ハイブリッドドライブ

ハイブリッド ドライブ(ソリッドステート ハイブリッド ドライブ– SSHD、デュアル ストレージ ドライブ) は 、ソリッド ステート ドライブ(SSD)などの高速ストレージ メディアと大容量のハード ディスク ドライブ(HDD) を組み合わせた論理的または物理的なコンピュータ ストレージ デバイスです。その目的は、従来の HDD のコスト効率に優れたストレージ容量に、SSD の速度の一部を追加することです。ハイブリッド ドライブの SSD の目的は、HDD に保存されているデータのキャッシュとして機能し、最も頻繁に使用されるデータのコピーを高速な SSD ドライブに保存することで、全体的なパフォーマンスを向上させることです。

ハイブリッド ドライブを実装するための主な構成には、デュアル ドライブ ハイブリッド システムとソリッド ステート ハイブリッド ドライブの 2 つがあります。デュアル ドライブ ハイブリッド システムでは、物理的に別々の SSD および HDD デバイスが同じコンピューターにインストールされ、エンド ユーザーが手動でデータ配置の最適化を実行するか、または「ハイブリッド」論理デバイスの作成を通じてオペレーティング システムによって自動的にデータ配置の最適化が実行されます。ソリッド ステート ハイブリッド ドライブでは、SSD および HDD の機能が 1 つのハードウェアに組み込まれ、データ配置の最適化はデバイスによって完全に実行されるか (自己最適化モード)、またはオペレーティング システムによって提供される配置の「ヒント」によって実行されます (ホスト ヒント モード)。

NAND フラッシュ メモリまたは SSD と HDD テクノロジーを 組み合わせた主な「ハイブリッド」ストレージ テクノロジーには、デュアル ドライブ ハイブリッド システムとソリッド ステート ハイブリッド ドライブの 2 つがあります。

デュアル ドライブ ハイブリッド システムは、同じコンピューターにインストールされた個別の SSD および HDD デバイスの使用を組み合わせます。パフォーマンスの最適化は、次の 3 つの方法のいずれかで管理されます。

1. コンピューター ユーザーが、より頻繁にアクセスするデータをより高速なドライブに手動で配置します。
2. コンピュータのオペレーティングシステムソフトウェアによって、SSDとHDDを単一のハイブリッドボリュームに組み合わせて、エンドユーザーに簡単なエクスペリエンスを提供します。オペレーティングシステムでのハイブリッドボリュームの実装の例としては、ZFSの「ハイブリッドストレージプール」、^[1] Linuxのbcacheとdm-cache、^[2] IntelのHystor ^[3]とAppleのFusion Drive、およびOS Xのその他の論理ボリューム管理ベースの実装^[4]などがあります。^[5]
3. 個々のストレージ ドライブの外部にあるチップセットによって制御されます。例としては、フラッシュ キャッシュ モジュール(FCM) の使用があります。FCM は、個別の SSD (通常はmSATA SSD モジュール) と HDD コンポーネントの使用を組み合わせ、ホスト ソフトウェア、デバイス ドライバー、またはその両方の組み合わせによってパフォーマンスの最適化を管理します。1 つの例は、特定の Intel チップセットと Intel ストレージ ドライバーの組み合わせによって実装される Intel Smart Response Technology (SRT) で、これは現在最も一般的な FCM ハイブリッド システムの実装です。このデュアル ドライブ システムと SSHD システムの違いは、必要に応じて各ドライブがオペレーティング システムによって個別にアドレス指定できることです。

ソリッドステートハイブリッドドライブ（SSHD）とは、ハードディスクドライブ（HDD）に大量のNANDフラッシュメモリを組み込み、単一の統合デバイスとした製品を指します。^{[6] SSHDという用語は、SSHDデバイスや、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の非統合型の組み合わせを説明するためにこれまで使用されてきた、より一般的なハイブリッドドライブという用語よりも正確な用語です。SSHDの基本的な設計原理は、パフォーマンスに最も直接関連するデータ要素（頻繁にアクセスされるデータ、ブートデータなど）を識別し、これらのデータ要素をNANDフラッシュメモリに保存することです。これは、標準的なHDDよりも大幅に向上したパフォーマンスを実現するのに効果的であることが 示されています^{[7] 。}

SSHD と混同されやすいデュアルドライブシステムの例としては、SSD と HDD の別々のコンポーネントを同じ 2.5 インチ HDD サイズのユニットに組み合わせ、同時に (SSHD とは異なり) これら 2 つのコンポーネントを 2 つの別個のパーティションとしてオペレーティング システムから表示およびアクセス可能にするラップトップの使用が挙げられます。WD の Black2 ドライブは典型的な例です。このドライブは、適切にパーティション分割することで別々の SSD と HDD として使用することも、ソフトウェアを使用して SSD 部分を自動的に管理し、ドライブを 1 つの大きなボリュームとしてユーザーに表示することもできます。^[8]

ハイブリッド ストレージ テクノロジの 2 つの形式 (デュアル ドライブ ハイブリッド システムと SSHD) では、HDD とより高速なテクノロジ (多くの場合、NAND フラッシュ メモリ) を組み合わせて、パフォーマンスの向上と大容量ストレージの可用性のバランスを実現することが目標です。通常、これは「ホット データ」、つまりパフォーマンスの向上に最も直接関連するデータを、ストレージ アーキテクチャの「高速」な部分に配置することで実現されます。

NAND フラッシュ メモリでどのデータ要素を優先するかを決定することが、SSHD テクノロジーの中核です。さまざまなベンダーが提供する製品は、デバイスファームウェア、デバイス ドライバー、またはソフトウェア モジュールとデバイス ドライバーを使用してこれを実現します。

自己最適化モード

この動作モードでは、SSHD はホスト オペレーティング システムまたはホスト デバイス ドライブから独立して動作し、NAND フラッシュ メモリに保存されるデータの識別に関連するすべての決定を行います。このモードでは、ホスト システムに対して従来のハード ドライブとまったく同じように表示され、動作するストレージ製品が実現します。

ホスト最適化モード（またはホストヒントモード）

この動作モードでは、SSHDは、 SATAインターフェースのシリアルATA国際機構（SATA-IO）標準のバージョン3.2で導入されたハイブリッド情報機能で定義されたSATAコマンドの拡張セットを有効にします。これらのSATAコマンドを使用して、どのデータ要素をNANDフラッシュメモリに配置するかは、ホストオペレーティングシステム、デバイスドライバー、ファイルシステム、またはこれらのホストレベルのコンポーネントの組み合わせによって決定されます。^[9]

SSHDドライブの特定の機能、例えばホストヒントモードなどは、オペレーティングシステム内からのソフトウェアサポートを必要とする。マイクロソフトはWindows 8.1にホストヒント操作のサポートを追加したが^[10]、Linuxカーネルのパッチは2014年10月から利用可能であり、 Linuxカーネルメインラインに組み込まれるのを待っている。^{[11] [12]}

ハイブリッドドライブ技術は、2007 年からの 10 年間で大きな進歩を遂げました。

• 2007年、シーゲイトとサムスンは、シーゲイト・モメンタスPSD ^[13]とサムスン・スピンポイントMH80 ^[14]製品で初のハイブリッドドライブを発表しました。両モデルとも2.5インチドライブで、128MBまたは256MBのNANDフラッシュメモリオプションを搭載していました。シーゲイトのモメンタスPSDは、モバイルエクスペリエンスを向上させるために電力効率を重視し、Windows VistaのReadyDriveに依存していました。これらの製品は広く採用されませんでした。^[15]
• 2010年5月、シーゲイトはMomentus XT ^{[16]と呼ばれる新しいハイブリッド製品を発表し、}ソリッドステートハイブリッドドライブという用語を使用しました。この製品は、ハードドライブの容量ポイントとSSDのようなパフォーマンスを組み合わせた利点を提供することに重点を置いていました。この製品は、4GBの統合NANDフラッシュメモリを搭載した500GBのHDDとして出荷されました。
• 2011 年 11 月、Seagate は容量を 750 GB に増やし、統合 NAND フラッシュ メモリを 8 GB に押し上げた、第 2 世代 SSHD を発表しました。
• 2012 年 3 月、Seagate は 500 GB と 1 TB の 2 つのモデルからなる第 3 世代のラップトップ SSHD を発表しました。どちらのモデルも 8 GB の統合 NAND フラッシュ メモリを搭載しています。
• 東芝は2012年9月、同社独自の8GBのSLC NANDフラッシュメモリと革新的な自己学習アルゴリズムを最大1TBのストレージ容量と組み合わせることで、SSDのようなパフォーマンスと応答性を実現する初のSSHDを発表しました。
• 2012 年 9 月、Western Digital (WD) は、コスト効率の高い MLC NAND フラッシュ メモリと磁気ディスクを組み合わせたハイブリッド テクノロジー プラットフォームを発表し、高性能で大容量の統合ストレージ システムを実現しました。
• 2012年11月、アップル社はFusion Driveという工場出荷時構成のデュアルドライブハイブリッドシステムをリリースした。^[17]
• 2015年10月、TarDiskは、最大256GBのフラッシュメモリサイズオプションを備えたプラグアンドプレイデュアルドライブハイブリッドシステム「TarDisk Pear」を発表しました。^[18]
• 2021 年 8 月、Western Digital は、新しいフラッシュ強化 HDD アーキテクチャである OptiNAND を発表しました。これは、パフォーマンスのために新しい iNAND 読み取り/書き込みキャッシュ システムを使用します。この機能は、書き込みフェーズ中に電源が失われた場合にデータの損失を防ぐためのものです。OptiNAND ドライブのシステム オン チップ (SoC) は、1 秒未満で、ドライブ内ですでに回転しているディスク プラッターによって生成された回転力を使用して、iNAND にキャッシュされたデータが不揮発性 NAND に転送されるまで内部コンデンサに電力を供給します。

2011年後半から2012年初頭にかけて、750GBのHDDと8GBのNANDキャッシュで構成されるSSHDを使用したベンチマークでは、SSHDはランダム読み取り/書き込みとシーケンシャル読み取り/書き込みではSSDのパフォーマンスを発揮しなかったが、アプリケーションの起動とシャットダウンではHDDよりも高速であることが判明した。^{[19] [20]}

2011 年のベンチマークでは、多くのアプリケーションを実行し、頻繁に使用されたシステムのイメージをロードして、新規インストールされたシステムのパフォーマンス上の利点を回避することが含まれていました。実際のテストでは、パフォーマンスは機械式 HDD よりも SSD に近いことがわかりました。さまざまなベンチマーク テストでは、SSHD は HDD と SSD の中間であることがわかりましたが、通常は SSD よりも大幅に遅いことがわかりました。キャッシュされていないランダム アクセス パフォーマンス (複数の 4 KB ランダム読み取りと書き込み) の場合、SSHD は同等の HDD よりも速くありませんでした。利点があるのは、キャッシュされたデータの場合のみです。著者は、SSHD ドライブが SSD 以外のドライブの中では大幅に優れており、ソリッド ステート キャッシュが大きいほどパフォーマンスが向上すると結論付けました。^[20]

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