アラカルト 今あるテクノロジー

SSDの書き換え寿命と正しい使い方

文●今井 隆

アップルデバイスに搭載される、さまざまなテクノロジーを超ディープに解説!

読む前に覚えておきたい用語

ウェアレベリング(Wear Levelling)

フラッシュメモリなどのように書き換え寿命が存在する記録媒体に対して、書き換え回数の平均化を行うことで全体の見かけ上の寿命を延ばす技術で「摩耗平均化」とも呼ぶ。SSDやUSBメモリ、メモリカードなどでは必要不可欠な要素技術となっている。

フラッシュメモリ(Flash Memory)

フラッシュメモリは電荷を浮遊ゲートに注入してデータの記録を行う不揮発性メモリの一種で、元東芝の舛岡富士雄氏によって発明された。NAND型とNOR型が存在し、SSDには主に構造が単純で記録密度の向上に適したNAND型が使用されている。

SSD(Solid State Drive)

記録媒体に半導体メモリを用いたストレージの総称。一般的には不揮発性メモリの一種であるNANDフラッシュメモリを用いたデバイスを指すことが多い。記録媒体であるNANDフラッシュメモリとこれを制御するSSDコントローラで構成されている。

 

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写真●iFixit.com

 

SSDの急速な普及と知られざる弱点

近年、SSDの低価格化が急速に進み、MacなどのコンピュータはHDD(ハードディスクドライブ)からSSDへの移行を終えつつある。2008年に登場した初代MacBookエアの一部モデルから採用が始まったSSDは、今やすべてのノート型Macに標準搭載されており、HDDを搭載するモデルは、iMacの一部を残すのみとなっている。

SSDは、その記録媒体にNAND型フラッシュメモリ(以下、フラッシュメモリ)を用いる半導体ストレージだが、そのフラッシュメモリの記録密度向上による大容量化と低価格化が進んだ結果、500GB以下の容量帯を中心に一気に普及が進んだ。

このフラッシュメモリの記録密度向上は、半導体プロセスの向上による微細化、MLCやTLCなどのマルチレベル記録方式の導入、3D NANDなどの多層化技術によって実現されている。このうち、微細化とマルチレベル記録はいずれもフラッシュメモリの寿命を犠牲(トレードオフ)にした高密度化だ。

フラッシュメモリのメモリセルは電荷を貯めるコンデンサ(バケツ)と、そこに電荷を出し入れするトランジスタ(スイッチ)、コンデンサの電荷が漏れ出さないようにするための絶縁膜(バケツのフタ)で構成されている。微細化によって記録セルのサイズが小さくなると、コンデンサのサイズも小さくなり貯められる電荷の量が少なくなる。同時に絶縁膜も薄く小さくなり、電荷の出し入れに伴う劣化が早くなる。

そしてマルチレベル記録は、コンデンサに貯めた電荷量を複数に分割してデータ値とする技術で、SLCは電荷があるか否かで0と1を判断していたが、MLCは電荷量に応じて、0、1、2、3の4レベルを判定、TLCは8レベル、QLCは16レベルを判定する。しかし電荷量は、アクセスや時間経過に応じて減少するため、電荷量の分割数が増えるほどエラー率が高くなる。実際のフラッシュメモリでは世代が進むにつれて増加するエラーを誤り検出符号(ECC)の強化によって補っているのが実状だ。

マルチレベル記録は、書き込み時に数段階の電荷注入を行うことやエラー補正に伴うリフレッシュ増加などの要因から、書き換え寿命を悪化させる影響がある。SLCの書き換え寿命は1~10万回程度だったが、MLCでは数千回、TLCでは1000回前後、QLCでは数百回にまで低下する。

さらに微細化に伴って、最新の書き換え寿命はこれ以上に短くなる傾向にある。実際には、数百回程度のファイル書き換えで寿命に達するストレージでは使い物にならないため、SSDにはウェアレベリングと呼ばれる摩耗平均化技術が導入されている。

具体的には、SSD内部の記録領域をブロック単位で管理し、各ブロックの書き換え回数に応じてブロックの入れ替えを実施し、どのブロックも均一に摩耗するように制御している。




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