フラッシュストレージをシンプルに：基礎から最適なストレージの選び方まで
フラッシュストレージとは、不揮発性フラッシュメモリを使用してデータを保持するストレージデバイスを指します。これには、SSD（ソリッドステートドライブ）、メモリカード、組み込みモジュール、その他のソリッドステートメディアが含まれます。中でもSSDは最もよく知られており、コンシューマー向けシステムと産業用システムの両方で広く使用されています。
この記事では、フラッシュストレージの仕組みと、さまざまなアプリケーションに適したソリューションを選択する方法について説明します。
NORとNANDアーキテクチャ
フラッシュストレージの核となるのは、メモリアーキテクチャ、つまり個々のメモリセル（ビットを記憶する最小単位）がどのように構成され、アクセスされるかという点です。
フラッシュメモリアーキテクチャには、主にメモリセルの接続方法が異なるNOR型とNAND型の2種類があります。それぞれに長所と短所があり、それによって用途が決定されます。
NORメモリという名称は、回路の動作を表す論理ゲート「Not OR」に由来しています。ストレージロジックは本棚に似ています。各本（データビット）には専用の棚（メモリセル）があり、他のセルに触れることなく各セルに直接アクセスできます。
技術的に言えば、各セルは独立した制御線で動作するため、特定のビットの読み取りに他のセルを経由する必要はありません。そのため、ランダムアクセスが高速です。しかし、各本に専用の棚を設けるとスペースが必要になるのと同様に、NORメモリにはより多くの配線とレイアウトが必要になります。その結果、ストレージ密度が低下し、コストが増加します。
そのため、NORメモリはマイクロプロセッサのプログラムメモリとして、例えばパソコンのBIOSメモリ、小さな補助データを格納するメモリ、携帯電話やタブレットのオペレーティングシステムを格納するメモリなどとしてよく使用されます。
同様に、NANDメモリは、その動作を定義する「Not AND」論理ゲートにちなんで名付けられました。ストレージロジックは、本を積み重ねて高い塔を作るようなものです。メモリセルは鎖状に接続されているため、上の本をめくらなければ真ん中の本に手が届きません。
技術的に言えば、セルは制御線を共有し、シーケンシャルアクセスされます。この設計により、NANDはスペース効率が向上します。セルを直列に接続することで、より多くのデータを保存でき、コストは削減されますが、個々のビットの読み出し速度はNORほど速くありません。
これらのトレードオフのため、NANDアーキテクチャは、SSD、USBドライブ、メモリカード、携帯電話など、データがシーケンシャルに書き込まれることが多く、ランダムアクセス速度よりも大容量が重視されるデバイスで広く使用されています。
以下のパートでは、現代のソリッドステートドライブのほとんどで使用されているNANDアーキテクチャについて主に説明します。
NANDメモリセル配置：3D構造への移行
メーカー各社はフラッシュメモリのコスト削減策を模索し続けましたが、プロセスを10ナノメートル以下に縮小してもコスト削減が保証されなくなったという状況に陥りました。こうした密度とコストの課題に対処するため、業界はメモリセルを平面レイアウトに押し込もうとするのではなく、垂直方向に積み重ねる3D NANDへと移行しました。
NANDメモリセルの種類とデータ容量
現在、メモリセルには1、2、3、または4ビットの情報を記憶できます。物理的には、4種類のNANDメモリセルはすべて同じトランジスタで構成されており、セルに記憶される電荷量のみが異なります。また、以下の技術（SLC、MLC、TLC、QLC）はすべて、2D（平面型）または3D（積層型）構造で実装できます。
SLC（シングルレベルセル）
シングルレベルセル（SLC）では、各メモリセルは1ビットのデータのみを記憶するため、電荷状態は2つ（2¹）しかありません。この2つの状態間のマージンが大きいため、セルは高精度で容易に読み書きできます。
そのため、SLCは最高のパフォーマンス、最速の書き込み速度、最低のエラー率、そしてプログラム/消去サイクルにおける最長の寿命を実現します。しかし、より少ないデータ量を格納するためにより多くのスペースを必要とするため、ビットあたりのコストはすべてのNANDタイプの中で最も高くなります。
MLC（マルチレベルセル）
MLCは、4つの異なる電荷レベル（2²）を用いて、セルあたり2ビットを記憶します。これにより、SLCと比較してストレージ容量が向上し、コストが削減されるため、スペース効率に優れています。ただし、セルがより多くの電圧レベルを区別する必要があるため、読み取りと書き込み時により正確な制御が必要となり、速度と信頼性に若干影響する可能性があります。また、書き込みと消去の回数を示す耐久性もSLCよりも低くなります。しかしながら、全体として、MLCは多くの汎用アプリケーションにとって実用的な中間的な選択肢となります。
TLC（トリプルレベルセル）
TLCはセルあたり3ビットを8つの電荷レベル（2³）で保存します。これにより、ストレージ容量がさらに向上し、コストが削減されます。特に、1ドルあたりのGB容量を最大化することが重要なコンシューマーデバイスでは効果的です。
セルあたりのビット数が増加すると、各レベル間の電圧マージンが狭くなり、SLCやMLCと比較してアクセス時間が若干遅くなり、エラーに対する感度が高まります。それでも、TLCはコストと容量のバランスが良好で、日常的な用途向けに設計されたSSDに広く使用されています。
QLC（クアッドレベルセル）
QLCは、16の電荷レベル（2⁴）を用いてセルあたり4ビットを保存することで、限界を押し広げます。これにより非常に高いストレージ密度が実現され、QLCはGBあたりのコスト効率が最も高く、従来のハードドライブのコストレベルに迫るほどです。
しかし、トレードオフは大きく、特に書き込みが多い場合、QLCは速度と寿命の点で安定性が低くなる可能性があります。それでも、日常的なストレージニーズには十分対応できます。
iSLC/ウルトラ iSLC
最適な産業用ストレージソリューションを選択する際に、コストと信頼性の適切なバランスを実現することは、システムインテグレーターにとって容易ではありません。そこでInnodiskは、ファームウェアベースのアプローチである独自のiSLCテクノロジーを開発しました。これは、NANDを物理的に変更することなく、標準的な3D TLCをより信頼性が高く高性能なオプションへと変革するものです。
iSLCは、カスタムファームウェアを使用して各NANDセルに1ビットのみを記憶するように強制することで、SLCの動作を効果的にエミュレートします。これにより、耐久性は最大30,000 P/Eサイクルまで向上し、書き込み性能は実際のSLCに非常に近くなり、ドライブの耐用年数を大幅に延長します。
さらに過酷な環境に対応するため、Ultra iSLCはさらに進化しています。iSLCの基盤をベースに、さらに高度なチューニングを施し、耐久性を最大100,000 P/Eサイクルまで向上させ、エラービットレートを大幅に低減します。これらの改良により、Ultra iSLCは産業オートメーション、組み込みシステム、エッジAIなどのアプリケーションにとって、画期的な選択肢となります。
Type | Bits per Cell | Charge Levels | P/E Cycles (Endurance) | Performance | Cost per Bit | Typical Use Cases |
| SLC | 1 | 2 (2¹) | Up to 60,000 | Best | Highest | Industrial, enterprise systems |
| MLC | 2 | 4 (2²) | ~3,000 - 10,000 | Moderate-High | High | General-purpose, light industrial |
| TLC | 3 | 8 (2³) | ~1,000 - 3,000 | Balanced | Medium | Consumer SSDs, everyday computing |
| QLC | 4 | 16 (2⁴) | ~100 - 1,000 | Slower | Low | Archival storage, read-intensive applications |
| iSLC | 1 (on TLC NAND) | 2 (emulated) | Up to 30,000 | Near SLC | Medium-Low | Industrial, embedded, cost-sensitive high-write systems |
| Ultra iSLC | 1 (on TLC NAND) | 2 (emulated) | Up to 100,000 | SLC-like | Lower than SLC | High-end industrial, edge AI, automation systems |
さて、フラッシュメモリのアーキテクチャと構造について説明しました。次は、適切なフラッシュストレージを選ぶために他に何が重要になるかを見ていきましょう。
十分な情報に基づいた決定を下すには、フォームファクタやインターフェース、動作条件、そしてInnodiskの製品モデル名の読み方といった、他の重要な要素も考慮する必要があります。
フォームファクターとインターフェース
システムのスロットやコネクタとの互換性を確保するには、フォームファクタとインターフェースを考慮することが重要です。
2.5インチSATAフォームファクタは、産業用およびエンタープライズシステムにおいて、依然として最も一般的に使用されているオプションの1つです。その幅広い互換性により、従来のハードドライブとSSDの両方に最適な選択肢となっています。同時に、M.2 SSDは、特にマザーボードのスペースが限られているシステムで人気が高まっています。コンパクトなサイズとSATAとPCIeの両方のインターフェースをサポートしているため、非常に汎用性があります。
スペースがさらに限られているシナリオでは、特に組み込み設計やレガシー設計において、mSATAが依然として有効なフォームファクタです。
SATAは安定性と幅広いサポート体制により、依然として多くのユーザーのニーズを満たしていますが、速度を重視するユーザーの間では、PCIeベースのSSDが好まれる選択肢となっています。ほとんどのユースケースでは、PCIe Gen4で十分なパフォーマンスが既に提供されていますが、超高スループットが不可欠なAI、エッジコンピューティング、データセンター環境では、PCIe Gen5の採用が進んでいます。
Innodiskの現在の製品ラインは、エンタープライズ顧客が幅広い産業用アプリケーションのニーズに対応できるよう設計されています。利用可能なインターフェースとフォームファクターの概要については、以下の表をご覧ください。
PCIe | SATA | PATA | Others |
M.2 U.2 CFexpress EDSFF | M.2 2.5" SSD 1.8" SSD SATA Slim SATADOM mSATA nanoSSD | Embedded Disk Card CompactFlash Card | SD & MicroSD Card USB / USB EDC |
動作条件
産業用コンピュータは一般消費者向けコンピュータとは多くの点で異なりますが、最も顕著な違いは、24時間365日、中断やダウンタイムなしで稼働できること、温度上昇、振動、衝撃、高湿度への耐性です。産業用コンピュータに対するこれらの厳しい要件は、ストレージデバイスを含むすべてのコンポーネントに適用されます。
フラッシュメモリドライブは、大きく分けて2つのクラスに分類できます。
- 標準温度グレードモデル
- 広温度グレードモジュール
たとえば、Innodisk の SD Card 3TE4 と MicroSD 3IE4 は、標準の動作温度環境に合わせてカスタマイズされたバージョンを提供しており、広い温度許容度が要求されないアプリケーションに適しています。
Innodiskモデル名の読み方
幅広い製品オプションの中から、お客様のアプリケーションに最適なドライブを選ぶには、Innodisk の製品命名規則を理解することが役立ちます。
2.5 インチ SATA SSD を例に、モデルの命名規則について詳しく見ていきましょう。
Code | Series Name | Description |
| E | Embedded | 産業グレードの組み込みシステム向けに最適化されており、高い信頼性と長寿命を実現します。 |
| G | EverGreen | 外部DRAMキャッシュを搭載し、速度向上と長寿命化を実現。パフォーマンスと耐久性のバランスが取れた、一般的な用途に最適です。 |
| V | InnoRobust | 過酷な環境向けに設計されています。MIL-STD-810F/GおよびMIL-I-46058Cに準拠し、ほこり、衝撃、振動、極端な温度から保護します。 |
| R | InnoREC | ビデオ監視用に設計されています。安定した継続的なデータ記録を実現するインテリジェントなファームウェアアルゴリズムを搭載しています。 |
| S | Edge Server | ネットワーク エッジでのリアルタイム データ処理向けに高性能、堅牢、コンパクトなソリューションを提供することで、エッジ コンピューティングの高まる需要を満たすように設計されています。 |
| O | InnoOSR | 特許取得済みのファームウェア レベルのリカバリ機能を備えた Innodisk のセルフリカバリ SSD ソリューション。 |
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