ハードディスクドライブの性能特性

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（または速度）の2つのカテゴリに分類できます。^[3]

回転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にかかる時間の測定値です。回転ドライブで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。これは、ストレージデバイスのパフォーマンスを評価するときに単一の値を得るために合計される、いくつかの独立して測定可能な要素で構成されています。アクセス時間は大幅に異なる可能性があるため、通常はメーカーによって提供されるか、ベンチマークで平均として測定されます。^{[3] [4]}

アクセス時間を得るために通常加算される主要な要素は以下のとおりです。^{[2] [5]}

• シークタイム
• 回転待ち時間
• コマンド処理時間
• 決済時間

回転式ドライブの場合、シーク時間は、アクチュエータ アームのヘッド アセンブリが、データの読み取りまたは書き込み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またはらせん状) 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の読み取りまたは書き込みを必要とする場合、ドライブは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特定のトラックに移動します。ヘッドの最初の位置が目的のトラックだった場合、シーク時間はゼロになります。最初のトラックがメディアの最も外側の端で、目的のトラックが最も内側の端にあった場合、シーク時間はそのドライブの最大になります。^{[7] [8]}アクチュエータ アームの加速と減速の要因のため、シーク時間は移動したシーク距離と直線的ではありません。^[9]

回転式ドライブの平均シーク時間は、すべての可能なシーク時間の平均であり、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ものですが、実際には統計的手法によって決定されるか、または単にトラック数の3分の1を超えるシークの時間として概算されます。^{[5] [7] [10]}

最初のHDD ^[11]の平均シーク時間は約600ミリ秒でした。^[12]そして1970年代半ばまでには、シーク時間が約25ミリ秒の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、ヘッドを動かすためにステッピングモーターを使用していたものがあり、その結果、シーク時間は80〜120ミリ秒と遅くなりましたが、 1980年代にボイスコイルタイプの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20ミリ秒に短縮されました。シーク時間は時間の経過とともにゆっくりと改善され続けています。

2010年の最速のハイエンドサーバードライブのシークタイムは約4 ミリ秒でした。^[14]一部のモバイルデバイスには15ミリ秒のドライブがあり、最も一般的なモバイルドライブは約12ミリ秒で^[15]、最も一般的なデスクトップドライブは通常約9ミリ秒です。

他にあまり一般的ではないシーク測定には、トラック間とフルストロークがあります。トラック間測定は、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、これは通常0.2〜0.8ミリ秒です。^[16]フルストローク測定は、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]

ショートストロークとは、エンタープライズストレージ環境で使われる用語で、意図的に総容量を制限したHDDのことを指し、アクチュエータがヘッドを移動させるトラックの総数が少なくて済むようにするものです。^[17]これにより、ヘッドがドライブ上の任意のポイントから移動できる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。シーク時間が短縮されると、HDDはドライブから利用できるIOPSの数を増やすことができます。最大トラック範囲が狭くなると、ストレージの使用可能な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、静かなコンピュータなどの特定のアプリケーションでは重要です。低ノイズディスクは通常、流体ベアリングを使用し、回転速度を低くし（通常5,400 rpm）、負荷時のシーク速度（AAM）を下げて、クリック音やバリバリ音を減らします。より小さなフォームファクタ（例：2.5インチ）のドライブは、より大きなドライブよりも静かであることがよくあります。^[20]

デスクトップおよびラップトップ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の騒音の間でトレードオフできるものもあります。たとえば、Seagate は、一部のドライブにサウンドバリアテクノロジーと呼ばれる機能セットを提供しており、これにはユーザーまたはシステムが制御する騒音と振動の低減機能が含まれています。シーク時間が短くなると、通常、ヘッドをプラッター上で素早く移動させるのに多くのエネルギーが必要になり、シーク動作の開始時にヘッドが急速に加速され、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騒音が発生し、デバイスの振動が大きくなります。静かな動作では移動速度と加速率は低下しますが、シーク性能は低下します。^[21]

回転待ち時間（回転遅延または単に待ち時間と呼ばれることもある）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置かれるまでの遅延である。 ^{[22]これは、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、毎分回転数（RPM）で測定される。^{[5] [23]}ほとんどの磁気メディアベースのドライブでは、平均回転待ち時間は通常、そのようなドライブの平均待ち時間（ミリ秒）が回転周期の半分であるという経験的関係に基づいている。最大回転待ち時間は、スピンアップ時間（要求が到着したときにディスクの関連部分がヘッドを通過したばかりである可能性があるため）を除いて、完全に回転するのにかかる時間である。^[24]

• 最大レイテンシ = 60/rpm
• 平均レイテンシ = 0.5*最大レイテンシ

したがって、ディスクの回転速度を上げることで、回転待ち時間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]これには、スループットを改善（増加）するという利点もあります（この記事の後半で説明します）。

スピンドル モーターの速度は、2 種類のディスク回転方法のいずれかを使用できます。1)一定線速度(CLV) は主に光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が変化します。2)一定角速度(CAV) は HDD、標準 FDD、いくつかの光ディスク システム、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。

表面ビット密度が一定かどうかによって、別の問題が生じます。通常、CAV スピン レートでは、密度は一定ではないため、長い外側のトラックのビット数は、短い内側のトラックの数と同じになります。ビット密度が一定の場合、外側のトラックのビット数は内側のトラックの数より多く、通常は CLV スピン レートと組み合わされます。これらの両方の方式では、連続ビット転送速度は一定です。これは、CAV スピン レートで一定のビット密度を使用するなどの他の方式に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できない問題（特にスピンアップ時）や、その後に発生する廃熱の除去、環境および電気コストの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）。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形式の電力管理をサポートしています。実装されると、HDDはドライブの使用状況に応じて、フルパワーモードと1つ以上の省電力モードの間で切り替わります。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、完全に機能するまでに数秒かかる場合があり、その結果、レイテンシが増加します。^[25]ドライブメーカーは現在、電力を削減するが、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、レイテンシに悪影響を与える可能性のあ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。^[26]

のコマンド処理時間またはコマンドオーバーヘッドは、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で必要な通信を確立し、データの読み取りまたは書き込みを行うのにかかる時間です。これは3μs程度で、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では通常は無視されます。^[2][27]

の安定時間とは、ヘッドがターゲットトラック上で安定しトラック外で。この時間は通常非常に短く、典型的には100μs未満であり、現代のHDDメーカーはシーク時間の仕様にこれを考慮している。^[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（ディスク表面とドライブのコントローラ間のデータ移動）と外部速度（ドライブのコントローラとホストシステム間のデータ移動）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またはバッファ 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 レート、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]}

メディアレート

ドライブがメディアの表面からビットを読み取ることができる速度。

セクターオーバーヘッド時間

ドライブの管理、データの検索と検証、その他のサポート機能の実行に必要な制御構造やその他の情報に必要な追加時間（セクター間のバイト数）。^[30]

ヘッドスイッチタイム

電気的にヘッドを切り替え、ヘッドをトラックに再配置して読み取りを開始するのに必要な追加時間。マルチヘッドドライブにのみ適用され、約1～2ミリ秒です。^[30]

シリンダー切り替え時間

次のシリンダーの最初のトラックに移動して読み取りを開始するのに必要な追加時間。シリンダーという名前が使われているのは、通常、複数のヘッドまたはデータ面を持つドライブのすべてのトラックがアクチュエーターを動かす前に読み取られるためです。この時間は通常、トラック間のシーク時間の約2倍です。2001年時点では、約2〜3ミリ秒でした。^[31]

データ転送速度 (読み取り/書き込み) は、特殊な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、そのファイルを読み戻すことで測定できます。

• ベンダーの仕様によると、最大 204 MB/秒の持続転送速度が利用可能です。^[32] 2010 年現在^{[アップデート]}、一般的な 7,200 RPM デスクトップ HDD の「ディスクからバッファへの」データ転送速度は最大 1030 Mbit/秒です。^[33]この速度はトラックの位置によって異なり、外側のゾーン (トラックあたりのデータ セクタ数が多い) では高くなり、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) では低くなります。また、10,000 RPM ドライブでは一般的にいくらか高くなります。
• フロッピー ディスク ドライブは、HDD よりも 1 桁または 2 桁低い「ディスクからバッファへの」データ転送速度を維持しています。
• 持続的な「ディスクからバッファへの」データ転送速度は光ディスク ドライブのファミリによって異なりますが、最も遅い1 倍速 CD はフロッピー ディスク並みの 1.23 Mbit/s ですが、高性能の12 倍速 Blu-ray ドライブは 432 Mbit/s で HDD のパフォーマンスに近づきます。

現在広く使用されている「バッファからコンピュータへの」インターフェースの標準は 3.0 Gbit/s SATA です。これは、バッファからコンピュータに約 300 MB/s (10 ビット エンコーディング) を送信できるため、今日のディスクからバッファへの転送速度よりも大幅に優れています。

SSD には HDD と同じ内部制限がないため、内部および外部の転送速度は、ドライブとホスト間のインターフェイスの機能を最大化することがよくあります。

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。 ^[34]一部のコンピューターオペレーティングシステムは、デフラグを自動的に実行します。自動デフラグはアクセス遅延を減らすことを目的としていますが、コンピューターの使用中に実行すると、応答が遅くなる可能性があります。^[35]

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、密度を上げ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。^[36] 面密度(ディスクの特定の領域に保存できるビット数) は、ディスク全体のトラック数とトラックあたりのセクター数の両方を増やすことで、時間の経過とともに増加しています。後者は、特定の 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ー数) を増やすことによってのみ、面密度と相関しています。ディスク上のトラック数を単に増やすと、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 年までの業界オブザーバーとアナリストによると、^{[37] [38]}「現在のロードマップでは、ビット密度が年間 20% 以上向上するとは予測されていません」。^[39]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ません。

セクター インターリーブは、データ レートに関連する、ほとんど廃止されたデバイス特性で、コンピューターが遅すぎて大量の連続データ ストリームを読み込むことができなかった時代にまで遡ります。インターリーブにより、データ セクター間にギャップが生じ、低速の機器が次のデータ ブロックの読み取りを準備する時間を確保します。インターリーブがなければ、機器の準備が整う前に次の論理セクターが読み取り/書き込みヘッドに到着し、読み取りを実行する前にシステムがディスクの 1 回転を待つ必要があります。

ただし、インターリーブによりデータ ブロック間に意図的な物理的遅延が生じ、データ レートが低下するため、インターリーブを必要以上に高い比率に設定すると、セクターをより速く読み取るために必要なパフォーマンスを持つ機器で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、ドライブがシステムに最初にインストールされたときに、エンド ユーザーが特定のコンピュータ システムのパフォーマンス機能に合わせて選択します。

現代の技術では、回転するプラッターから取得できるのと同じ速度でデータを読み取ることができるため、インターリーブは使用されなくなりました。

消費電力は、ラップトップ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したり（特にスピンアップ用）、その後に発生する廃熱を除去したりする問題や、環境および電気コストの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）。熱放散は消費電力に直接関係しており、ドライブが古くなると、ドライブ温度の上昇によりディスク障害率が上昇します。 ^[40]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ています。フォームファクターの小さいドライブは、大きいドライブよりも消費電力が少ないことがよくあります。この分野での興味深い開発の1つは、シーク速度を積極的に制御して、ヘッドがセクターの読み取り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。できるだけ早く到着してからセクターが一周するのを待つ（つまり、回転待ち時間）のではなくなります。^[41]現在、多くのハードドライブ企業が、はるかに少ない電力と冷却を必要とする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い（7,200、10,000、15,000rpmと比較して5,400rpm未満）ため、発熱量が少なくなります。また、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、回転速度を調整し、^[42]使用していないときに内部コンポーネントを無効にすることでも消費電力を削減できます。^[43]

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影響することはほとんどありませんが、複数のドライブを備えたシステムでは、ドライブのスピンアップを制御することで、電源装置に要求される最大電力、つまり必要な定格電力を削減できます。

• SCSI ハードディスク ドライブでは、SCSI コントローラがドライブのスピン アップとスピン ダウンを直接制御できます。
• 一部のパラレル ATA (PATA) およびシリアル ATA (SATA) ハード ディスク ドライブは、スタンバイ時の電源投入 (PUIS) をサポートしています。各ドライブは、コントローラまたはシステム BIOS が特定のコマンドを発行するまで起動しません。これにより、ディスクの起動をずらして、電源投入時の最大電力需要を制限するようにシステムを設定できます。
• SATA II以降のハードディスクドライブの中には、段階的なスピンアップをサポートしているものがあり、コンピュータがドライブを順番にスピンアップして起動時の電源負荷を軽減することができます。^[44]

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源モードを使用する何らかの形式の電源管理をサポートしています。実装されると、HDDはドライブの使用状況に応じて、フルパワーモードと1つ以上の省電力モードの間で切り替わります。通常スリープと呼ばれる最も深いモードからの回復には、数秒かかる場合があります。^[45]

耐衝撃性はモバイルデバイスにとって特に重要です。一部のラップトップには、落下時にディスクヘッドを一時停止す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、できれば衝撃を受ける前に停止することで、そのような事態でも生き残る可能性を最大限に高めます。現在の最大耐衝撃性は、動作時で350 g、非動作時で1,000 gです。^[46]

シングル磁気記録（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、持続ランダム書き込みはSMRドライブで大幅に遅くなります。^[47] SMR技術は書き込み性能の低下を引き起こすため、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可能）を備えた一部の新しいHDDは、異なるSMR/CMR比率でさまざまな特性を持つ場合があります。^[48]

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SSDの性能を測定するの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いくつかの電気ベースの要素の影響を受けます。^[49]

シークタイムの測定は、ストレージデバイス内のメモリ上の特定の場所を準備する電子回路のみをテストします。一般的なSSDのシークタイムは0.08〜0.16ミリ秒です。^[16]

フラッシュメモリベースの SSD ではデフラグは必要ありません。ただし、ファイルシステムは、SSD が管理するデータブロック (256 KB から 4 MB、つまりブロックあたり 128 ページから 256 ページ) よりも小さいデータページ (2K、4K、8K、または 16K) を書き込むため、[ ^50]時間の経過とともに、ドライブがファイルシステムに部分的または不要になったページでいっぱいになり、SSD の書き込みパフォーマンスが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、繰り返し書き込まれるため、時間の経過とともに摩耗します。デフラグに必要な書き込みは、速度上の利点がなく、ドライブを摩耗させます。^[51]

• 仮想RPM
• ハイブリッドドライブ
• IOPS
• 標準RAIDレベル