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ソリッドステートドライブ（SSD ）は、集積回路を使用してデータを永続的に保存するタイプのソリッドステートストレージデバイスです。半導体ストレージデバイス、ソリッドステートデバイス、またはソリッドステートディスクと呼ばれることもあります。[ 1 ] [ 2 ]語源的には、「ソリッドステートドライブ」は、テープドライブやハードディスクドライブなど、機械的に駆動されるストレージメディアを使用する既存のデータストレージデバイスを部分的に指しています。
SSDは、不揮発性メモリ（一般的にはNANDフラッシュ）を用いてメモリセルにデータを保存します。SSDの性能と耐久性は、セルあたりのビット数によって異なり、高性能なシングルレベルセル（SLC）から、より安価だが低速なクワッドレベルセル（QLC）まで様々です。フラッシュベースのSSDに加え、3D XPointなどの他の技術も、異なるデータ保存メカニズムによって、より高速で耐久性の高いデータ保存を実現しています。
従来のハードディスクドライブ（HDD）とは異なり、SSDには可動部品がないため、データアクセス速度の向上、レイテンシの低減、物理的な衝撃に対する耐性の向上、消費電力の低減、そして静音動作を実現できます。
SSDは、HDDと同様の方法でシステムに接続されることが多く、パーソナルコンピュータ、エンタープライズサーバー、モバイルデバイスなど、さまざまなデバイスで使用されています。しかし、SSDは一般的にギガバイトあたりの価格が高く、書き込み回数に限りがあるため、時間の経過とともにデータ損失が発生する可能性があります。こうした制約があるにもかかわらず、SSDは特にパフォーマンスが重視されるアプリケーションや、多くのコンシューマーデバイスのプライマリストレージとして、HDDに取って代わりつつあります。
SSDには、 SATA、PCIe、NVMeなど、さまざまなフォームファクタとインターフェースタイプがあり、それぞれ異なるレベルのパフォーマンスを提供します。ソリッドステートハイブリッドドライブ（SSHD）などのハイブリッドストレージソリューションは、SSDとHDDの技術を組み合わせることで、純粋なSSDよりも低コストで優れたパフォーマンスを実現します。
SSDは半導体セルにデータを格納し、その特性は各セルに格納されるビット数（1～4）によって変化します。シングルレベルセル（SLC）はセルごとに1ビットのデータを格納し、高いパフォーマンスと耐久性を提供します。一方、マルチレベルセル（MLC）、トリプルレベルセル（TLC）、クワッドレベルセル（QLC）はセルごとに多くのデータを格納しますが、パフォーマンスと耐久性は低くなります。インテルのOptaneなどの3D XPointテクノロジーを使用するSSDは、セルに電荷を蓄積するのではなく、電気抵抗を変化させることでデータを格納するため、従来のフラッシュメモリと比較して高速でデータ保持期間が長くなります。[ 3 ] NANDフラッシュベースのSSDは、電源が供給されていないときに電荷が徐々に漏れますが、頻繁に使用されるコンシューマードライブは、通常、電源が供給されていない状態で1～2年後にデータが失われ始める可能性があります。[ 4 ] SSDには書き込み回数の制限があり、また、ストレージ容量がいっぱいになると速度が低下します。
SSDには内部並列処理機能があり、複数の操作を同時に処理できるため、パフォーマンスが向上します。[ 5 ]
HDDや同様の電気機械式磁気ストレージとは異なり、SSDには可動する機械部品がないため、物理的な衝撃に対する耐性、静音性、アクセス時間の短縮といった利点があります。レイテンシが低いため、HDDよりも高い入出力レート（IOPS）を実現します。[ 6 ]
IntelのHystorやAppleのFusion Driveのように、SSDの一部は従来のハードドライブとハイブリッド構成で組み合わされています。これらのドライブは、フラッシュメモリと回転する磁気ディスクの両方を使用して、頻繁にアクセスされるデータのパフォーマンスを向上させます。[ 7 ] [ 8 ]
従来のインターフェース（SATAやSASなど）と標準的なHDDフォームファクタにより、このようなSSDはコンピュータやその他のデバイスのHDDの代替品としてそのまま使用できます。mSATA 、 M.2 、 U.2 、 NF1 / M.3 / NGFF [ 9 ] [ 10 ] 、 XFM Express（クロスオーバーフラッシュメモリ、フォームファクタXT2）[ 11 ]、EDSFF [ 12 ] [ 13 ]などの新しいフォームファクタや、 PCI Express （PCIe）上のNVM Express（NVMe）などの高速インターフェースにより、HDDのパフォーマンスをさらに向上させることができます。[ 3 ]
従来のHDDベンチマークは、回転遅延やシーク時間などのパフォーマンス特性に焦点を当てる傾向があります。SSDはデータを探すために回転したりシークしたりする必要がないため、このようなテストではHDDよりもはるかに優れています。ただし、SSDは読み書きが混在する場合に課題があり、時間の経過とともにパフォーマンスが低下する可能性があります。そのため、SSDのテストでは通常、ドライブが初めて完全に使用されたときに評価されます。新品で空のドライブは、数週間使用した後よりも書き込みパフォーマンスがはるかに優れている可能性があるためです。[ 14 ]
HDDとSSDの信頼性はモデルによって大きく異なります。[ 15 ]一部の現場での故障率を見ると、SSDはHDDよりもかなり信頼性が高いことがわかります。[ 16 ] [ 17 ]しかし、SSDは突然の電源遮断に弱く、書き込みが中断されたり、ドライブが完全に失われたりすることもあります。[ 18 ]
ソリッドステートドライブが従来のハードドライブよりも優れている点のほとんどは、電気機械的ではなく完全に電子的にデータにアクセスできることによるもので、その結果、転送速度と機械的堅牢性が向上します。[ 19 ]一方、ハードディスクドライブは、価格に対してはるかに高い容量を提供します。[ 6 ] [ 20 ]
従来のHDDでは、書き換えられたファイルは通常、元のファイルと同じディスク表面上の位置を占めますが、SSDでは、摩耗平準化のために新しいコピーが異なるNANDセルに書き込まれることがよくあります。摩耗平準化アルゴリズムは複雑で、徹底的にテストすることは困難です。そのため、SSDでのデータ損失の主な原因の1つはファームウェアのバグです。[ 21 ] [ 22 ]
メモリカードとほとんどのSSDはどちらもフラッシュメモリを使用していますが、消費電力、パフォーマンス、サイズ、信頼性など、特性が大きく異なります。元々、ソリッドステートドライブはハードドライブのようにコンピュータに取り付けられていました。一方、メモリカード（Secure Digital（SD）、CompactFlash（CF）など多数）は元々デジタルカメラ用に設計され、後に携帯電話、ゲーム機器、GPSユニットなどにも使われるようになりました。ほとんどのメモリカードは物理的にSSDよりも小さく、繰り返し挿入および取り外しができるように設計されています。[ 41 ]
SSD は、従来の磁気ハードドライブとは異なる故障モードを持っています。ソリッドステートドライブには可動部品がないため、一般的に機械的な故障は発生しません。しかし、他の種類の故障が発生する可能性があります。たとえば、突然の停電による書き込みの不完全または失敗は、HDD よりも問題になる可能性があり、単一のチップの故障により、そこに保存されているすべてのデータが失われる可能性があります。それにもかかわらず、研究によると、SSD は一般的に信頼性が高く、多くの場合、メーカーが公表している寿命を超えており[ 42 ] [ 43 ]、HDD よりも故障率が低いことが示されています。[ 42 ]ただし、研究では、SSD は HDD と比較して、データ損失につながる可能性のある訂正不能エラーの発生率が高いことも指摘されています。[ 44 ]
SSDの耐久性は、通常、データシートに以下の2つの形式のいずれかで記載されています。
フラッシュNANDシステムの寿命を決定する基本的なパラメータは、プログラミング消去（P/E）サイクルの数です。TBWパラメータは、P/EサイクルリソースとSSD容量の積です。容量が1TBでTBW = 600TBのSSDの場合、P/Eサイクルの数は600です。[ 48 ]
SSDからのデータ復旧は、ソリッドステートドライブにおけるデータストレージの非線形かつ複雑な性質のため、困難を伴います。SSDの内部動作はメーカーによって異なり、コマンド（TRIMやATA Secure Eraseなど）やプログラム（hdparmなど）によって、削除されたファイルのビットを消去および変更できます。
JEDECソリッドステート技術協会（JEDEC）は、SSDの信頼性指標に関する標準を確立しており、これには以下が含まれます。[ 49 ]
分散コンピューティング環境において、SSDは分散キャッシュ層として利用でき、低速なHDDベースのバックエンドストレージシステムへの大量のユーザーリクエストを一時的に吸収します。この層は、ストレージシステム自体よりもはるかに高い帯域幅と低いレイテンシを提供し、分散キーバリューデータベースや分散ファイルシステムなど、さまざまな形式で管理できます。スーパーコンピュータでは、この層は一般的にバーストバッファと呼ばれます。
フラッシュメモリベースのソリッドステートドライブ（SSD）を使用すれば、汎用パーソナルコンピュータのハードウェアからネットワーク機器を構築できます。オペレーティングシステムとアプリケーションソフトウェアを格納した書き込み保護付きフラッシュドライブは、容量が大きく信頼性の低いディスクドライブやCD-ROMの代替として利用できます。このように構築された機器は、高価なルーターやファイアウォール機器に代わる安価な選択肢となります。
ライブSDオペレーティングシステムを搭載したSDカードをベースにしたSSDは、書き込みロックが容易です。クラウドコンピューティング環境やその他の書き込み可能なメディアと組み合わせることで、書き込みロックされたSDカードから起動されたOSは、信頼性が高く、永続的で、永続的なデータ破損の影響を受けません。
2011年、インテルはZ68チップセット（およびモバイル派生製品）向けにSmart Response Technologyと呼ばれるキャッシュ機構を導入しました。これにより、SATA SSDを従来の磁気ハードディスクドライブのキャッシュ（ライトスルーまたはライトバックとして構成可能）として使用できるようになりました。 [ 50 ]同様の技術はHighPointのRocketHybrid PCIeカードでも利用可能です。[ 51 ]
ソリッドステートハイブリッドドライブ（SSHD）は同じ原理に基づいているが、別個のSSDを使用する代わりに、従来のドライブに一定量のフラッシュメモリを統合している。これらのドライブのフラッシュ層は、ホストがATA-8コマンドを使用して磁気ストレージとは独立してアクセスできるため、オペレーティングシステムが管理できる。たとえば、MicrosoftのReadyDriveテクノロジーは、システムが休止状態になると休止ファイルの一部をこれらのドライブのキャッシュに明示的に保存し、その後の復帰を高速化する。[ 52 ]
デュアルドライブハイブリッドシステムは、同じコンピュータにインストールされた別々のSSDとHDDデバイスの使用を組み合わせ、全体的なパフォーマンスの最適化はコンピュータのユーザーまたは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管理されます。このタイプのシステムの例としては、Linuxのbcacheとdm-cache [ 53 ]、およびAppleのFusion Driveがあります。
SSD の主要コンポーネントは、コントローラとデータを保存するために使用されるメモリです。従来、初期の SSD はストレージに揮発性DRAMを使用していましたが、2009 年以降、ほとんどの SSD は、電源がオフになってもデータを保持する不揮発性NAND フラッシュメモリを使用しています。 [ 54 ] [ 3 ]フラッシュメモリ SSD は、不揮発性フローティングゲートメモリセルを使用して、金属酸化物半導体(MOS) 集積回路チップにデータを保存します。[ 55 ]
すべての SSD には、NAND メモリとホスト コンピュータ間のデータ フローを管理するコントローラが含まれています。コントローラは、パフォーマンスを最適化し、データを管理し、データの整合性を確保するためのファームウェアを実行する組み込みプロセッサです。[ 56 ] [ 57 ]
コントローラが実行する主な機能には、以下のようなものがあります。
SSD の全体的なパフォーマンスは、並列 NAND チップの数とコントローラの効率に応じてスケーリングできます。たとえば、NAND フラッシュ チップの並列処理を可能にするコントローラは、帯域幅を改善し、レイテンシを削減できます。[ 60 ]フラッシュ メモリ チャネルの数が増えると、生のフラッシュ メモリ ( ONFIベースのNAND フラッシュなど) の遅延が減少し、生のフラッシュ メモリの帯域幅が増加します。[ 61 ]
MicronとIntelは、データストライピングやインターリーブなどの技術を実装して読み書き速度を向上させることで、より高速なSSDを先駆けて開発しました。[ 62 ]さらに最近では、SandForceがフラッシュメモリに書き込まれるデータ量を削減するためにデータ圧縮を組み込んだコントローラを発表し、パフォーマンスと耐久性の両方を向上させる可能性を示しました。[ 63 ]
ウェアレベリングは、SSDで使用される技術で、書き込みと消去操作がフラッシュメモリのすべてのブロックに均等に分散されるようにします。これがないと、特定のブロックが繰り返し使用されて早期に摩耗し、SSDの全体的な寿命が短くなる可能性があります。このプロセスでは、使用頻度の低いデータ（コールドデータ）を頻繁に使用されるブロックから移動し、より頻繁に変更されるデータ（ホットデータ）をそれらのブロックに書き込むことができます。これにより、SSD全体に摩耗がより均等に分散されます。ただし、このプロセスでは、書き込み増幅と呼ばれる追加の書き込みが発生するため、パフォーマンスと耐久性のバランスを取るためにこれを管理する必要があります。[ 64 ] [ 65 ]
ほとんどのSSDは、主にコスト効率の良さと常時電源供給なしでデータを保持できる能力から、不揮発性NANDフラッシュメモリをデータストレージに使用しています。NANDフラッシュベースのSSDは半導体セルにデータを保存し、その具体的なアーキテクチャがパフォーマンス、耐久性、コストに影響を与えます。[ 67 ]
NANDフラッシュメモリには様々な種類があり、各セルに格納されるビット数によって分類されます。
時間の経過とともに、SSDコントローラはNANDフラッシュの効率を向上させ、インターリーブメモリ、高度なエラー訂正、ウェアレベリングなどの技術を組み込んで、パフォーマンスを最適化し、ドライブの寿命を延ばしてきました。[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ]ローエンドのSSDはQLCまたはTLCメモリを使用することが多いですが、エンタープライズやパフォーマンスが重要なアプリケーション向けのハイエンドドライブはMLCまたはSLCを使用する場合があります。[ 71 ]
平面NAND構造に加えて、現在では多くのSSDが3D NAND（またはV-NAND）を使用しており、メモリセルを垂直に積み重ねることで、ストレージ密度を高めながらパフォーマンスを向上させ、コストを削減しています。[ 74 ]
一部の SSD は NAND フラッシュの代わりに揮発性 DRAM を使用し、非常に高速なデータ アクセスを実現しますが、データを保持するには常時電源が必要です。DRAM ベースの SSD は通常、コストや不揮発性よりもパフォーマンスが優先される特殊なアプリケーションで使用されます。NVDIMM デバイスなどの多くの SSD には、内蔵バッテリーや外部 AC/DC アダプタなどのバックアップ電源が搭載されています。これらの電源により、停電時にデータがバックアップ システム (通常は NAND フラッシュまたは別のストレージ メディア) に転送され、データの破損や損失を防ぎます。[ 75 ] [ 76 ]同様に、ULLtraDIMMデバイスは DIMM モジュール用に設計されたコンポーネントを使用しますが、DRAM SSD と同様にフラッシュ メモリのみを使用します。[ 77 ]
DRAMベースのSSDは、高性能コンピューティングや特定のサーバー環境など、低遅延で高速なデータアクセスが必要なタスクによく使用されます。[ 78 ]
3D XPoint は、Intel と Micron が開発した不揮発性メモリ技術の一種で、2015 年に発表されました。[ 79 ]セル内の材料の電気抵抗を変化させることで動作し、NAND フラッシュよりもはるかに高速なアクセス時間を提供します。Intel の Optane ドライブなどの 3D XPoint ベースの SSD は、NAND ベースのドライブよりも低遅延で耐久性が高いですが、ギガバイトあたりの価格は高くなります。[ 80 ] [ 81 ]
ハイブリッドドライブまたはソリッドステートハイブリッドドライブ（SSHD）と呼ばれるドライブは、回転ディスクとフラッシュメモリのハイブリッドを使用します。[ 82 ] [ 83 ]一部のSSDは、データの保存に磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（MRAM）を使用します。[ 84 ] [ 85 ]
多くのフラッシュベースのSSDには、ハードディスクドライブのバッファと同様に、キャッシュとして少量の揮発性DRAMが含まれています。このキャッシュは、フラッシュメモリへの書き込み中にデータを一時的に保持することができ、論理ブロックとSSD上の物理的な場所のマッピングなどのメタデータも保存します。[ 60 ]このキャッシュは、フラッシュメモリから最近読み出されたデータも一時的に保持することができます。
SandForce社製のSSDコントローラなど、一部のSSDコントローラは、外部DRAMキャッシュを使用せずに高いパフォーマンスを実現しています。これらの設計は、オンチップSRAMなどの他のメカニズムを利用してデータを管理し、消費電力を最小限に抑えています。[ 86 ]
さらに、一部のSSDは、マルチレベルセル（MLC）またはトリプルレベルセル（TLC）SSDであっても、データを一時的にシングルレベルセル（SLC）モードで保存するためにSLCバッファメカニズムを使用します。これにより、より高速なSLCストレージにデータを書き込んでから、より低速で大容量のMLCまたはTLCストレージに移動できるため、書き込みパフォーマンスが向上します。[ 87 ]
NVMe SSDでは、ホストメモリバッファ（HMB）技術により、SSDは内蔵DRAMキャッシュに頼る代わりにシステムのDRAMの一部を使用することができ、高いパフォーマンスを維持しながらコストを削減できます。[ 86 ]
一部のハイエンドの消費者向けおよび企業向けSSDでは、ファイルテーブルマッピングと書き込みデータの両方をキャッシュするために、より多くのDRAMが搭載されており、書き込み増幅が低減され、全体的なパフォーマンスが向上します。[ 88 ]
高性能な SSD には、コンデンサ、スーパーキャパシタ、またはバッテリーが含まれている場合があり、予期せぬ電源喪失時にデータの整合性を維持するのに役立ちます。コンデンサまたはバッテリーは、キャッシュ内のデータを不揮発性メモリに書き込むのに十分な電力を供給し、データの損失を防ぎます。[ 86 ] [ 89 ]
マルチレベルセル（MLC）フラッシュメモリを使用する一部のSSDでは、上位ページをプログラム中に電源が失われると、「下位ページ破損」と呼ばれる問題が発生する可能性があります。これにより、以前に書き込まれたデータが破損する可能性があります。この問題を解決するために、一部のハイエンドSSDにはスーパーキャパシタが組み込まれており、突然の電源喪失時にもすべてのデータが安全に書き込まれるようになっています。[ 90 ]
コンシューマー向けSSDの中には、フラッシュ変換レイヤー（FTL）マッピングテーブルなどの重要なデータを保存するためのコンデンサを内蔵しているものがあります。例としては、Crucial M500やIntel 320シリーズなどがあります。[ 88 ] Intel DC S3700シリーズなどのエンタープライズクラスのSSDには、スーパーキャパシタやバッテリーなどのより堅牢な電力損失保護メカニズムが搭載されていることがよくあります。[ 91 ]
SSDのホストインターフェースとは、SSDとホストシステム間の通信に使用される物理コネクタと信号方式を指します。このインターフェースはSSDのコントローラによって管理され、従来のハードディスクドライブ（HDD）のインターフェースと類似していることがよくあります。一般的なインターフェースには以下のようなものがあります。
SSDは、オペレーティングシステムがSSDと通信するために使用するコマンドセットを定義する、さまざまな論理インターフェースをサポートする場合があります。一般的な論理インターフェースには、次の2つがあります。
デバイスのサイズと形状は、そのデバイスを構成する部品のサイズと形状によって大きく左右されます。従来のHDDや光ディスクドライブは、回転するプラッタや光ディスクと内部のスピンドルモーターを中心に設計されています。SSDは、相互接続されたさまざまな集積回路（IC）とインターフェースコネクタで構成されているため、その形状は回転メディアドライブの形状に限定されません。可動部品がなく軽量であるため、SSDには筐体がなく、プラグインボードのような形状になっています。サイズのもう一方の端には、ラックマウント型の筐体に多数のSSDを搭載した大型のソリッドステートストレージソリューションもあります。これらはすべて筐体内部の共通バスに接続され、筐体外では単一のコネクタで接続されます。[ 3 ]
一般的なコンピュータ用途では、2.5インチフォームファクタ（通常ノートパソコンに搭載され、ほとんどのSATA SSDに使用されている）が2010年代に最も人気があり、厚さは3種類（7.0mm、9.5mm、14.8mm、15.0mm。一部のモデルでは12.0mmも利用可能）ありました[ 99 ]。3.5インチハードディスクドライブスロットを備えたデスクトップコンピュータでは、簡単なアダプタプレートを使用することで、このようなドライブを取り付けることができます。他のタイプのフォームファクタは、エンタープライズアプリケーションでより一般的です。SSDは、Apple MacBook Air（2010年秋モデル以降）のように、デバイスの他の回路に完全に統合することもできます[ 100 ] 。 2014年現在mSATAやM.2といったフォームファクターも、主にノートパソコンにおいて人気を集めた。
現在のHDDフォームファクタを使用する利点は、ドライブをホストシステムにマウントして接続するために既に整備されている広範なインフラストラクチャを活用できることです。[ 3 ] [ 101 ]これらの従来のフォームファクタは、ドライブケースの寸法ではなく、回転メディアのサイズ（5.25インチ、3.5インチ、2.5インチ、または1.8インチ）で知られています。
DOM（Disk -on-A-Module）は、40/44ピンのパラレルATA（PATA）またはSATAインターフェースを備えたフラッシュドライブで、マザーボードに直接接続してコンピュータのハードディスクドライブ（HDD）として使用することを目的としています。DOMデバイスは従来のハードディスクドライブをエミュレートするため、特別なドライバやその他の特定のオペレーティングシステムサポートは必要ありません。DOMは通常、組み込みシステムで使用されます。組み込みシステムは、機械式HDDでは故障してしまうような過酷な環境で使用されることが多く、また、小型で低消費電力、静音動作が可能なため、シンクライアントにも使用されます。
SATA DOM にはいくつかの種類があります。最も伝統的なタイプは標準インターフェースをエミュレートし、7 ピンの SATA データ コネクタが 15 ピンの SATA 電源コネクタの横に配置されています。例としては、「ハーフ スリム SATA」MO-297 サイズ規格があります。基板スペースを節約するために、SATA データ コネクタのみを使用する小型の SATA DOM が作られました。Supermicro などが作った初期のタイプは、電源供給に別のBerg コネクタを使用していました。2012 年にInnodiskが作った 2 番目のタイプは、コネクタの 7 番目のピンを GND から VCC (+5V) に再利用しています。[ 102 ]「ピン 8 電源」と呼ばれる 3 番目のタイプは、側面の 2 つのプラスチック構造要素を GND と VCC 用の 2 つの金属接点に置き換えています。[ 103 ]これらの新しいタイプのSATADOMは非常に普及しているため、古い7+15ピンタイプはもはや事実上「SATADOM」とはみなされなくなっています。特に、このようなインターフェースを提供するマザーボードが少ないためです。（PATA DOMは、コネクタが3.3Vまたは5Vの電源を供給するため、電源に関する懸念はありません。これは、コンパクトフラッシュが電源を得る方法と同じです。）
マザーボード上のUSB 2.0ヘッダーピンに接続するように設計されたUSB DOMも存在する。
2016年現在、DOMのストレージ容量は4MBから 128GBまで幅広く 、物理的なレイアウトにも縦向きや横向きなど様々なバリエーションがあります。
ウルトラブックやタブレット端末など、スペースが限られている用途向けに、フラッシュベースのSSDではいくつかのコンパクトなフォームファクタが標準化された。
mSATAフォームファクターは、PCI Express Mini Cardの物理レイアウトを採用しています。電気的にはPCI Express Mini Cardのインターフェース仕様と互換性がありますが、同じコネクタを介してSATAホストコントローラへの追加接続が必要です。高性能SSDは、Mini-PCIeを使用してPCIeバスに直接アクセスする場合があります。
M.2フォームファクターは、以前は次世代フォームファクター（NGFF）として知られていましたが、mSATAとその物理レイアウトから、より使いやすく高度なフォームファクターへの自然な移行です。mSATAは既存のフォームファクターとコネクタを活用していましたが、M.2はカードスペースの使用を最大化し、フットプリントを最小限に抑えるように設計されています。M.2規格では、SATA SSDとPCI Express SSDの両方をM.2モジュールに取り付けることができます。[ 104 ]
M.2が標準化される前は、サーバー上でSATA/SASよりも高速な速度を実現するためにPCIeバスにアクセスする主な方法の1つは、PCIeスロットを経由することでした。一般的な形状は、HHHL（ハーフハイトハーフレングス）またはAIC（アドインカード）SSDと呼ばれています。[ 105 ] [ 106 ] [ 107 ]
初期の PCIe SSD の中には、PCIe バスに直接アクセスせず、単に PCIe-to-SATA/SAS ブリッジ デバイスと複数の SATA または SASフラッシュ コントローラが接続されているものもありました。これは、真の PCIe SSD がまだ新しかった2010 年には許容範囲内と考えられていました。 [ 108 ] [ 109 ]
この形状は、高性能・大容量ドライブの一部で現在も使用されています。PCIeスロットは16レーンのデータ転送と75ワットの電力供給が可能で、M.2スロットよりもはるかに優れています。また、大型ヒートシンクを取り付けるスペースも確保されています。さらに、他のフォームファクタ、特にPCIeインターフェースを備えたM.2ドライブを通常の拡張カードに変換するアダプタボードも存在します。
2000年代初頭、M-Systems（現SanDisk）のDiskOnChip [ 110 ]やSilicon Storage TechnologyのNANDrive [ 111 ] [ 112 ] （現在はGreenliant Systemsが製造）、組み込みシステムで使用するMemorightのM1000 [ 113 ]など、いくつかの企業がボールグリッドアレイ（BGA）フォームファクタのSSDを導入しました。BGA SSDの主な利点は、低消費電力、コンパクトなサブシステムに収まる小型チップパッケージサイズ、振動や衝撃による悪影響を軽減するためにシステムマザーボードに直接はんだ付けできることです。 [ 114 ]
2014年のDRAMベースのソリューションの多くは、ラックマウントシステムに収まるように設計されたボックスを使用しています。バックアップ電源とともにデータを保存するのに十分な容量を得るために必要なDRAMコンポーネントの数は、従来のHDDフォームファクタよりも大きなスペースを必要とします。[ 115 ]
SSDの柔軟性により、多くの特殊なフォームファクタが可能になり、その中にはPCへの初期の採用において重要だったものもある。[ 116 ]例えば、Viking TechnologyのSATADIMMは、マザーボード上の空いているDDR3 DIMMスロットを使用してSSDに電源を供給し、別のSATAコネクタでコンピュータへのデータ接続を行う。その結果、通常2.5インチドライブベイを占有するドライブと同等の容量を持つ、簡単にインストールできるSSDが実現する。[ 117 ]
ソリッドステートドライブ（SSD）に似た最初のデバイスは半導体技術を使用しており、初期の例としては1978年のStorageTek STC 4305がある。このデバイスはIBM 2305ハードドライブのプラグ互換代替品で、当初は電荷結合素子（CCD）をストレージに使用し、後にダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）に切り替えた。STC 4305は機械式の同等品よりも大幅に高速で、45MBの 容量で約40万ドルかかった。[ 118 ]初期のSSDのようなデバイスは存在したが、高価でストレージ容量が小さかったため、広くは使用されなかった。
1980年代後半、Zitelなどの企業は「RAMDisk」という名称でDRAMベースのSSD製品の販売を開始した。これらのデバイスは主にUNIVACやPerkin-Elmerなどが製造するような特殊なシステムで使用された。
現代のSSDの主要コンポーネントであるフラッシュメモリは、1980年に東芝の増岡富士夫によって発明されました。 [ 127 ] [ 128 ]フラッシュベースのSSDは、1989年にSanDiskの創設者によって特許が取得され、[ 129 ] 1991年にIBMノートパソコン向けの20MB SSDという最初の製品が発売されました 。[ 130 ]ストレージ容量は限られており、価格も高かった（約1,000ドル）ものの、これは従来のハードドライブの代替としてフラッシュメモリへの移行の始まりとなりました。[ 131 ]
1990年代には、STEC, Inc. [ 132 ] 、M-Systems [ 133 ] [ 134 ]、BiTMICRO [ 135 ] [ 136 ]など、フラッシュメモリドライブの新しいメーカーが登場しました。
技術の進歩に伴い、SSD は容量、速度、価格の面で劇的な改善を遂げました。[ 137 ] [ 138 ] [ 139 ] [ 140 ] 2016 年までに、市販の SSD は、入手可能な最大の HDD よりも容量が大きくなりました。[ 141 ] [ 142 ] [ 143 ] [ 144 ] [ 145 ] 2018 年までに、フラッシュベースの SSD は エンタープライズ製品で最大 100 TB の容量に達し、コンシューマー向け SSD は最大 16 TB の容量を提供しました。[ 119 ]これらの進歩に伴い、読み書き速度も大幅に向上し、一部のハイエンドのコンシューマー向けモデルでは最大 14.5 GB/s の速度に達しました。[ 121 ]
2021年に、ゾーンネームスペース（ZNS）を備えたNVMe 2.0が発表されました。ZNSは、データをメモリ内の物理的な場所に直接マッピングできるため、フラッシュ変換レイヤーなしでSSDに直接アクセスできます。[ 146 ] 2024年、Samsungは、ハイブリッドPCIeインターフェースを備えた世界初のSSDであるSamsung 990 EVOを発表しました。ハイブリッドインターフェースは、x4 PCIe 4.0モードまたはx2 PCIe 5.0モードのいずれかで動作し、M.2 SSDとしては初めてです。[ 147 ]
SSDの価格も劇的に下落しており、1ギガバイトあたりのコストは1991年の約5万ドルから2020年には0.05ドル未満にまで下がっている。[ 126 ]
エンタープライズフラッシュドライブ（EFD）は、高速な入出力操作/秒（ IOPS ）、信頼性、エネルギー効率を必要とする高性能アプリケーション向けに設計されています。EFDは、多くの場合、コンシューマー向けSSDよりも高い仕様を備えているため、ミッションクリティカルなアプリケーションに適しています。この用語は、2008年にEMCがエンタープライズ環境向けに構築されたSSDを説明するために初めて使用しました。[ 148 ] [ 149 ]
EFDの一例として、2012年に発売されたIntel DC S3700シリーズが挙げられます。これらのドライブは、IOPSの変動を狭い範囲内に維持する安定したパフォーマンスが特徴で、これはエンタープライズ環境にとって非常に重要です。[ 150 ]
もう一つの重要な製品は、2016年に発売された東芝PX02SSシリーズです。オンライン取引処理などの書き込み集中型アプリケーション向けに設計されたこれらのドライブは、優れた読み書き速度と高い耐久性を実現しています。[ 151 ]
2017年、インテルはOptaneブランドで3D XPointテクノロジーに基づくSSDを発表しました。NANDフラッシュとは異なり、3D XPointはデータを保存する別の方法を使用しており、IOPSパフォーマンスは向上していますが、シーケンシャル読み取りおよび書き込み速度は従来のSSDに比べて遅いままです。[ 152 ]
SSD技術は改良が進み、超小型モバイルPCや軽量ノートパソコンシステムでの利用が増えています。最初に発売されたフラッシュメモリSSD搭載PCは、2006年6月27日に予約販売が開始され、16GBの フラッシュメモリハードドライブを搭載して2006年7月3日に日本で出荷が開始されたSony Vaio UX90です。[ 153 ] SSDをメインストリーム向けに発売した最初の製品の一つは、 One Laptop Per Childプロジェクトの一環として製造されたXO Laptopです。発展途上国の子供向けに製造されたこれらのコンピュータの量産は、2007年12月に開始されました。2009年までに、Dell[ 154 ] [ 155 ] [ 156 ]、東芝[ 157 ] [ 158 ]、Asus [159]、Apple[160]、Lenovo [ 161 ]がSSD搭載ノートパソコンの製造を開始しました。
2010年までに、AppleのMacBook Airシリーズは標準でソリッドステートドライブを使用するようになりました。[ 162 ] [ 160 ] 2011年には、IntelのUltrabookがMacBook Air以外で初めて広く入手可能なSSD搭載の消費者向けコンピュータとなりました。[ 163 ]現在、SSDデバイスは多くの企業によって広く使用および販売されており、その中に含まれるNANDフラッシュデバイスを製造している企業は少数です。[ 164 ]
SSDの出荷台数は2009年には約1100万台[ 165 ] 、 2011年には1730万台[ 166 ]に増加し、市場規模は50億米ドル[ 167 ]に達した。出荷台数は2012年には3900万台まで増加し続け、2013年には8300万台[ 168 ] 、 2016年には2億140万台[ 166 ]、2017年には2億2700万台[ 169 ]に達すると予測された。
Tom's Hardwareは、Yole Groupの2024年の分析を引用し、SSDの売上高が2022年の290億ドルから2028年には670億ドルに増加すると予測した。[ 170 ]
世界のソリッドステートドライブ（SSD）市場は、データセンターの拡張、クラウドコンピューティングサービス、および家電製品のアップグレードに対する需要の高まりに牽引され、2024年から2030年の間に大幅に成長すると予測されています。[ 171 ] Grand View Researchは2024年のレポートで、SSD市場を2023年に191億米ドルと推定し、2030年までに551億米ドルに達すると予測しました。[ 171 ] Mordor Intelligenceは別の2024年の調査で、2024年の市場を634億5000万米ドルと評価し、2030年までに1728億2000万米ドルに成長すると予測しました。[ 172 ]
ハードディスクドライブで使用されるファイルシステムは、通常、ソリッドステートドライブでも使用できます。SSDをサポートするファイルシステムは、一般的にTRIMコマンドもサポートしており、これによりSSDは不要になったデータを再利用できます。ファイルシステムは、ウェアレベリングやその他のフラッシュメモリ特性を管理する必要はありません。これらはSSDによって内部的に処理されるためです。ログ構造のファイルシステム（F2FS、JFFS2など）の中には、特にファイルシステムのメタデータを更新する場合など、変更されるデータ量が非常に少ない状況で、SSDの書き込み増幅を軽減するのに役立つものがあります。
オペレーティングシステムが個別のスワップパーティションでのTRIMをサポートしていない場合、代わりに通常のファイルシステム内のスワップファイルを使用できる可能性があります。たとえば、macOSはスワップパーティションをサポートしていません。ファイルシステム内のファイルへのスワップのみを行うため、たとえばスワップファイルが削除された場合などにTRIMを使用できます。
2010年以降、標準的なLinuxドライブユーティリティはデフォルトで適切なパーティションアライメントを処理するようになりました。[ 173 ]
TRIM 操作のカーネル サポートは、 2010 年 2 月 24 日にリリースされた Linux カーネル メインラインのバージョン 2.6.33 で導入されました。 [ 174 ] ext4 、Btrfs、XFS、JFS、およびF2FSファイルシステムには、discard (TRIM または UNMAP) 機能のサポートが含まれています。exFATやNTFS-3Gなどの非ネイティブ ファイルシステムも TRIM をサポートしています。ファイル削除時に TRIM を自動的に使用するには、ファイルシステムをパラメーターを使用してマウントする必要があります。Linux のスワップパーティションは、基となるドライブが TRIM をサポートしている場合、デフォルトで discard 操作を実行しますが、これを無効にすることもできます。[ 175 ] [ 176 ] [ 177 ] TRIM コマンドがコマンド キューを中断しないようにするSATA 3.1 の機能であるキュー付き TRIM のサポートは、2013 年 11 月 2 日にリリースされた Linux カーネル 3.12 で導入されました。[ 178 ]discard
カーネルレベルのTRIM操作の代替手段として、ユーザー空間ユーティリティを使用する方法があります。フストリムファイルシステム内の未使用ブロックをすべて走査し、それらの領域に対してTRIMコマンドをディスパッチします。フストリムこのユーティリティは通常、cronまたはsystemdによってスケジュールされたタスクとして実行されます。TRIMをサポートするファイルシステムは引き続き必要です。[ 179 ]
書式設定やサイズ変更で未使用スペースが切り取られるかどうかは、実装によって異なります。たとえば、mke2fsext2/3/4 フォーマット用のプログラムは、デフォルトではブロック全体に TRIM コマンド (サポートされている場合) を発行しますが、 [ 180 ]resize2fsext2/3/4 のサイズ変更プログラムは、縮小後に残った未使用領域を TRIM しません。[ 181 ]サイズ変更後の TRIM は、代わりに次の方法で行われます。fdiskまたはsfdiskパーティションテーブルを編集するプログラム。[ 182 ]
さらに、bcacheは、HDDなどの低速ドライブの読み書きキャッシュとしてSSDが機能するように設計されています。[ 183 ]
Mac OS X 10.6.8 (Snow Leopard) 以降のバージョンでは TRIM がサポートされていますが、Apple で購入した SSD でのみ使用できます。[ 184 ]サードパーティ製ドライブでは、外付けのリムーバブル SSD を除いて、TRIM は自動的に有効になりませんが、Trim Enablerなどのサードパーティ製ユーティリティを使用して有効にすることができます。TRIM の状態は、システム情報アプリケーションまたはコマンドラインツールで確認できますsystem_profiler。
OS X 10.10.4 (Yosemite) 以降のバージョンには、sudo trimforce enableApple製以外の SSD で TRIM を有効にするターミナル コマンドが含まれています。[ 185 ] Mac OS X 10.6.8 より前のバージョンでも TRIM を有効にする方法がありますが、それらの場合、TRIM が実際に適切に利用されているかどうかは不明です。[ 186 ]
Windows 7 より前は、Microsoft Windows はソリッドステートドライブをサポートするための特別な措置を講じていませんでした。Windows 7 以降、標準のNTFS ファイルシステムはTRIM コマンドをサポートしています。[ 187 ]
デフォルトでは、Windows 7 以降のバージョンでは、デバイスがソリッドステート ドライブとして検出され、ファイルシステム ドライバーが TRIM (NTFS または ReFS) をサポートしている場合、TRIM コマンドが自動的に実行されます。ただし、TRIM は解放されたすべての領域を不可逆的にリセットするため、ウェア レベリングよりもデータ リカバリを有効にすることが優先される場合は、サポートを無効にすることが望ましい場合があります。[ 188 ] Windows は、ファイル削除操作以外にも TRIM を実装しています。TRIM 操作は、フォーマットや削除などのパーティション レベルおよびボリューム レベルのコマンド、切り捨てや圧縮に関連するファイルシステム コマンド、およびシステムの復元 (ボリューム スナップショットとも呼ばれる) 機能と統合されています。[ 189 ]
ソリッドステートドライブではデフラグを無効にする必要があります。なぜなら、SSD 上のファイルコンポーネントの位置はパフォーマンスに大きな影響を与えませんが、Windows デフラグルーチンを使用してファイルを移動して連続させると、SSD の限られた書き込みサイクル数で不要な書き込み摩耗が発生するからです。SuperFetch機能もパフォーマンスを大幅に向上させることはなく、システムと SSD に追加のオーバーヘッドを引き起こします。[ 190 ] Windows 8.1 以降、Windows デフラグルーチンは、SSD として検出されたパーティションを「リトリム」(TRIM) するようになりました。[ 191 ]
Windows Vista は一般的に SSD ではなくハードディスク ドライブを想定しています。[ 192 ] [ 193 ] Windows Vistaには、USB で接続されたフラッシュ デバイスの特性を活用するReadyBoost が含まれていますが、SSD の場合は、SSD の速度を低下させる読み取り、変更、書き込み操作を防ぐために、デフォルトのパーティション アライメントを改善するだけです。ほとんどの SSD は通常 4 KiB セクターに分割されていますが、以前のシステムは 512 バイト セクターに基づいており 、デフォルトのパーティション設定は 4 KiB 境界にアライメントされていません。[ 194 ] Windows Vista はソリッドステート ドライブに TRIM コマンドを送信しませんが、SSD Doctor などのサードパーティ ユーティリティは定期的にドライブをスキャンし、適切なエントリを TRIM します。[ 195 ]
Windows 7 以降のバージョンでは、SSD がネイティブでサポートされています。[ 189 ] [ 196 ]オペレーティングシステムは SSD の存在を検出し、それに応じて動作を最適化します。SSD デバイスの場合、Windows 7 ではReadyBoostと自動デフラグが無効になります。[ 197 ]しかし、 Windows 7 のリリース前に Steven Sinofsky が最初に述べたこととは異なり、[ 189 ]デフラグは無効になっていませんが、SSD での動作は異なります。[ 198 ] 1 つの理由は、断片化された SSD でのボリューム シャドウ コピー サービスのパフォーマンスが低いことです。[ 198 ] 2 番目の理由は、ボリュームが処理できるファイル フラグメントの実質的な最大数に達することを避けるためです。[ 198 ]
Windows 7には、オペレーティングシステムが既に無効と判断したデータのガベージコレクションを削減するためのTRIMコマンドのサポートも含まれています。[ 199 ] [ 200 ]
Windows 8.1以降のWindowsシステムでは、NVMeベースのPCI Express SSDの自動TRIMもサポートされています。Windows 7の場合、この機能を使用するにはKB2990941アップデートが必要であり、NVMe SSDにWindows 7をインストールする必要がある場合は、DISMを使用してWindowsセットアップに統合する必要があります。Windows 8/8.1では、USB接続SSDまたはSATA-to-USBエンクロージャ用のSATA TRIMに相当するSCSI unmapコマンドもサポートされています。これはUSB Attached SCSI Protocol（UASP）でもサポートされています。
Windows 7 では内蔵 SATA SSD の自動 TRIM がサポートされていましたが、Windows 8.1 以降では SATA、NVMe、USB で接続された SSD の自動 TRIM に加えて手動 TRIM もサポートされています。手動 TRIM は拡張されたWindows デフラグユーティリティからアクセスできます。[ 191 ]
Solarisバージョン 10 Update 6 (2008 年 10 月リリース) 以降、およびOpenSolaris、Solaris Express Community Edition、Illumos、Linux 上の ZFSを搭載したLinux、FreeBSDの最新バージョンでは、 ZFSのパフォーマンス向上に SSD を使用できます。低遅延 SSD は、ZFS インテント ログ (ZIL) に使用でき、ZIL では SLOG と呼ばれます。SSD は、読み取り用のデータをキャッシュするために使用されるレベル 2アダプティブ 置換キャッシュ(L2ARC) にも使用できます。[ 201 ]
FreeBSD 用の ZFS は 2012 年 9 月 23 日に TRIM のサポートを導入しました。[ 202 ] Unixファイルシステムも TRIM コマンドをサポートしています。[ 203 ]
以下は、ソリッドステートドライブ（およびその他のコンピュータ記憶装置）の規格策定に取り組む主要な標準化団体および組織です。下の表には、ソリッドステートドライブの普及を促進する団体も含まれています。これは必ずしも網羅的なリストではありません。
製品は2016年に発売予定で、Ultrabookからサーバーまであらゆる用途に対応する標準SSD（PCIe）フォームファクターと、Xeonシステム向けに帯域幅をさらに拡大しレイテンシを低減するDIMMフォームファクターの両方が用意される。予想通り、インテルは3D XPointメモリに最適化されたストレージコントローラを提供する予定だ。