでもデータを保存します。


新しいMJXコントローラーと64層MLC 3D V-NANDを組み合わせたSamsung SSD 850 Proは、SATA SSDセグメントで最高の製品の1つです。

SSDは、ハードドライブと比較して、データ転送速度とストレージ密度が高く、信頼性が高く、レイテンシとアクセス時間が大幅に短縮されます。 ほとんどのユーザーにとって最初に重要なことは、SSDの速度です。SSDを使用すると、データを読み書きできます。

SSDには可動部品がないため、通常のハードドライブの速度をはるかに超える速度で動作できます。 また、データの断片化はSSDの問題ではありません。 HDDとは異なり、SSDの速度には影響しません。 物理的な記録方法は異なりますが、SSDとハードドライブの両方が絶え間なく使用されるため、使い古されてしまいます。 SSDには、TRIMコマンドなど、この影響を最小限に抑えるメカニズムがあります。 フラッシュデータはブロック単位で書き込まれるため、既存のブロックデータを事前に消去する必要があります。 空のブロックがある場合、書き込み操作ははるかに高速です。 OSとSSDの両方でサポートされるTRIMコマンドにより、オペレーティングシステムはドライブに不要になったブロックを通知できます。 これにより、データブロックを事前に消去して、空のブロックを後で記録できるようにすることができます。


サーキットボードSSD。

一般に、SSDは機械部品がないため、ハードドライブよりもはるかに信頼性が高いと考えられています。 移動中のHDDメカニズムは、時間とともに摩耗するだけでなく、機械的ストレスに対しても脆弱です。 ハードドライブを搭載したラップトップを落とすと、データが失われる可能性が高くなり、致命的な物理的損傷でさえ、ハードドライブを完全に無効にする可能性があります。 SSDには可動部品がないため、ポータブルデバイスの過酷な環境に耐えることができます。

SSDの最適な用途は何ですか？

• 軽量、厳しい保管密度、耐衝撃性、全体的な耐久性などの機能が望ましいラップトップおよびその他のポータブルデバイス。
  
• オペレーティングシステムとアプリケーションを含むブートディスク。アプリケーションの読み込みと起動を高速化します。
  
• 編集可能な作業ファイルの保存。
  
• キャッシュメモリ。
  
• データベースサーバーリポジトリ。
  
• 古いシステムをアップグレードします。 ブートディスクをSSDに交換します。
  

SSD vs HDD

ハードドライブとソリッドステートドライブの主な違いを考慮してください。

	HDD	SSD
費用	$ 0.03 / GB（4 TBモデルの場合）	$ 0.20-$ 0.30 / GB（1 TBモデルの場合）
収容人数	通常、ラップトップでは0.5〜2 TB、PCでは最大10 TB	通常、ラップトップでは1 TB以下、PCでは最大4 TB
平均OSブート時間	30〜40秒	8-13秒
ノイズ	ヘッドとロッドの移動とディスクの回転によるノイズ	可動部品なし-ノイズなし
振動	ディスクの回転には振動が伴うことがあります。	可動部品なし-振動なし
熱放散	HDDはあまり熱を発生しませんが、部品を動かさずにSSDよりもはるかに熱くなり、より多くの電力を消費します	低消費電力と可動部品の欠如により、熱放散が低くなります
MTBF	150万時間	200万時間
ファイルをコピーするときの書き込み速度	50〜120 MB /秒	最新モデル-200-550 MB / s
暗号化	一部のモデルは完全暗号化をサポートしています-完全ディスク暗号化（FDE）	一部のモデルは完全な暗号化をサポートしています。
ファイルを開く速度	遅いSSD	最大30％高速のHDD
磁場の影響	データを消去できます	SSDは磁場の影響を受けません
耐久性	物理的衝撃に対する脆弱性	耐衝撃性と耐振動性

「標準」SSDとエンタープライズクラスのHDDを比較することもできます。

パラメータ	SSD	HDD SAS 10-15 RPM
アクセス時間、ミリ秒	0.1	5.5-8
ランダムアクセスパフォーマンス（IOPS）	6000	400
信頼性（故障率）	0.5％	2-5％
消費電力、W	2-5	6-15
CPU消費電力（平均I / Oレイテンシ）	1％	7％
バックアップ（時間）	6	20-24

ドライブインターフェイスは重要な役割を果たします。

インターフェース	説明
SATA（シリアルアドバンスドテクノロジーアタッチメント）	HDDおよびSSDとのデータ交換を提供する共通インターフェース。 SATA SSDドライブは家庭での使用に最適です。一般に安価ですが、動作速度が遅く、書き込みリソースが低くなります。
SAS（シリアル接続SCSI）	SASドライブは、RAIDアレイ、サーバー、およびデータセンターでよく使用されます。 このタイプのインターフェイスは、HDDとSSDにも適しています。 SASは、SATAよりも優れたIOPSパフォーマンスを備えているため、データの読み取りと書き込みをより高速に行うことができます。 これにより、SASは高性能を必要とするシステムに最適です。 SASは冗長性をサポートし、永続的なドライブ環境向けに特別に設計されています。
PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）	より多くのチャネルがデータ転送に使用できるため、SATAまたはSASと比較して非常に高いデータ転送速度をサポートする高性能シリアルバスインターフェイス。
NVMe（不揮発性メモリエクスプレス）	SASやSATAとは異なり、NVMeプロトコルはもともとソリッドステートドライブ専用に開発されました。 PCI Expressバスを介したフラッシュドライブの高速接続に使用されます。
NVMe over Ethernetを含むNVMe over Fabric	サーバーを低遅延でストレージシステムに接続できるため、ファイバーチャネルの位置を主張できます。

多くの大手ドライブメーカーは、新しいコンシューマおよびエンタープライズストレージと一部の周辺機器の標準としてPCIeを使用しています。 PCIeインターフェイスは、データセンター、RAIDシステムで使用され、全体的なパフォーマンスを向上させ、より容量の大きい新しいハードドライブをサポートします。

SASおよびSATAインターフェイスはHDD用に開発されたため、フラッシュドライブの接続には最適ではありません。 後者の優先インターフェースは、PCIeバスとNVMeの組み合わせです。 PCIeは物理インターフェイスを実装し、NVMeはフラッシュメモリ管理プロトコルを実装します。
SATAは帯域幅を大幅に制限し、遅延を追加するため、最新の製品では、ベンダーはNVMeに切り替え、SATAラインのさらなる開発を徐々に放棄しています。 ただし、SATAドライブはまだ大容量であり、大量のデータを保存する必要があるタスクでHDDと競合します。


IDCは、生産単位でSATAフラッシュドライブのシェアが著しく減少すると予測しています。

NVMeは、サーバー内に高性能フラッシュドライブを提供します。 外部ストレージシステムに関する限り、NVMe over Fabricは、ストレージネットワークのボトルネック（イーサネット、Infiniband、およびファイバーチャネルネットワークを介したNVMeコマンドの送信）の克服に役立ちます。

3Dフラッシュテクノロジー

3D NANDフラッシュテクノロジー（V-NAND）を使用すると、セルを上下に配置することで「フラット」レイアウトの制限を克服できます。 さらに、フローティングゲートを備えた従来のMOSFETの代わりに、電荷捕獲機能付きフラッシュメモリ（Charge Trap Flash、CTF）を使用します。

2015年、IntelとMicronは3D XPointメモリを発表しました。 NANDよりもパフォーマンスと耐久性が高く、DRAMとNANDの中間です。 このタイプの相転移メモリ（PCM）は、RAMの一部を交換することでコストを削減し、NANDソリッドステートドライブのパフォーマンスを向上させることが期待されています。

3D XPointテクノロジーは、「通常の」NANDと比較して最大10倍のパフォーマンスを提供し、最大1000倍の長さを実現し、100万回以上の記録サイクルに耐えます。 3D XPointの低レイテンシ（NANDドライブの1000分の1）により、トランザクション処理システムなどで、I / O負荷の高いタスクに使用できます。 3D NANDの最新バージョンには最大72層のメモリが含まれており、メーカーはすでに96層以上の製品を設計しています。


さまざまなタイプのドライブの組み合わせと、ミリ秒単位の遅延（Intelによる）。

さらに、3ビットNANDセル（TLC）が4ビット（QLC）に置き換えられることが予想されます。 これにより、メモリ密度が増加し、コストが削減されます。 東芝は昨年、単一セルに4ビット（QLC）を保存できるBiCS FLASHフラッシュメモリの作成を発表しました。これにより、TLC NANDメモリと比較して容量が増加しました。 ボリュームレイアウトを備えたこのようなチップには、64層のQLC NANDセルがあります。 1つのエンクロージャ内の16個のQLC 3D NANDチップは、1.5 TBのドライブを提供します。

SSD + HDD

「ホット」データ用のSSDと「コールド」データ用のHDDをストレージレベルの自動移動（ティアリング）のメカニズムと組み合わせて使用​​すると、データセンターのITインフラストラクチャの効率が向上します。 キャッシュを使用して、データへのアクセスを高速化できます。これは、システムの全体的なパフォーマンスに影響します。 多数のドライブがある場合、データセンターでSSDを使用すると、電気のコストが大幅に削減されます。


SSDはHDDを補完し、自動データ割り当てアルゴリズムを使用する際のストレージパフォーマンス/コストを最適化します（ソース：IBM）。 正規化されたパフォーマンスは右側に表示され、以下はデータを配置するためのオプションです（「すべてHDDから」から「すべてSSDに」）。

SSDホスティング

データの量が急速に増加しているため、クラウドストレージは良い方法です。 それらでSSDを使用すると、プロバイダーはIOPSでSLAを保証できます。

SSDホスティングの人気が高まっています-ソリッドステートドライブのアレイを使用した仮想ホスティング。 VPSは、高速SSDの高性能ハードウェアRAID-10アレイで作成されます。

ホスティングサーバーは通常、高性能SSD、データ保護、および大規模な書き換えリソースを使用します。 これにより、読み取り/書き込み速度を3倍、512 KBブロックの読み取りは10倍、4 KBブロックは50倍、IOPSパフォーマンスは400倍になります。 SSDの最大速度とパフォーマンスは、オンラインストアやデータベースを使用する他のサイトをホストする場合に表示されます。


SSDおよびHDDでのホスティング：速度、IOPSのパフォーマンス、遅延。

ソリッドステートドライブはウェブサイトを飛ばします。 高速性は、ユーザーと検索エンジンの両方に評価されます。 後者では、評価のページ読み込みパラメーターを考慮します。

今後数年間、HDDは最も経済的なストレージソリューションであり続けるでしょう。 2020年までに、その能力は10〜20倍に成長する可能性があります。 しかし、SSDの開発の進歩が同じペースで続く場合、特にSSDの価格が大幅に低下する場合、数年以内にハードドライブは厳しい競争に直面する必要があります。

ソリッドステートメモリは、データセンターの場所を見つけます。 トランザクションの成長、クラウドコンピューティング、ビッグデータ分析、次世代のワークロードには、より高いパフォーマンスが必要になります。 SSDは、ストリーミングデータの保存、バッチ処理、分析タスク、データベース管理システム、その他の多くのアプリケーションで使用され、HDDを置き換えます。