SSD ソリッド ステート ドライブの構造: マスター制御アルゴリズム、ファームウェア、NAND フラッシュ メモリ

SSD ソリッド ステート ドライブは近年のストレージ技術における大きな進歩であり、コンピューターのメイン ストレージに破壊的な変化をもたらしました。 SSD へのアップグレードは、単なるパフォーマンスの向上ではありません。SSD は、革命的なランダム アクセス速度、優れたマルチタスク機能、卓越した耐久性と信頼性により、コンピューターのエクスペリエンスを一変させます。 SSD が将来のストレージの主役になることは間違いありません。この記事では、SSD の構成、SSD 関連のテクノロジ、SSD の使用に関するヒントを簡単に紹介し、より多くのユーザーが実際の SSD を理解できるようにします。

まず、メイン制御チップ、NAND フラッシュ メモリ チップ、ファームウェア アルゴリズムなど、SSD の最も基本的なコンポーネントについて理解しましょう。

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SSD の速度は機械式ハードディスクの速度をはるかに上回ります。

従来の機械式ハードディスク（HDD）の動作は、主にモーター、プラッター、ヘッドロッカーなどの必要な機械部品を含む機械式ドライブヘッドに依存しており、高速回転するディスク上のアクセス位置まで移動する必要があり、少なくとも95％の時間が機械部品の移動に費やされています。

SSD は機械構造とは異なり、可動部品を必要としません。主にメインコントロールとフラッシュメモリチップで構成される SSD は、より高速かつ正確にドライブの任意の場所にアクセスできます。従来の機械式ハードドライブは、スピンドルホスト、磁気ヘッド、磁気ヘッドアームに依存して位置を見つける必要がありますが、SSD は物理的な回転ディスクの代わりに集積回路を使用するため、データへのアクセスにかかる時間と遅延は機械式ハードドライブをはるかに超えます。 SSD が非常に高速である理由は、すべてその内部コンポーネント、つまりメイン コントロール、フラッシュ メモリ、ファームウェア アルゴリズムによるものです。

メインコントロール、フラッシュメモリ、ファームウェアアルゴリズムの関係:

SSD の最も重要な 3 つのコンポーネントは、NAND フラッシュ メモリ、コントローラー、ファームウェアです。 NAND フラッシュ メモリは重要なストレージ タスクを担当しており、データ ストレージの管理、SSD のパフォーマンスと寿命の維持など、複雑で同様に重要なタスクを完了するには、コントローラーとファームウェアが連携して動作する必要があります。

メインコントロール:

コントローラーは、コマンド センターのように機能する組み込みマイクロチップ (コンピューターの CPU のような) であり、SSD のすべての操作要求を発行します。これには、実際のデータの読み取りと書き込みから、ガベージ コレクションとウェア レベリング アルゴリズムの実行まで、SSD の速度とクリーンさを保証することが含まれます。メイン コントローラーは、SSD の頭脳センターであると言えます。

現在主流のコントローラーは、Marvell、SandForce、Samsung、Indilinx です。

Marvellは性能と速度が優れており、あらゆる面で強力です。その代表モデルはMarvell 88SS9187コントローラーで、Plextor、SanDisk、CrucialなどのブランドのSSDに使用されています。

SandForce の性能も優れています。圧縮データに対応しているのが特徴です。例えば、10M の圧縮可能なデータを 5M に圧縮してハードディスクに書き込むと、それでも 10M のスペースを占有するため、速度が少し向上します。最大の特徴は、SSD の寿命が延びることですが、ハードディスクの使用に伴い、CPU 使用率が高くなり、速度が徐々にわずかに低下します。代表的なモデルはSF-2281で、Intel、Kingston、ADATAなどのブランドのSSDに使用されています。

Samsung のコントローラーは通常、自社の SSD でのみ使用され、そのパフォーマンスも非常に優れており、Marvell のコントローラーと比べてもそれほど劣っていません。現在、Samsung のメインコントロールは第 5 世代 MEX に進化しており、Samsung 840EVO で主に使用されています。

Indilinx が OCZ に買収された後、主に OCZ の SSD に採用されました。総合的な読み取りと書き込みの性能が優れており、代表モデルは Barefoot 3 です。

ファームウェアアルゴリズム:

SSD のファームウェアは、SSD のパフォーマンスを確保するための最も重要なコンポーネントであり、コントローラーを駆動するために使用されます。マスター コントローラーは、SSD のファームウェア アルゴリズムの制御プログラムを使用して、自動信号処理、ウェア レベリング、エラー訂正コード (ECC)、不良ブロック管理、ガベージ コレクション アルゴリズム、ホスト デバイス (コンピューターなど) との通信、データ暗号化などのタスクを実行します。ファームウェアは NAND フラッシュ メモリに冗長的に保存されるため、SSD メーカーがアップデートをリリースした場合、SSD の機能を改善および拡張するには、ファームウェアを手動で更新する必要があります。

高品質のファームウェアを開発するには、高度なエンジニアリングだけでなく、NAND フラッシュ、コントローラー、その他の SSD コンポーネント間の完璧な統合も必要です。さらに、NADN特性、半導体プロセス、コントローラ特性などの最先端技術を習得する必要があります。ファームウェアの品質が高ければ高いほど、SSD 全体の精度と効率が向上します。現在、Intel/Crucial/Plextor/OCZ/Samsung などのメーカーを含め、独立したファームウェアの研究開発能力を持つ SSD メーカーは多くありません。

NANDフラッシュ:

すべての SSD ユーザー データは、SSD のストレージ メディアである NAND フラッシュ メモリに保存されます。 SSD の主なコストは NAND フラッシュ メモリに集中しています。 NAND フラッシュメモリは、SSD の耐用年数を決定するだけでなく、SSD のパフォーマンスにも大きな影響を与えます。 NAND フラッシュ メモリの粒子構造と動作原理は非常に複雑です。フラッシュ メモリに焦点を当てた一連の記事を引き続き公開します。ここでは主に、SSD を購入するときによく目にする SLC、MLC、TLC フラッシュ メモリについて学習します。

SLC/MLC/TLCフラッシュ:

フラッシュメモリの状態（インターネットからの画像）

近年、NANDフラッシュメモリ技術は急速に発展しています。エンタープライズレベルの標準SLCフラッシュメモリから、コンシューマーグレードのSSDで広く使用されているMLCフラッシュメモリ、そして現在登場しているTLCフラッシュメモリまで、NAND技術は短期間で大きな進歩を遂げてきました。 SLC、MLC、TLC フラッシュメモリについてどのように理解していますか?簡単に言えば、NAND フラッシュ メモリに保存されるデータは、各 NAND ストレージ セルに電荷の形で保存されます。SLC、MLC、TLC は保存されるビット数が異なります。

単層ストレージと多層ストレージの違いは、各 NAND メモリセルが一度に保存できる「ビット」の数にあります。 SLC (シングルレベルセル) シングルレイヤーストレージでは、ストレージユニットごとに 1 ビットのデータしか保存できません。同様に、MLC (マルチレベルセル) では 2 ビットのデータを、TLC (トライナリレベル) では 3 ビットのデータを保存できます。ストレージユニットに一度に保存されるビット数が多いほど、ユニットの容量が大きくなり、フラッシュメモリのコストを節約し、NAND の生産量を増やすことができます。しかし、各セルのメモリセルに詰め込むデータが増えると、状態を識別するのが難しくなり、信頼性、耐久性、パフォーマンスがすべて低下することになります。

各タイプのフラッシュ メモリにはそれぞれ長所と短所があります。ストレージ密度を向上させ、SSD 容量を増やし、SSD の製造コストを削減しながら、SSD のパフォーマンス、耐久性、寿命を確保することが、次のパーソナル ストレージ革命をもたらす唯一の方法です。

要約: SSD が極めて高速な体験をもたらすための前提は、非常に複雑な技術によってサポートされていることです。電源を入れるとすぐに使用できる機械式ハードディスクとは異なり、SSD は正しい使用方法とその後のメンテナンスを必要とします。これらの基礎となるのは、SSD に関する十分な理解です。私たちは、謎に包まれた SSD 技術を引き続き探求していきます。