書き込み増幅

書き込み増幅( WA ) は、フラッシュ メモリやソリッド ステート ドライブ(SSD)に関連する望ましくない現象であり、ストレージ メディアに物理的に書き込まれる実際の情報量が、書き込まれる予定の論理量の倍数になります。

フラッシュメモリは、書き換える前に消去する必要があり、消去操作の粒度は書き込み操作に比べてはるかに粗いため、^[a]これらの操作を実行するプロセスでは、ユーザーデータとメタデータが複数回移動（または書き換え）されます。したがって、一部のデータを書き換えるには、フラッシュの既に使用されている部分を読み取り、更新し、新しい場所に書き込む必要があり、新しい場所が以前に使用されていた場合は最初に消去する必要があります。フラッシュの動作方法により、新しいデータの量によって実際に必要なよりもはるかに多くのフラッシュ部分を消去して書き換える必要があります。この乗算効果により、SSD の寿命全体に必要な書き込み回数が増加し、SSD が確実に動作できる時間が短くなります。書き込みの増加により、フラッシュメモリへの帯域幅も消費され、SSD への書き込みパフォーマンスが低下します。 ^{[1] [3]}多くの要因が SSD の WA に影響します。一部はユーザーが制御でき、一部は SSD に書き込まれるデータと SSD の使用に直接影響されます。

IntelとSiliconSystems（ 2009年にWestern Digitalに買収）は、2008年に論文や出版物で書き込み増幅という用語を使用しました^。[4] WAは通常、フラッシュメモリにコミットされた書き込みとホストシステムからの書き込みの比率で測定されます。圧縮なしでは、WAは1を下回ることはありません。圧縮を使用することで、SandForceは書き込み増幅を0.5に達成したと主張しています。^[5] SF-2281コントローラでは、最良のケースでは0.14まで低下しました。^[6]

フラッシュメモリの動作の性質上、ハードディスクドライブのようにデータを直接上書きすることはできません。データが最初にSSDに書き込まれると、セルはすべて消去された状態から始まるため、ページ（多くの場合4～8 キロバイト（KB））を使用してデータを直接書き込むことができます^{[アップデート]}。フラッシュメモリを管理し、ホストシステムとインターフェイスするSSDのSSDコントローラは、フラッシュ変換層（FTL）の一部である論理ブロックアドレス指定（LBA）と呼ばれる論理対物理マッピングシステムを使用します。^[7]書き込まれた古いデータを置き換える新しいデータが届くと、SSDコントローラは新しいデータを新しい場所に書き込み、論理マッピングを更新して新しい物理場所を指します。以前の場所のデータは無効になり、その場所に再度書き込む前に消去する必要があります。^{[1] [8]}

フラッシュメモリは、限られた回数だけプログラムおよび消去できます。これは、フラッシュメモリの寿命全体にわたって維持できるプログラム/消去サイクル(P/E サイクル) の最大数と呼ばれることがよくあります。シングルレベルセル(SLC) フラッシュは、より高いパフォーマンスと長い耐久性を目的として設計されており、通常は 50,000 ～ 100,000 サイクルで動作します。2011 年現在^{[アップデート]}、マルチレベルセル(MLC) フラッシュは低コストのアプリケーション向けに設計されており、サイクル数が大幅に削減され、通常は 3,000 ～ 5,000 になっています。2013 年以降は、トリプルレベルセル(TLC) (例: 3D NAND) フラッシュが利用可能になり、サイクル数は 1,000 のプログラム/消去(P/E) サイクルにまで減少しています。書き込み増幅率が低いほど、フラッシュメモリの P/E サイクル数が減り、SSD の寿命が長くなるため、より望ましいと言えます。^[1]フラッシュメモリの摩耗により、I/O速度の低下などのパフォーマンス低下が発生する可能性もあります。

書き込み増幅は、その用語が定義される前から SSD に存在していましたが、2008 年に Intel ^{[4] [9]}と SiliconSystems の両社が論文や出版物でその用語を使い始めました。^[10]すべての SSD には書き込み増幅値があり、それは現在書き込まれている内容と以前に SSD に書き込まれた内容の両方に基づいています。特定の SSD の値を正確に測定するには、選択したテストを十分な時間実行して、ドライブが定常状態に達したことを確認する必要があります。^[3]

SSDの書き込み増幅を計算する簡単な式は次のとおりです: ^{[1] [11] [12]}

${\displaystyle {\text{書き込み増幅}}={\frac {\text{フラッシュメモリに書き込まれたデータ}}{\text{ホストによって書き込まれたデータ}}}}$

計算に使用される2つの量は、 SMART統計（ATA F7/F8、^[13] ATA F1/F9）を介して取得できます。

多くの要因が SSD の書き込み増幅に影響します。以下の表は、主な要因と、それらが書き込み増幅にどのように影響するかを示しています。変動する要因については、直接的な関係があるか、逆の関係があるかが表に記載されています。たとえば、オーバープロビジョニングの量が増えると、書き込み増幅は減少します (逆の関係)。要因がトグル (有効または無効) 機能である場合、正または負の関係があります。^{[1] [7] [14]}

データはページと呼ばれる単位（複数のセルで構成）でフラッシュメモリに書き込まれます。ただし、メモリはブロックと呼ばれるより大きな単位でのみ消去できます（複数のページで構成）。^[2]ブロックの一部のページのデータが不要になった場合（古いページとも呼ばれます）、そのブロック内の適切なデータがあるページのみが読み込まれ、以前に消去された別の空のブロックに書き直されます。^{[3]次に、古いデータを移動しないことで残った空きページを新しいデータに使用できます。これは}ガベージコレクション（GC）と呼ばれるプロセスです。 ^{[1] [11]}すべてのSSDには、ある程度のガベージコレクションが含まれていますが、プロセスを実行するタイミングと速度は異なる場合があります。^[11]ガベージコレクションは、SSDの書き込み増幅の大きな部分を占めています。^{[1] [11]}

読み取りはフラッシュメモリの消去を必要としないため、一般的に書き込み増幅とは関連がありません。読み取り妨害エラーが発生する可能性が限られている場合、そのブロックのデータは読み取られて書き換えられますが、これはドライブの書き込み増幅に重大な影響を与えません。^[15]

ガベージコレクションのプロセスには、フラッシュメモリへのデータの読み取りと再書き込みが含まれます。つまり、ホストからの新しい書き込みでは、まずブロック全体の読み取り、有効なデータがまだ含まれているブロックの部分の書き込み、そして新しいデータの書き込みが必要になります。これにより、システムのパフォーマンスが大幅に低下する可能性があります。^[16]多くの SSD コントローラは、バックグラウンド ガベージコレクション( BGC ) を実装しています。これはアイドル ガベージコレクションまたはアイドル時間ガベージコレクション( ITGC )と呼ばれることもあります。コントローラは、ホストが新しいデータを書き込む前に、アイドル時間を使用してフラッシュメモリのブロックを統合します。これにより、デバイスのパフォーマンスを高く維持できます。^[17]

コントローラーが、絶対に必要になる前に予備ブロックのすべてをバックグラウンドでガベージ コレクションすれば、ホストから書き込まれる新しいデータは、事前にデータを移動することなく書き込むことができ、パフォーマンスを最高速度で動作させることができます。トレードオフは、これらのデータ ブロックの一部は実際にはホストに必要ではなく、最終的には削除されるが、OS はコントローラーにこの情報を伝えなかったことです (TRIM が導入されるまで)。その結果、すぐに削除されるデータはフラッシュ メモリの別の場所に再書き込みされ、書き込み増幅が増加します。OCZ の一部の SSD では、バックグラウンド ガベージ コレクションは少数のブロックのみをクリアして停止するため、過剰な書き込みの量が制限されます。^{[11]もう 1 つの解決策は、ホスト}の書き込みと並行して必要な移動を実行できる効率的なガベージ コレクション システムを使用することです。この解決策は、SSD がアイドル状態になることがほとんどない書き込みが多い環境でより効果的です。[ ^18] SandForce SSD コントローラー^[16]とViolin Memoryのシステムには、この機能があります。^[14]

2010年、一部のメーカー（特にサムスン）は、BGCの概念を拡張してSSDで使用されるファイルシステムを分析し、最近削除されたファイルとパーティション化されていない領域を識別するSSDコントローラーを導入しました。サムスンは、これによりTRIMをサポートしていないシステム（オペレーティングシステムとSATAコントローラーハードウェア）でも同様のパフォーマンスを実現できると主張しました。サムスンの実装の動作は、 NTFSファイルシステムを前提としており、それを必要とするようでした。 ^{[19]これらのメーカーの現在出荷されているSSDでこの機能がまだ利用可能かどうかは明らかではありません。これらのドライブは、} MBRとNTFSを使用して適切にフォーマットされていない場合、システム全体のデータ破損が報告されています。^[要出典]

TRIMは、ファイルの削除やボリュームのフォーマットにより、以前保存されたデータのどのブロックが不要になったかをオペレーティング システムが SSD に伝えることを可能にする SATA コマンドです。ファイルの上書きなどにより LBA が OS によって置き換えられると、SSD は元の LBA が古いまたは無効としてマークされる可能性があることを認識しており、ガベージ コレクション中にそれらのブロックを保存しません。ユーザーまたはオペレーティング システムがファイルを消去した場合 (ファイルの一部を削除するだけでなく)、通常、ファイルは削除対象としてマークされますが、ディスク上の実際の内容が実際に消去されることはありません。このため、SSD は、ファイルが以前占有していた LBA を消去できることを知らず、そのような LBA をガベージ コレクションに含め続けます。^{[20] [21] [22]}

TRIMコマンドの導入により、 Windows 7 ^[21]、Mac OS（Snow Leopard、Lion、Mountain Lionの最新リリース、場合によってはパッチ適用済み）[ 23 ^]、FreeBSDバージョン8.1以降、^[24]、Linuxカーネルメインラインバージョン2.6.33以降のLinux ^[25]など、それをサポートするオペレーティングシステムではこの問題は解決されています。ファイルが完全に削除されるか、ドライブがフォーマットされると、OSは有効なデータが含まれていなくなったLBAとともにTRIMコマンドを送信します。これにより、使用中のLBAを消去して再利用できることがSSDに通知されます。これにより、ガベージコレクション中に移動する必要があるLBAが削減されます。その結果、SSDの空き領域が増え、書き込み増幅が低くなり、パフォーマンスが向上します。^{[20] [21] [22]}

TRIM コマンドには SSD のサポートも必要です。SSDのファームウェアが TRIM コマンドをサポートしていない場合、TRIM コマンドで受信した LBA は無効としてマークされず、ドライブはデータがまだ有効であると想定してガベージ コレクションを続行します。OS がそれらの LBA に新しいデータを保存したときにのみ、SSD は元の LBA を無効としてマークすることを認識します。^[22]ドライブに TRIM サポートを組み込んでいない SSD メーカーは、ユーザーにファームウェア アップグレードを提供するか、OS から無効なデータに関する情報を抽出して SSD を個別に TRIM する別のユーティリティを提供することができます。その利点は、ユーザーがそのユーティリティを実行するたびにのみ実現されます。ユーザーは、そのユーティリティを、自動的にスケジュールされたタスクとしてバックグラウンドで定期的に実行するように設定できます。^[16]

SSDがTRIMコマンドをサポートしているからといって、必ずしもTRIMコマンドの直後に最高速度で動作できるわけではありません。TRIMコマンドの後に解放されるスペースは、SSD全体に散らばったランダムな場所にある可能性があります。それらのスペースが統合されてパフォーマンスが向上するまでには、データの書き込みとガベージコレクションを何回も行う必要があります。^[22]

OS と SSD が TRIM コマンドをサポートするように設定された後でも、他の条件により TRIM のメリットが得られない場合があります。2010 年初頭の時点では^{[アップデート]}、データベースと RAID システムはまだ TRIM に対応しておらず、その結果、その情報を SSD に渡す方法がわかりません。その場合、OS が新しい書き込みにそれらの LBA を使用するまで、SSD はそれらのブロックを保存し、ガベージ コレクションし続けます。^[22]

TRIM コマンドの実際の利点は、SSD 上の空きユーザー スペースに依存します。SSD 上のユーザー容量が 100 GB で、ユーザーが実際にドライブに保存したデータが 95 GB の場合、TRIM 操作によってガベージ コレクションとウェア レベリング用に 5 GB を超える空きスペースが追加されることはありません。このような状況では、オーバー プロビジョニングの量を 5 GB 増やすと、OS からの TRIM コマンドを待たずに常に 5 GB の空きスペースが追加されるため、SSD のパフォーマンスがより安定します。^[22]

オーバープロビジョニング（OP、オーバープロビジョニング、オーバープロビジョニングとも呼ばれる）は、フラッシュメモリの物理容量と、オペレーティングシステム（OS）を通じてユーザーに提供される論理容量との差です。SSDのガベージコレクション、ウェアレベリング、不良ブロックマッピング操作中、オーバープロビジョニングによる追加スペースは、コントローラがフラッシュメモリに書き込む際の書き込み増幅を低減するのに役立ちます。^{[4] [26] [27]オーバープロビジョニング領域は、} FTLテーブルなどのファームウェアデータの保存にも使用されます。オーバープロビジョニングは、ユーザーが利用できる容量に対する追加容量のパーセンテージ比として表されます。^[28]

${\displaystyle {\text{オーバープロビジョニング}}={\frac {{\text{物理容量}}-{\text{ユーザー容量}}}{\text{ユーザー容量}}}}$

オーバープロビジョニングは通常、次の 3 つの原因から発生します。

1. 容量の計算と単位としてギビバイト(GiB) ではなくギガバイト(GB) を使用します。HDD と SSD の両ベンダーは、10 進数の GBまたは 1,000,000,000 (= 10 ^{9 ) バイトを表すために GB という用語を使用します。他のほとんどの電子ストレージと同様に、フラッシュ メモリは 2 の累乗で組み立てられるため、SSD の物理容量の計算は、}バイナリ GBまたは GiB あたり 1,073,741,824 (= 2 ³⁰ )に基づきます。これら 2 つの値の差は 7.37% (= (2 ³⁰  − 10 ⁹ ) / 10 ⁹  × 100%) です。したがって、追加のオーバープロビジョニングが 0% の 128 GB SSD は、ユーザーに 128,000,000,000 バイト (合計 137,438,953,472 バイト中) を提供します。この最初の 7.37% は通常、オーバープロビジョニングの合計数にはカウントされません。また、コントローラーがブロック ステータス フラグなどのオペレーティング システム以外のデータを追跡するためにいくらかのストレージ領域が必要になるため、実際に使用可能な量は通常これより少なくなります。^{[26] [28]} 7.37% という数字は、テラバイト範囲では 9.95% まで拡大する場合があります。これは、メーカーがバイナリ/デシマル単位のさらに異なるグレードを利用して、1024 GB と 2048 GB (1 TB は 10 進数では 1,000,000,000,000 バイトですが、バイナリでは 1,099,511,627,776 バイトであるため) ではなく、それぞれ 1000 GB と 2000 GB (931 GiB と 1862 GiB) の容量の 1 TB または 2 TB ドライブを提供しているためです。^[要出典]
2. メーカーの決定。これは通常、物理容量の 10 進ギガバイトとユーザーが利用できるスペースの 10 進ギガバイトの差に基づいて、0%、7%、14%、または 28% で行われます。たとえば、メーカーは、128 GB の容量が可能であるとして、SSD の仕様を 100、120、または 128 GB で公開する場合があります。この差はそれぞれ 28%、14%、7%、0% であり、メーカーがドライブに 28% のオーバープロビジョニングがあると主張する根拠となります。これには、10 進ギガバイトと 2 進ギガバイトの差から得られる追加の 7.37% の容量は含まれていません。^{[26] [28]}ミッドエンドおよびハイエンドのフラッシュ製品は通常、オーバープロビジョニングの割合が大きくなります。オーバープロビジョニングの割合を高くすると、フラッシュ製品のコストが増加します。
3. ドライブ上の既知の空きユーザースペース。未使用部分の報告を犠牲にするか、現在または将来の容量を犠牲にして、耐久性とパフォーマンスが向上します。この空きスペースは、オペレーティング システムが TRIM コマンドを使用して識別できます。または、一部の SSD では、エンド ユーザーが追加のオーバープロビジョニングを選択できるユーティリティが提供されています。さらに、SSD が使用可能なスペースの 100% よりも小さい全体的なパーティション レイアウトでセットアップされている場合、そのパーティション化されていないスペースも自動的に SSD によってオーバープロビジョニングとして使用されます。^[28]オーバープロビジョニングのもう 1 つの原因は、オペレーティング システムの最小空きスペース制限です。一部のオペレーティング システムでは、特にブート ドライブまたはメイン ドライブで、ドライブごとに一定の最小空きスペースが維持されます。この追加のスペースが SSD によって識別される場合 (おそらく TRIM コマンドの継続的な使用による)、これは半永久的なオーバープロビジョニングとして機能します。オーバープロビジョニングは、一時的または永続的にユーザー容量を奪うことがよくありますが、書き込み増幅の減少、耐久性の向上、パフォーマンスの向上がもたらされます。^{[18] [27] [29] [30] [31]}

SSD コントローラは、SSD 上の空きブロックをガベージ コレクションとウェア レベリングに使用します。ユーザー データ (TRIM 済みまたは最初から書き込まれていない) が存在しないユーザー容量の部分は、オーバープロビジョニング領域と同じように見えます (ユーザーが SSD に新しいデータを保存するまで)。ユーザーがドライブの総ユーザー容量の半分だけを消費するデータを保存すると、ユーザー容量の残りの半分は追加のオーバープロビジョニングのように見えます (TRIM コマンドがシステムでサポートされている限り)。^{[22] [32]}

ATA Secure Erase コマンドは、ドライブからすべてのユーザー データを削除するように設計されています。統合暗号化のない SSD では、このコマンドによりドライブが元の出荷時状態に戻ります。これにより、最初はパフォーマンスが可能な限り最高レベルに、書き込み増幅が可能な限り最良 (最小) に復元されますが、ドライブが再びガベージ コレクションを開始するとすぐに、パフォーマンスと書き込み増幅は以前のレベルに戻り始めます。^{[33] [34]}多くのツールは、ATA Secure Erase コマンドを使用してドライブをリセットし、ユーザー インターフェイスも提供します。業界でよく参照される無料のツールの 1 つは、HDDeraseです。^{[34] [35]} GPartedとUbuntuライブ CD は、セキュア消去を含むディスク ユーティリティのブート可能な Linux システムを提供します。^[36]

すべての書き込みをオンザフライで暗号化するドライブは、別の方法で ATA Secure Erase を実装できます。セキュア消去が実行されるたびに、単純にゼロ化して新しいランダム暗号化キーを生成します。この方法では、古いデータは復号化できないため、読み取ることができません。 ^[37]統合暗号化を備えた一部のドライブでは、その後もすべてのブロックが物理的にクリアされますが、他のドライブでは、ドライブを元の出荷時状態に戻すために TRIM コマンドをドライブに送信する必要がある場合があります (そうしないと、パフォーマンスが最大化されない可能性があります)。^[38]

特定のブロックが他のブロックに書き込むことなく繰り返しプログラムおよび消去されると、そのブロックは他のすべてのブロックよりも先に消耗し、SSD の寿命が早く終わります。このため、SSD コントローラはウェア レベリングと呼ばれる手法を使用して、SSD 内のすべてのフラッシュ ブロックに書き込みを可能な限り均等に分散します。

理想的なシナリオでは、すべてのブロックが最大寿命まで書き込まれるため、すべてのブロックが同時に故障することになります。残念ながら、書き込みを均等に分散するプロセスでは、以前に書き込まれて変更されていないデータ (コールド データ) を移動して、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必要があります。ホスト システムによって変更されずにデータが再配置されるたびに、書き込み増幅が増加し、フラッシュ メモリの寿命が短くなります。鍵となるのは、両方を最大化する最適なアルゴリズムを見つけることです。^[39]

書き込み増幅を減らすために静的 (コールド) データと動的 (ホット) データを分離することは、SSD コントローラにとって単純なプロセスではありません。このプロセスでは、SSD コントローラが、常に変化し、書き換えが必要なデータ (動的データ) を含む LBA を、ほとんど変化せず、書き換えを必要としないデータ (静的データ) を含む LBA から分離する必要があります。今日のほとんどのシステムと同様に、データが同じブロックに混在している場合、書き換えを行うと、SSD コントローラは動的データ (最初に書き換えを引き起こしたデータ) と静的データ (書き換えを必要としなかったデータ) の両方を書き換える必要があります。移動する必要のないデータのガベージ コレクションは、書き込み増幅を増加させます。したがって、データを分離すると、静的データは静止したままになり、書き換えられなければ、そのデータの書き込み増幅は可能な限り低くなります。このプロセスの欠点は、変更されないブロックには最大 P/E サイクルで書き込まれる機会がないため、SSD コントローラが静的データを摩耗レベルにする方法を見つけなければならないことです。^[1]

SSD が大量のデータを連続的に書き込む場合、書き込み増幅は 1 に等しくなり、書き込み増幅が少なくなります。これは、データが書き込まれると、(フラッシュ) ブロック全体が同じファイルに関連するデータで連続的に埋められるためです。OS がファイルを置換または削除する必要があると判断した場合、ブロック全体を無効としてマークすることができ、その一部を読み取り、ガベージ コレクションして別のブロックに書き直す必要はありません。消去するだけで済みます。これは、ランダムに書き込まれたデータをガベージ コレクションにかけるために必要な読み取り、消去、変更、書き込みのプロセスよりもはるかに簡単で高速です。^[7]

SSD のランダム書き込みパフォーマンスのピークは、SSD が完全にガベージ コレクションされ、セキュア消去され、100% TRIM されたか、新しくインストールされた後に、十分な空きブロックによって決まります。最大速度は、SSD コントローラに接続された並列フラッシュ チャネルの数、ファームウェアの効率、およびページへの書き込みにおけるフラッシュ メモリの速度によって異なります。このフェーズでは、書き込み増幅はランダム書き込みで最高になり、1 に近づきます。ブロックがすべて一度書き込まれると、ガベージ コレクションが開始され、パフォーマンスはそのプロセスの速度と効率によって制限されます。このフェーズでの書き込み増幅は、ドライブが経験する最高レベルまで増加します。^[7]

SSD の全体的なパフォーマンスは、書き込み増幅を含むいくつかの要因に依存します。フラッシュ メモリ デバイスへの書き込みは、読み取りよりも時間がかかります。^[17] SSD は通常、パフォーマンスを向上させるために、チャネルとして並列に接続された複数のフラッシュ メモリ コンポーネントを使用します。SSD の書き込み増幅が高い場合、コントローラはフラッシュ メモリにその回数だけ書き込みを行う必要があります。これにより、ホストからのデータを書き込むのにさらに時間がかかります。書き込み増幅が低い SSD は、それほど多くのデータを書き込む必要がないため、書き込み増幅が高いドライブよりも早く書き込みを終了できます。^{[1] [8]}

2008年9月、IntelはWAが1.1と報告されているX25-M SATA SSDを発表しました。^{[5] [40]} 2009年4月、SandForceはデータ圧縮を使用してWAを1.0未満に抑えた、WAが0.5と報告されているSF-1000 SSDプロセッサフ​​ァミリを発表しました。^{[5] [41]}この発表以前は、書き込み増幅率1.0がSSDで達成できる最低値と考えられていました。^[17]

• フラッシュファイルシステム
• パーティションの配置
• ウェアレベリング

• ウィキメディア・コモンズのWrite Amplicationに関連するメディア