SSD と HDD: 最適なソリューションは？

HDD の代わりに SSD を選択するメリットとデメリットについて説明します。ビジネス・ソリューションからゲームまで、どのように SSD がコンピューターのストレージを高速化するか、その仕組みを説明します。

SSD と HDD の比較

HDD は、回転ディスクを使用してデータの読み書きを行う従来型のストレージ技術です。

• SSD は、HDD よりも高速で電力効率が高いです。
• SSD は、HDD よりも高速で、高い電力効率となっています。
• HDD の方が低価格だが SSD の価格は下降中。

自分に適したストレージの選択は、容量とコストの比較だけではありません。コンピューターに使うストレージの種類は、電力使用量と信頼性などのパフォーマンスに影響します。ソリッドステートドライブ (SSD) とハードディスクドライブ (HDD) は、2 つの主要なストレージオプションを考慮すべきです。この記事は、それぞれの最適な使用方法と比較方法を簡単に紹介します。

HDD とは？

HDD は、コンピューター内に搭載されているデータ・ストレージ・デバイスです。内部には回転するディスクがあり、データは磁気的に保存されます。HDD には、ディスク上のデータを読み書きする複数のヘッド (トランスデューサー) が付いたアームがあります。LP レコード（ハードディスク）とアームに取り付けられた針（トランスデューサー）で動作するターンテーブル式のレコードプレーヤーの仕組みに似ています。アームは、ディスクの表面上でヘッドを動かし、異なるデータにアクセスします。

HDD は、SSD よりも歴史が長く、従来型のテクノロジーと考えられています。 一般に、HDD は低コストで、写真、ビデオ、業務用ファイルのバックアップといった、頻繁にアクセスする必要のないデータに実用的です。HDD は、2.5 インチ (ノートブック PC 向け) と 3.5 インチ (デスクトップ PC 向け) の 一般的なフォームファクターで提供されています。

SSD とは？

SSD、つまり「ソリッドステート」という名前は、内部に固体素子を使用していることに由来しています。SSD では、すべてのデータは集積回路に保存されます。この HDD との違いは、特にサイズとパフォーマンスにおいて多くの重要性を持っています。SSD は回転ディスクを必要としないため、チューインガム 1 枚の形状とサイズ (M.2 フォームファクターと呼ばれています)、さらには郵便切手ほどの大きさまで小型化できます。また、その容量 (保存できるデータの量)が異なるため、薄型ノートブック PC やコンバーチブル、2 in 1 などの小型デバイスにも柔軟に対応できます。また、SSD ではプラッターの回転開始を待つ必要がないため、アクセス時間が大幅に短縮されます。

SSD のストレージ容量 (ギガバイト (GB) やテラバイト (TB)) あたりの価格は HDD よりも高くなりますが、年々、SSD の価格は HDD の価格以上のペースで下がってきているため、価格の差も縮まってきています。 

SSD と HDD の比較: 速度

SSD の人気が高まっているのは、その速度の速さです。全体的に、SSD は、電気回路を使用しており、物理的な可動部品がないため、HDD よりも高速で動作します。これによって、起動時の待ち時間が短縮され、アプリ起動時と負荷の高いコンピューティング・タスクタスク実行時の遅延が少なくなります。例えば、インテル® SSD D5-P5316 は、帯域幅 7000 MB/s を超える15.36TBのエンタープライズ・グレードの SSD です。一方、互換性のある HDD である 14TB Seagate Exos 2x14 の帯域幅は最大 500 MB/s にとどまります。違いはなんと 14 倍です。1

これらの速度の向上は、ログイン、アプリとサービスの起動待ち、サイズの大きいファイルのコピーなどのストレージ負荷が高いタスクの実行などのいくつかの場面でパフォーマンスの向上につながります。 HDD ではパフォーマンスが大幅に低下しますが、SSD では他のタスクを継続して実行できます。

速度は、データ送受信時に他のコンピューター・システムに接続するインターフェイスの違いにも影響されます。 SATA および PCI Express (PCIe) などのインターフェイスについて聞いたことがあるかもしれません。SATA は、古くて遅く、従来型の技術ですが、PCIe はより新しくより高速です。 PCIe インターフェイスを搭載した SSD は、データ転送のチャネルが多くなっているため、通常は SATA の HDD よりもはるかに高速になります。それは、1 車線の田舎道よりも 4 車線の高速道路の方が多数の車を走らせられるのと同じ理屈です。

コンピューターが速すぎるといって不満を言う人はいませんが、HDD で十分という場合はあります。 保存する必要があるファイルのサイズがテラバイト単位である場合、HDD はまだ低価格な選択肢ですが、SSD の価格は日増しに低下しており、NAND ダイあたりビット密度を高める新しい NAND 技術になりつつあります。コンピューター・ストレージは、データをコールドまたはホットと考えることで簡単に決定できます。「コールド」データの例としては、毎日は見ないし、迅速なアクセスは必要ないけれどノートブック PC に保存しておきたい数年分の写真などが挙げられます。HDD は、コールド・データに適した、コスト効率の高い選択肢です。反対に、リアルタイムの取引、ビデオと写真の編集を行うビジネスで、ファイル、ビデオ・クリップ、またはモデルのデータベースへの高速アクセスが必要となる場合、またはオペレーティング・システムの走行に必要なデータは、「ホット」と呼ばれます。 SSD の高速パフォーマンスは、データへの迅速なアクセスが最も重要な場合に最適な選択肢です。

SSD と HDD の比較: 耐久性

データはページ単位で書き込まれますがブロック単位で消去されるため、NAND SSD への書き込みによる摩耗の程度は、すでにドライブ上にあるデータの状態にも依存します。比較的新しい SSD にシーケンシャル・データを書き込む際、データを効率的にドライブ上の連続する空きページに効率的に書き込むことができます。しかし、小規模なデータ・ブロックが更新される必要がある場合 (文書の改訂または数値の変更)、古いデータをメモリーに読み出して改訂し、ディスクの新しいページに書き込み直します。廃止されたデータを含む古いページは無効としてマークされます。空きページがなくなった場合、これらの「無効」なページは、「デフラグ」または「ウェアレベルニング」と呼ばれるバックグラウンド・プロセスで使用できるように空けられます。特定のブロックに含まれる既存の有効なページはすべて、まずドライブの他の空いている場所にコピーする必要があります。それによって、元のブロックには無効な廃止済みページのみが含まれている状態にします。　 その後、元のブロックを消去して新しいデータを書き込むためのスペースを解放することができます。

ウェア・レベリングなどの内部 NAND 維持管理プロセスのため、書き込み増幅が発生し、SSD の内部書き込み量の合計が、単に新しいデータをドライブに保存するために必要な書き込み量よりも大きくなります。 書き込みが行われるごとに各 NAND セルがわずかに劣化するため、ライト・アンプリフィケーションは主な摩耗の原因の 1 つとなります。内部プロセスによって、NAND SSD はドライブ全体に均等に摩耗は分散されます。 しかし、重要な点は、書き込み負荷が大きいワークロード (特にランダム・ライト) により、書き込み増幅が大きくなるため、NAND SSD は他の入出力 (I/O) パターンよりも速く摩耗することです。

幸い、SSD ドライブ耐久性レベルは必ず、最悪のランダム・ライト・パターンを想定して指定されています。 例えば、ドライブが 1 日 1 回書き込みできるとされている場合、それは、ドライブの保証期間中 (通常 5 年)、毎日ランダム・ライト方式で使用しても、少なくともドライブの全容量に相当する量のデータを書き込めることを意味します。

対決：SSD 対 HDD

容量については、コンピューター用の SSD は 120GB ～ 30.72TB の容量があるのに対し、HDD は 250GB ～ 20TB となっています。容量あたりのコストについては、HDD が勝っていますが、SSD の価格が低下してきているため、今後 HDD の差別化要因としては存在感は薄まるでしょう。 しかし、SSD ではサーバーあたりの作業がはるかに少なくなるため、より少ないデバイスで HDD と同じ出力が得られます。結果は？ SSD の方が TCO (総保有コスト) は低くなります。

信頼性とは、データが意図されたとおりに破損することなく保存されるかどうかを意味します。一般的に、SSD は、HDD よりも高い信頼性があります。繰り返しになりますが、可動部品がないからです。 可動部品がないため、SSD は振動や関連する熱問題に影響されないためです。

SSD は、一般的に、データ・アクセスがはるかに高速で、デバイスが頻繁にアイドル状態になるめ、消費電力がより少なくバッテリーがより長持ちします。HDD には回転ディスクがあるため、SSD よりも起動時により多くの電力を必要とします。

SSD の HDD に対するコスト削減効果

SSD のパフォーマンスは、HDD よりもはるかに優れていることはお分かりいただけたと思います。SSD の信頼性上の利点については、十分に理解されていると思います。これらの本質的な利点を考えると、SSD はパフォーマンスのためのレプリケーションを必要とせず、一般的に信頼性のために必要なレプリケーションははるかに少なくなります。SSD のパフォーマンスが高まることで、HDD よりもはるかに効率的なデータ削減方法にも貢献します。データ削減率は、必要な物理ストレージに保存されるホスト・データの割合です。50% は、データ削減率 2:1 に相当します。データ削減により、ユーザーは物理ハードウェア上よりも多くのデータを保存できるため、結果として有効な容量が増加します。圧縮技術と重複排除技術によって、「使用可能な容量」の要件を満たすために必要な未加工ストレージ容量を大幅に削減できます。

最新のアルゴリズムは、SSD 用に最適化されており、パフォーマンスを活用して、高いデータ削減率 (DRR) を実現し、アプリケーション・パフォーマンスを高めます。例えば、Facebook の Zstandard 圧縮アルゴリズムでは、HDD の読み書きよりもはるかに速い速度で圧縮と解凍が可能になるため、SSD でのアルゴリズムの使用がリアルタイムで可能になります2。また、VMware vSAN では、圧縮と重複解除がオールフラッシュ構成でのみ提供されます。