ソリッド・ステート・ドライブの利点とは？[サイエンス］

記憶装置とも呼ばれるハードディスク。携帯電話、パソコン、カメラ、サーバーなど、今の時代のデジタル製品には欠かせないもので、データを保存する必要があれば、どこでもハードディスクの存在は欠かせません。ハードディスクドライブは、機械式ハードディスクドライブとソリッドステートハードディスクドライブの2種類に分けることができ、過去長い間、機械式ハードディスクドライブは、コンピュータが不可欠であるされている、近年では、ソリッドステートハードディスクドライブ技術のブレークスルーと、より多くの人々がソリッドステートハードディスクドライブを使用してインストールすることを選択し、機械式ハードディスクドライブは、補助記憶装置としてのみ使用されます。

なぜすべてのノートパソコンはソリッドステートドライブを使用するのですか？ソリッド・ステート・ドライブの機械式ハードドライブに対する利点は何ですか？ソリッド・ステート・ドライブは私たちにどのような影響を与えるのでしょうか。今回は、機械式とソリッドステートのその点についてお話しします。

まず、ハードディスク開発の歴史

ハードディスクの歴史の始まりは、当然のことながら機械式ハードディスクに属し、早くも1956年に世界初のハードディスクIBM RAMAC 350が誕生した。

図1 IBM RAMAC 350（ソース・ネットワーク）

現代のハードディスクと比較すると、これは間違いなく巨大なもので、冷蔵庫2台分の大きさと1トン以上の重量がありながら、容量はわずか5MBしかなかった。コンピュータが穴のあいた紙や磁気テープという原始的な記憶手段を放棄し、1980年代にはハードディスク・ドライブが現在とほぼ同じサイズになったため、ハードディスク・ドライブ時代の幕開けとなった。

図2 1980年代の機械式ハードディスク（イメージソース）

1988年、グリーンバーグとフェルは巨大磁気抵抗効果を発見しました。この技術によって機械式ハードディスク・ドライブは飛躍的に発展し、速度と容量が大幅に向上し、機械式ハードディスク・ドライブは急速に普及しました。同時に、ソリッドステートハードドライブの萌芽も生産されたが、この時点でソリッドステートは、メモリと積層され、21世紀前夜まで、唯一のいくつかのメーカーは、ソリッドステートハードドライブを製造するメモリの代わりにフラッシュメモリを使用し始め、メモリに比べてフラッシュメモリは、データの停電後に行うことができます失われることはありません。

2011年以降、機械式ハードドライブ部品の最大メーカーであるタイで自然災害が発生し、価格が高騰したため、SSD業界が離陸することができました。

図3 サムスンが製造するソリッド・ステート・ドライブ（出典：インターネット）

II.機械式ハードディスクの動作原理

機械式ハードディスクの内部構造は、主にモーター、ディスク、ヘッドアーム、ヘッドで構成されています。

図4.機械式ハードディスクの内部構造（出典：ネットワーク）

機械式ハードディスクが動作するとき、磁気ヘッドはディスク表面から数ナノメートルの高さに吊り下げられている。ディスク表面は多数の小さな区画に分かれており、その区画は小さな磁性粒子で満たされている。ディスク上のこれらの磁性粒子は一定の極性を持ち、粒子が下向きに分極している場合は0、上向きに分極している場合は1と表記されます。

図5.磁気ヘッドの読み書きの模式図（画像出典：ウェブ）

データを読み取る場合、読み取りヘッドは結晶粒の極性を読み取ってデータを読み取ります。書き込みヘッドは、コイルから発生する磁界を利用してグレインの極性を変え、データの書き込みや書き換えを行う。

ディスク自体は、ディスク表面上のデータの位置をピンポイントで特定するために、無数のセクタとトラックに分割されている。例えば、ディスクの5トラック目のセクター7にデータが保存されているとしよう。すると、磁気ヘッドはまず5番目のトラックの上をスイングし、7番目のセクターがターンオーバーするのを待つことになる。第7セクターがヘッドの下で回転して初めて、データを読み取ることができる。

機械式ハードディスクの機械的構造は、そもそも致命的な欠点をひとつもたらす。高速の読み書きの間、磁気ヘッドはディスク表面に限りなく接近しているため、揺れによって読み書きのデータが失われる可能性があり、機械式は携帯性に非常に不利なのだ。また、主流の機械式ハードディスクドライブの回転数は7200rpmで、この数値は非常に高速に見えるが、数千MHZのメモリと数GHZのCPUに対してこの速度は遅すぎるため、機械式ハードディスクドライブは必然的に最短ボードとなり、システムの動作速度を低下させる。

第三に、ソリッドステートドライブの動作原理

機械式ハードディスクのこれらの欠点は、偶然にもソリッドステートドライブの利点である。ソリッドステート・ハードディスク・ドライブは実際には回路基板であるため、メーカーはそれを任意の形状にすることができます。m.2インターフェイスを例にとると、このような仕様に分けることができます。

ソリッドステートドライブは、機械的な構造がなく、ノイズがなく、振動の心配がなく、携帯性が高く、データの完全な電子的相互作用があります。ソリッド・ステート・ドライブの記憶装置はフローティング・ゲート・トランジスタであり、その内部構造は図8に示すように、電子を蓄積するフローティング・ゲート層、電子の自由な動きを制限するトンネル層、電子を隔離する絶縁層、制御極G、基板P、ソースD、ドレインSである。

データを格納する際、フローティング・ゲート層の電子数がある値以上を0、ある値以下を1とカウントする。

データの書き込み

データを書き込むには、制御極Gに高電圧（例えば20V）を印加し、基板中の電子を引き寄せてトンネル層を通過させ、フローティングゲート層に進入させる。その後、電子は絶縁層に妨げられ、フローティングゲート層にのみ閉じ込められる。トンネル層の存在により、閉じ込められた電子は高電圧の吸引力を失ってもフローティング・ゲート層に留まる。これで、セルへのデータ書き込みプロセスが完了する。

データの消去

データを消去するプロセスは、閉じ込められた電子をフローティング・ゲート層から解放することである。基板に高電圧をかけるだけで、電子は電界に引き寄せられ、トンネル層を通って基板に戻る。

SSDの寿命を心配する人が多いのは、この読み書き原理のためだ。というのも、SSDはデータを書き込む際、元のデータを直接上書きするのではなく、まず消去してから書き込むからだ。セルが消去と書き込みのサイクルを繰り返すたびに、フローティング・ゲート層には必然的に電荷が残る。ちょうど鉛筆で紙に書いては消し、書いては消しを繰り返すように、いずれは紙が擦れてしまう。SSDも同じだ。

しかし、これは一般ユーザーにとっては心配する必要はない。512Gのソリッドステートを例にとろう：

1日の書き込み量が140Gの場合、寿命が尽きるまで10年かかる。

ですから、SSDはまだ安心して使うことができます。

データの読み取り

フローティングゲート層に電子が数個しかない状態（記憶状態1）では、制御極に低電圧を印加し、電子をトンネル層の下面に引き寄せますが、低電圧のため電子はトンネル層を通過できず、ソース・ドレイン間に導電性のトレンチが形成され、ソース・ドレイン間に電圧を印加することで電流を形成することができます。

そして、フローティングゲート層に多数の電子が蓄積されている状態（蓄積状態0）では、制御極に同じ低電圧が印加される。フローティングゲート層に蓄積された電子は、基板中の電子と反発する作用を持つため、基板中に導電路が形成されず、ソース・ドレイン間に電流が発生しない。

このため、読み出し中に電流が検出されるとセルの状態は1になり、逆に0になると、セルのデータの読み出しが完了する。

ストレージ・モジュールへのデータ書き込み

SSDは記憶装置の数が非常に多いため、各モジュールを独立に制御するスイッチで構成すると、どうしても冗長なモジュール構成になり、記憶効率が低下する。そこで、ストレージモジュール内のデータを書き換えるモジュール制御が採用されている。

図にストレージ・モジュールの模式図を示す。各行はストレージ・バイトで、合計8個のストレージ・ユニットを含む。直列構造に接続された記憶装置の各列は、書き込み動作の各ビット（列）を制御するために使用されるトランジスタの最上行と次の行、;電極によって統一された制御のゲートの記憶装置の各列。

特定のセル（例えば4行目の1列目）に対して書き込み動作を行いたい場合、1列目の制御トランジスタにゼロ・バイアスを与え、4行目のゲート下に高電圧が印加されるようにして、そのセルのフローティング・ゲートが電荷を蓄積できるようにする。一方、他の制御トランジスタには2Vの低電圧を与え、電流が形成されるようにし、チャネル効果により4列目の他のセルは電荷を蓄えることができないようにする。

IV.まとめ

ソリッド・ステート・ドライブは全体を通して電子的に相互作用し、電子信号の速度はヘッドアームやディスクのような機械的構造よりもはるかに速い。データがディスクの隅々までランダムに分散している場合、機械式ハードディスクドライブは何度もシークとアドレスを繰り返し、磁気ヘッドの下でセクタが回転するのを待つ必要があるため、分散したファイルを読み取る機械式ハードディスクドライブの性能は非常に弱く、遅い、つまりランダム読取り/書込み性能が低い。

私たちの日常生活の中で、私たちの経験に最も影響を与えるのは、ハードドライブのランダムリード/ライト能力であり、多くのソフトウェアのように、多くの小さなファイルで構成され、その中で最も顕著なのは、私たちのWindowsオペレーティングシステムであり、コンピュータのCディスクを開いて見ることができる、オペレーティングシステムは、無数の分散した小さなファイルで構成され、これらのファイルは大きくありませんが、非常に分散し、それが機械的なハードドライブであれば、それぞれのために、これらの分散したデータを読み取るために。機械式ハードドライブからこれらの分散データを読み取る場合、各ファイルはディスク上の異なる場所にあるため、ディスクの機械的構造によって制限され、これらを読み取るには長い待ち時間が発生します。このため、システムディスクはソリッド・ステート・ドライブでなければならない。

また、ソリッドステート技術の革新により、価格はますます低くなり、容量はますます大きくなり、一般ユーザーはソリッドステートの耐用年数を心配する必要がなくなり、これらの利点により、ソリッドステートハードドライブはユーザーの最初の選択肢となります。