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SSDの摩耗が通常より早いように感じるのはなぜですか?

NAND型フラッシュストレージデバイスの登場以来、フラッシュの摩耗の問題は大きな注目を集めています。この問題に対処するために、多くのSSDメーカーは、SMART(自己監視、分析、レポート技術)属性をドライブの予想寿命と比較して、SSDの使用量を追跡しています。通常、この指標は「Percentage Lifetime Remaining」(「Percentage Lifetime Used」と称されることもある)属性として記録されます。残存寿命を示すこの属性を監視することで、カウンターが0%に近づいてきたらSSDの交換を検討する時期だということがユーザーに分かります。では、それ以前のSSDの耐用期間中は、このカウンターにどのような意味があるのでしょうか。残存耐用年数が90%とか50%とかいうのはどういう意味でしょうか?

フラッシュストレージが摩耗する原因は何ですか?

摩耗を示す指標の存在理由を理解するには、SSDが摩耗する原因を知ることが重要です。基本的には、ファイルの保存などのデータの書き込みが摩耗の原因となります。NANDセルは、書き込まれるたびにわずかな摩耗が生じます。やがて、書き込みが何度も行われるうちに、NANDセルの長期的なデータ保持機能が低下します(SSDの想定寿命が終わってもユーザーデータは電源供給なしの状態で約1年は保持が可能です)。
ここまでは分かりやすい話ですが、まだ話の続きがあります。SSDの摩耗率と性能は、ホストコンピューターからのIOアクティビティで示されるワークロードの性質、コンピューターに保存された「静的」データ(または空き領域)の容量、およびデータの保存期間によって決まります。これらの変数が変われば性能と摩耗率も変わります。

これには物理的な理由があります。NANDフラッシュストレージは、SSDの設計上、ページとブロックと呼ばれる単位に編成されています。通常の構成では、NANDフラッシュメモリは、1ブロックあたり約100ページ、1ページあたり16KBのデータを格納できます。NANDブロックにデータを格納する場合、単純に新しいデータで現在のデータを上書きすることはできません。新しいデータを受け入れる準備として、まずブロックを消去する必要があります。NANDフラッシュメモリでは、書き込みはページ単位で行うことができますが、消去はブロック単位でしか行うことができません。このような複雑さは、SSDのファームウェアが保存データの物理的な位置を常に管理し、ページとブロックを効率よく使用できるようにデータを再編成するしくみから生じます。これにより保存データの移動が増えるため、NANDフラッシュメモリに物理的に書き込まれるデータ量はホストコンピューターからSSDに転送されるデータ量の何倍にもなります。

Write Amplification Factor(WAF)

設計上、NANDフラッシュメモリに書き込まれたデータ量と、ホストコンピューターからSSDに書き込まれたデータ量の比率をWrite Amplification Factor(WAF:書き込み効率)という指標で示します。完全に理想的なストレージシステムのWAFは1.0です。WindowsやMacOSなどのデスクトップオペレーティングシステムに使用される実際のSSDのWAFは通常2~4です。つまり、ホストコンピューターからのデータ書き込みのみの場合、SSDでは想定の2~4倍の量のデータが書き込まれます。

これは好ましくないことのように思われるかもしれませんが、SSDやSSDファームウェアの設計では、このような書き込み負荷の増加が考慮されています。WAFがこの程度の範囲であれば、SSDは十分長い期間使用できます。

WAFが高くなる原因は何ですか?

SSDの設計が優れていても、WAFが想定よりも、もしくは通常よりも高くなる場合があります。これもワークロードが大きく影響します。デスクトップを使用していると、通常、ワークロードは時間の経過とともに大きく変化します。ワークロードはある時には重く、ある時には軽くなります。WAFが高くなる原因として、以下の状況が挙げられます。

  • ドライブがいっぱいになったり、空き容量がわずかになると、バックグラウンド処理で新しいデータを受け入れるための空き領域を常に確保することは難しくなります。ドライブがいっぱいになっても日常のワークロードは相変わらず高く、摩耗が増える心配がある場合は、可能な限り未使用の領域を残しておくことをお勧めします。もしくは、SSDの容量を増やせば、同じワークロードでも摩耗が比較的軽減されます。ワークロードと動作条件が同じであれば、1000GBのドライブを使用すると500GBのドライブの2倍寿命が長くなります。
  • 小容量のファイル転送でもWAFが高くなることがあります。画像ファイルやテキストドキュメントなどの小規模なファイルを大量に高頻度でコピー、削除、操作すれば、WAFは高くなる可能性があります。その理由は、個々のファイルが占めるのはNANDブロックのごく一部にすぎなくても、小規模なデータ構造の方がSSDファームウェアによって集約・移動される可能性が高いためです。動画ファイルなどの大容量ファイルはブロック全体を占める可能性があるため、移動頻度を少なくする必要があります。

WAFを左右する要素の多くはオペレーティングシステムやファイルシステムの内部に存在しますが、ユーザー入力に応じて変更可能な点もあります。

  • SSDは小容量のランダムワークロードよりもサイズの大きなシーケンシャルワークロードの処理を得意としています。つまり、頻繁に削除または変更が発生する大量の小容量ファイルよりも大容量ファイルの方が処理に適しているということです。
  • 未使用領域を残しておくと、SSDが保存データを効率的に管理するために大いに役立ちます。SSDの使用済み容量が常に90%以上の場合、未使用ファイルを削除するか、SSDの容量を増やすことを検討してはいかがでしょうか。
  • 大規模なRAIDアレイにコンシューマーグレードのSSDを使用することは通常、あまりおすすめできませんが、そのようなRAID実装が必要な場合は、できれば転送サイズを大きくしてください。具体的な実装はユーザー次第ですが、基本的には転送サイズ128KBxアレイ内の物理ドライブ数を設定します。パソコンでの小規模なソフトウェアベースのRAID実装では、通常このような計算は不要です。

TRIMが効率的に実行されることを確認する

Windows® 10はSSDが効率的に動作するように設計されていますが、エンドユーザーがこのプロセスを手動で操作することもできます。TRIMは、SSDをバックグラウンドで効率的に動作させ、前述のWAFを低く抑えるために重要な機能です。WindowsはTRIMを定期的に実行しますが、実装によっては実行頻度が少ない場合があります。次の手順に従ってWindowsの[ドライブの最適化]を実行すれば、TRIMを頻繁に実行できます。

まず、マイコンピューターのウィンドウを開いてSSDドライブを右クリックし、[プロパティ]を選択します(下図参照)。

[プロパティ]ウィンドウを開いた状態で[ツール]タブを選択し、[最適化]をクリックします。

[最適化]メニューが下に表示されます。ユーザーはいつでも[最適化]をクリックしてTRIM機能を実行できます。このメニューで[スケジュールされた最適化]をオンにすると、ユーザーが指定したスケジュールでTRIMが実行されます。

最後に、スケジュールウィンドウで[スケジュールに従って実行する]チェックボックスを選択し、[選択]をクリックして、最適化するSSDを選択します。

この設定はSSDの性能を安定させ、NANDフラッシュメモリの摩耗を軽減するために有効です。

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