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ハードディスクドライブ の性能向上は、より優れた性能特性を持つデバイスによって実現されます。[ 1 ] [ 2 ]これらの性能特性は、アクセス時間とデータ転送時間（または転送速度）の2つのカテゴリに分類できます。[ 3 ]
回転式ドライブのアクセス時間または応答時間は、ドライブが実際にデータを転送できるようになるまでの時間を表します。回転式ドライブのこの時間を制御する要因は、主に回転ディスクと可動ヘッドの機械的な性質に関連しています。ストレージデバイスのパフォーマンスを評価する際には、アクセス時間は独立して測定可能ないくつかの要素で構成され、それらを合計して単一の値を取得します。アクセス時間は大きく変動する可能性があるため、通常はメーカーが提供するか、ベンチマークで平均値として測定されます。[ 3 ] [ 4 ]
アクセス時間を取得するために通常加算される主要なコンポーネントは次のとおりです。[ 2 ] [ 5 ]
回転式ドライブの場合、シークタイムは、アクチュエータアーム上のヘッドアセンブリが、データの読み書きが行われるディスクのトラックまで移動するのにかかる時間を測定します。[ 5 ]メディア上のデータは、平行な円形トラック（デバイスの種類に応じて同心円状または螺旋状）に配置されたセクターに格納され、そのメディアでデータを転送できるヘッドを吊り下げるアームを備えたアクチュエータがあります。ドライブが特定のセクターを読み書きする必要がある場合、そのセクターがどのトラックにあるかを判断します。[ 6 ]次に、アクチュエータを使用してヘッドをその特定のトラックに移動させます。ヘッドの初期位置が目的のトラックであれば、シークタイムはゼロになります。初期位置がメディアの最外縁で、目的のトラックが最内縁にある場合、シークタイムはそのドライブで最大になります。[ 7 ] [ 8 ]アクチュエータアームの加速と減速の要因により、シークタイムは移動したシーク距離に対して線形ではありません。[ 9 ]
回転駆動装置の平均シーク時間は、技術的にはすべての可能なシークを実行する時間をすべての可能なシークの数で割った値であるすべての可能なシーク時間の平均ですが、実際には統計的手法によって決定されるか、トラック数の 3 分の 1 を超えるシーク時間として単純に近似されます。[ 5 ] [ 7 ] [ 10 ]
最初のHDD [ 11 ]の平均シーク時間は約600msでした[ 12 ] 。1970年代半ばには、シーク時間が約25msのHDDが利用可能になりました[ 13 ]。初期のPCドライブの中には、ステッピングモーターを使用してヘッドを移動させるものがあり、その結果、シーク時間が80～120msと遅いものもありましたが、1980年代にはボイスコイル式アクチュエーションによってすぐに改善され、シーク時間は約20msに短縮されました。シーク時間はその後も徐々に改善され続けています。
2010 年の最速ハイエンドサーバー ドライブのシーク タイムは約 4 msでした。[ 14 ]一部のモバイル デバイスには 15 ms のドライブがあり、最も一般的なモバイル ドライブは約 12 ms [ 15 ]、最も一般的なデスクトップ ドライブは通常約 9 ms です。
あまり一般的ではないシーク測定方法として、トラック間シークとフルストロークがあります。トラック間シークは、1 つのトラックから隣接するトラックに移動するのに必要な時間です。[ 5 ]これは、可能な限り最短 (最速) のシーク時間です。HDD では、通常 0.2 ～ 0.8 ms です。[ 16 ]フルストロークは、最も外側のトラックから最も内側のトラックに移動するのに必要な時間です。これは、可能な限り最長 (最遅) のシーク時間です。[ 7 ]
ショートストローキングは、エンタープライズストレージ環境で使用される用語で、アクチュエータがヘッドを移動させるトラック数を減らすために、総容量を意図的に制限したHDDを指します。[ 17 ]これにより、ドライブ上の任意の点からヘッドまでの最大距離が制限され、平均シーク時間が短縮されますが、ドライブの総容量も制限されます。このシーク時間の短縮により、HDDはドライブから利用できるIOPS数を増やすことができます。最大トラック範囲が縮小されるにつれて、使用可能なストレージバイトあたりのコストと電力が増加します。[ 18 ] [ 19 ]
dBAで測定される可聴ノイズは、 DVR、デジタルオーディオ録音、静音コンピュータなどの特定のアプリケーションにとって重要です。低ノイズディスクは通常、流体軸受、低い回転速度（通常5,400rpm ）、負荷時のシーク速度（AAM）の低下を使用して、可聴クリック音やガリガリ音を低減します。小型フォームファクタ（例：2.5インチ）のドライブは、 アクチュエータやプラッタが小さいため、大型ドライブよりも静かな場合が多く、ほとんどの3.5インチドライブの7,200rpmに対して、通常は5,400rpmです。[ 20 ]
デスクトップおよびノートパソコンクラスのディスクドライブの中には、ユーザーがシーク性能とドライブノイズのトレードオフを行えるものがあります。たとえば、Seagate は、一部のドライブで Sound Barrier Technology と呼ばれる一連の機能を提供しており、これにはユーザーまたはシステムで制御できるノイズおよび振動低減機能が含まれています。シーク時間が短いほど、ヘッドをプラッタ上で素早く移動させるのに必要なエネルギーが多くなり、シーク動作の開始時にヘッドが急速に加速し、シーク動作の終了時に減速するため、ピボットベアリングから大きなノイズが発生し、デバイスの振動が大きくなります。静音動作では移動速度と加速率が低下しますが、その代償としてシーク性能が低下します。[ 21 ]
回転遅延（回転遅延または単に遅延とも呼ばれる）は、ディスクの回転によって必要なディスクセクターが読み書きヘッドの下に到達するまでの待ち時間です。 [ 22 ]古い3,600rpmドライブの遅延は8.33msでしたが、このrpmは1990年代半ば以前のドライブにしか見られません。これは、1分あたりの回転数（RPM）で測定されるディスク（またはスピンドルモーター）の回転速度に依存します。[ 5 ] [ 23 ]ほとんどの磁気メディアベースのドライブでは、平均回転遅延は通常、そのようなドライブの平均遅延（ミリ秒）が回転周期の半分であるという経験的な関係に基づいています。最大回転遅延は、スピンアップ時間を除いた完全な回転にかかる時間です（要求が到着したときに、ディスクの関連部分がちょうどヘッドを通過した可能性があるため）。[ 24 ]
したがって、ディスクの回転速度を上げることで、回転遅延とそれに伴うアクセス時間を改善（短縮）することができます。[ 5 ]また、これによりスループットも向上（増加）します（これについては後述します）。
スピンドルモーターの回転速度は、2種類のディスク回転方式のいずれかを使用できます。1)定線速度(CLV) は、主に光ディスクストレージで使用され、ヘッドの位置に応じて光ディスクの回転速度を変化させます。2)定角速度(CAV) は、HDD、標準 FDD、一部の光ディスクシステム、およびビニールオーディオレコードで使用され、ヘッドの位置に関係なくメディアを一定の速度で回転させます。
もう一つの複雑な点は、表面ビット密度が一定かどうかによって生じます。通常、CAVスピンレートでは、密度は一定ではなく、長い外側トラックと短い内側トラックのビット数は同じになります。ビット密度が一定の場合、外側トラックは内側トラックよりも多くのビットを持ち、一般的にはCLVスピンレートと組み合わせて使用されます。これらのどちらの方式でも、連続ビット転送速度は一定です。これは、CAVスピンレートで一定ビット密度を使用するなどの他の方式では当てはまりません。
電力消費は、ノートパソコンなどのモバイルデバイスだけでなく、サーバーやデスクトップ市場においてもますます重要になっています。データセンターのマシン密度の増加は、デバイスへの十分な電力供給（特にスピンアップ時）や、それに伴って発生する廃熱の除去、環境および電気コストに関する懸念（グリーンコンピューティングを参照）といった問題を引き起こしています。今日のほとんどのハードディスクドライブは、パフォーマンスを低下させることでエネルギーを節約する特定の電力モードを使用する何らかの電力管理をサポートしています。実装されている場合、HDDはドライブの使用状況に応じて、フルパワーモードから1つ以上の省電力モードに切り替わります。ドライブが停止またはスピンダウンする最も深いモード（通常はスリープと呼ばれます）からの回復には、完全に動作するまでに数秒かかる場合があり、結果としてレイテンシが増加します。[ 25 ]ドライブメーカーは現在、電力を削減する追加機能を備えたグリーンドライブも製造していますが、これにはスピンドル速度の低下や摩擦を減らすためにヘッドをメディアから離すなどの機能があり、レイテンシに悪影響を与える可能性があります。[ 26 ]
のコマンド処理時間またはコマンドオーバーヘッドとは、ドライブエレクトロニクスがデバイス内のさまざまなコンポーネント間の必要な通信を確立し、データの読み書きができるようになるまでの時間のことです。これは約 3μs、他のオーバーヘッド時間よりもはるかに短いため、ハードウェアのベンチマーク時には通常無視されます。 [ 2 ] [ 27 ]
のセトタイムとは、ヘッドが落ち着きトラック外の読み書きができなくなるまで。この時間は通常非常に短く、一般的には100μs未満であり、最新のHDDメーカーはシークタイムの仕様にこれを考慮に入れています。 [ 28 ]
ドライブのデータ転送速度（スループットとも呼ばれる）は、内部速度（ドライブ上のディスク表面とコントローラ間のデータ転送）と外部速度（ドライブ上のコントローラとホストシステム間のデータ転送）の両方をカバーします。測定可能なデータ転送速度は、2 つの速度のうち低い方（遅い方）になります。ドライブの持続データ転送速度または持続スループットは、持続内部速度と持続外部速度のうち低い方になります。持続速度は、ドライブ内のキャッシュやバッファメモリの恩恵を受けないため、最大速度またはバースト速度以下になります。内部速度は、メディア速度、セクターオーバーヘッド時間、ヘッドスイッチ時間、およびシリンダスイッチ時間によってさらに決定されます。[ 5 ] [ 29 ]
データ転送速度（読み書き）は、専用のファイル生成ツールを使用して大きなファイルをディスクに書き込み、その後そのファイルを読み戻すことで測定できます。回転式ドライブの場合、この速度はトラックの位置によって異なるため、外側のゾーン（トラックあたりのデータセクタ数が多い）では速く、内側のゾーン（トラックあたりのデータセクタ数が少ない）では遅くなります。一般的に、10,000 RPMのHDDではやや速くなります。
2010年時点で広く使われている「バッファとコンピュータ間の」インターフェースの標準規格は3.0 Gbit/s SATAであり、 バッファからコンピュータへ約300メガバイト/秒（10ビットエンコーディング）のデータを送信できるため、ほとんどのディスクからバッファへの転送速度を依然として大きく上回っている。
SSDはHDDのような内部的な制限がないため、内部および外部転送速度は、ドライブとホスト間のインターフェースの性能を最大限に活用することが多い。最新のSATA規格では速度が6.0Gbpsに倍増し 、2010年代初期のSSDには十分な速度となっている。
転送速度は、ファイルシステムの断片化とファイルのレイアウトによって影響を受ける可能性があります。デフラグメンテーションは、関連する項目をディスク上の物理的に近い領域に移動することで、データの取得の遅延を最小限に抑えるために使用される手順です。[ 35 ]一部のコンピュータオペレーティングシステムは、デフラグメンテーションを自動的に実行します。自動デフラグメンテーションはアクセス遅延を減らすことを目的としていますが、コンピュータの使用中に実行されると応答が遅くなる可能性があります。[ 36 ]
HDD のデータ転送速度は、ディスクの回転速度とデータ記録密度に依存します。熱と振動が回転速度を制限するため、密度を高めることがシーケンシャル転送速度を向上させる主な方法となっています。[ 37 ]面密度(ディスクの特定の領域に格納できるビット数) は、ディスク上のトラック数とトラックあたりのセクタ数の両方を増やすことによって、時間の経過とともに増加してきました。後者は、所定の RPM 速度でのデータ転送速度を向上させます。データ転送速度のパフォーマンスの向上は、トラックの線形表面ビット密度 (トラックあたりのセクタ数) を増やすことによってのみ面密度と相関します。ディスク上のトラック数を単純に増やすと、シーク時間に影響しますが、総転送速度には影響しません。2011 年から 2016 年にかけての業界の観察者とアナリストによると、[ 38 ] [ 39 ]「現在のロードマップでは、ビット密度の向上は年間 20% を超えることはないと予測されています」。[ 40 ]シーク時間はスループットの増加に追いついておらず、スループット自体もビット密度とストレージ容量の増加に追いついていない。
セクタインターリーブは、データレートに関連する、現在ではほとんど使われなくなったデバイス特性です。これは、コンピュータの処理速度が遅く、大量の連続データを読み取ることができなかった時代に遡ります。インターリーブは、データセクタ間にギャップを設けることで、処理速度の遅い機器が次のデータブロックを読み取る準備をするための時間を確保しました。インターリーブがない場合、機器の準備が整う前に次の論理セクタが読み書きヘッドに到達してしまうため、読み取りを実行する前にディスクがさらに1回転するまで待つ必要がありました。
しかし、インターリーブ処理はデータブロック間に意図的に物理的な遅延を導入することでデータレートを低下させるため、インターリーブ比率を必要以上に高く設定すると、セクタをより高速に読み取る性能を持つ機器では不要な遅延が発生します。そのため、インターリーブ比率は通常、ドライブをシステムに初めてインストールする際に、エンドユーザーが自身のコンピュータシステムの性能に合わせて選択していました。
現代の技術は、回転するプラッターから得られるデータと同じ速度でデータを読み取ることができるため、インターリーブ方式はもはや使用されていない。
消費電力は、ノートパソコンなどのモバイルデバイスだけでなく、サーバーやデスクトップ市場でもますます重要になっています。データセンターのマシン密度の増加により、デバイスに十分な電力を供給すること（特にスピンアップ時）や、その後に発生する廃熱を除去すること、環境や電気コストに関する懸念が生じています（グリーンコンピューティングを参照）。放熱は消費電力に直接関係しており、ドライブが古くなると、ドライブ温度が高くなるにつれてディスクの故障率が高くなります。[ 41 ]数千台のデスクトップ PC を所有する大企業でも同様の問題が発生します。小型フォームファクタのドライブは、大型ドライブよりも消費電力が少ないことがよくあります。この分野における興味深い開発の 1 つは、シーク速度をアクティブに制御して、ヘッドがセクターを読み取るのにちょうど間に合うように目的地に到着するようにすることです。これは、可能な限り速く到着してからセクターが一周するのを待つ（つまり、回転遅延）必要がないようにするためです。[ 42 ]現在、多くのハードドライブメーカーは、消費電力と冷却を大幅に削減したグリーン ドライブを製造しています。これらのグリーンドライブの多くは回転速度が遅く（7,200、10,000、15,000 rpm と比較して 5,400 rpm 未満）、発熱量が少なくなっています。ディスクを使用していないときにドライブヘッドをパーキングして摩擦を減らしたり、回転速度を調整したり[ 43 ] 、使用していないときに内部コンポーネントを無効にしたりすることによっても、消費電力を削減できます。[ 44 ]
ドライブは起動時（スピンアップ時）に一時的に多くの電力を消費します。これは総エネルギー消費量に直接的な影響はほとんどありませんが、複数のドライブを使用するシステムでは、ドライブの起動タイミングを制御することで、電源装置から要求される最大電力、ひいては必要な定格電力を低減できます。
今日のほとんどのハードディスクドライブは、パフォーマンスを低下させることでエネルギーを節約する特定の電力モードを使用する何らかの電力管理機能をサポートしています。実装されている場合、HDDはドライブの使用状況に応じて、フルパワーモードから1つ以上の省電力モードに切り替わります。最も深いモード（通常はスリープと呼ばれます）からの復帰には、数秒かかる場合があります。[ 46 ]
モバイル機器にとって、耐衝撃性は特に重要です。現在、一部のノートパソコンには、落下時にディスクヘッドを（できれば衝撃前に）停止させるアクティブハードドライブ保護機能が搭載されており、そのような事態における生存の可能性を最大限に高めています。現在のところ、最大耐衝撃性は動作時で350g 、非動作時で1,000gです。[ 47 ]
瓦磁気記録（SMR）を使用するハードドライブは、従来の（CMR）ドライブとは書き込み性能特性が大きく異なります。特に、SMRドライブでは持続的なランダム書き込みが著しく遅くなります。[ 48 ] SMR技術は書き込み性能を低下させるため、ハイブリッドSMR技術（SMR部分とCMR部分の比率を動的に調整できる）を採用した新しいHDDの中には、SMR/CMR比率によって特性が異なるものがあります。[ 49 ]
ソリッドステートデバイス（SSD）には可動部品がありません。機械部品の動きに関連するほとんどの属性は、その性能を測定する際には適用できませんが、測定可能なアクセス遅延を引き起こす電気的要素の影響を受けます。[ 50 ]
シーク時間の測定は、ストレージデバイスのメモリ上の特定の場所を準備する電子回路のテストにすぎません。一般的なSSDのシーク時間は0.08～0.16msです 。[ 16 ]
フラッシュメモリベースのSSDはデフラグメンテーションを必要としません。しかし、ファイルシステムはSSDが管理するデータブロック（256KBから4MB 、つまり1 ブロックあたり128～256ページ）よりも小さい（2K、4K、8K、または16K）データページを書き込むため、[ 51 ]時間の経過とともに、SSDの書き込みパフォーマンスは、ドライブがファイルシステムによって部分的にまたは不要になったページでいっぱいになるにつれて低下する可能性があります。これは、システムからのTRIMコマンドまたは内部ガベージコレクションによって改善できます。フラッシュメモリは繰り返し書き込みが行われると時間の経過とともに摩耗します。デフラグメンテーションに必要な書き込みは、速度上の利点がないにもかかわらずドライブを摩耗させます。[ 52 ]
のディスクドライブ。
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