SSDの速度

最終更新日 2023年09月07日

SSDはHDDと比べてデータの読み書き速度が速いです。パソコンでHDDからSSDに交換すると大幅に性能が向上します。HDDのデータ読み書き速度の向上が物理的な限界に達してきていますが、SSDではデータ読み書き速度が向上し続けています。HDDでも十分速いですが、一度SSDの速さを体感するとHDDが遅いと感じてしまうほどです。多くの人がSSD搭載パソコンを使ったらHDD搭載パソコンには戻れないだろうと思うくらいです。

ストレージへのデータ読み書き速度の違いはパソコンの快適さに大きく影響しますので、高性能パソコンにSSDが相応しいです。技術進歩によってCPUの性能が随分と底上げされましたが、ストレージに対してデータ読み書きをするときにパソコンが遅いと感じてしまいやすいので、HDDではなくSSDにするとパソコンの快適さが向上します。今となっては快適に使えなくなってしまった古いHDD搭載パソコンでも、SSDへ交換すると快適に使えるほどです。

実際に交換したことがありますが、OSやアプリケーションの動作が速くなり驚きました。OSやアプリケーションは起動時だけでなく動作中もストレージに対しデータ読み書きを行うので、動作が速くなるだろうとは思っていましたが、これほど速くなるとは思っていませんでした。パソコンの動作を速くして快適に使いたいならCPUの性能を上げる、メインメモリーの容量を増やす等、様々な方法がありますが、HDDからSSDへ変えることを最優先にやる方がよいと思えるほど効果があります。

パソコンの使い方は人それぞれですが、多くの人はHDDからSSDへ変わっても作業時間が大幅に短縮されることはないと思われます。一般的にはデータ読み書きが発生して完了までに待たされる時間は、作業時間の一部を占める程度です。仮にSSDがHDDよりもデータ読み書き速度が2倍速くても、作業時間が半分になることはまずありません。多くの人が作業時間が数割減ることもないと思われます。しかし、パソコン使用時間の中でOSやアプリケーションの動作が速くなることを感じる時間が一部だけでも、パソコンの快適さが大幅にアップしたように感じます。

シーケンシャルリード/ライト

連続したデータの読み書き速度です。

ファイルコピー等の速さの目安になります。

ファイルのバックアップ、アーカイブ等の用途では、この速度が重要です。

ランダムリード/ライト

サイズが小さい(4KB等)不連続なデータの読み書き速度です。

OS、アプリケーションの動作速度の速さの目安になります。

OS、アプリケーションをインストールし利用する等の用途では、この速度が重要です。

SSDの仕様にシーケンシャルリード/ライトの記載があるがランダムリード/ライトの記載がない場合があり、昔はランダムリード/ライトがシーケンシャルリード/ライトに比例する傾向がありましたので、シーケンシャルリード/ライトのみ記載で十分でした。

今では比例する傾向がなくなり、シーケンシャルリード/ライトがほとんど同じでも、ランダムリード/ライトが大きく違う場合があります。

SSDはデータ読み書き速度が安定しており、時間で言うとデータ読み書きにかかる時間が安定しています。

HDDではデータ読み書きする際にモーター等の機械的な動作が発生し、SSDでは機械的な動作が発生せず電子的な動作のみで済むので、SSDは安定性が高いです。

HDDでも使用開始後しばらくは安定性が高いですが、徐々にディスク上にデータが分散し配置されるようになり安定性が落ちてきます。

データ読み書き速度が落ちると、OS、ソフトウェアの動作速度も落ちます。

コントローラー

SSDの速度は、フラッシュメモリーの種類(SLC、MLC等)、インターフェース、キャッシュメモリーの有無等、様々な要素で決まりますが、コントローラーで決まる部分が大きいです。

昔にMLC(Multi Level Cell)採用SSDが登場し、そのSSDの速度が遅かったのでMLCだと推奨できない風潮になりました。

インテルのSSD「X25-M」が登場し、このSSDはMLC採用ですが、コントローラーの出来がよいので速度が速く、MLCでもコントローラーがよければ速いという情報が広まりました。

複数のコントローラー

SSDによっては複数のコントローラーを搭載し、速度を向上させています。

例えば、コントローラーが2つあり内部でRAID 0構成になっているSSDがあり、速度が速いです。

コントローラーによる速度低下

コントローラーによっては速度低下が発生します。

昔にJMicron製のJMF602というコントローラーを採用したSSDでは、プチフリーズと呼ぶ現象が発生し、速度低下することが問題になりました。

その後にINDILINX製コントローラー、Intel製コントローラー、SandForce製コントローラー等が普及し、プチフリーズの問題がなくなりました。

昔はこの問題が見られましたので、コントローラーに注目して選ぶ必要性が高かったですが、コントローラーの技術が成熟しており、今後は同様な問題が発生するコントローラー採用SSDが登場する可能性が極めて低いと思われます。

ファームウェア

ファームウェアとはコントローラーを制御するソフトウェアですが、コントローラーと区別すると、SSDの速度はファームウェアによって決まってくる部分も大きいです。

ファームウェア以外の仕様がほとんど同じSSDに限ると、ファームウェアの最適化により速度に大きな差が見られる場合があります。

SSDのメーカーが新しいファームウェアを提供する場合があり、その場合はファームウェアの更新ができます。

SSDの不具合解消のため新しいファームウェアの提供が行われる場合がありますが、速度の向上のためにファームウェアの提供が行われる場合もあります。

もしSSDのファームウェアを更新すると速度向上が望めそうな場合、リスクも考慮してやってみるとよいです。

リスクについてですが、SSDでファームウェアの更新に失敗するとSSDのデータが破損してしまったり最悪SSDが使えなくなってしまう場合がありますので、もしSSDでファームウェアの更新をする場合はSSDに保存されているデータを別のストレージ等へバックアップしておくとよいです。

並列アクセス

SSD内部にある基板上には黒い四角形の物があります。

四角形の物の中にはコントローラー・チップ等もありますが、フラッシュメモリー・チップもあります。

フラッシュメモリー・チップ内には、多数のフラッシュメモリーが積み重なって層を構成しています。

SSDでは複数のフラッシュメモリーに対し、並列にアクセスすることでデータ読み書き速度の向上を実現しています。

メインメモリーを複数搭載しマルチチャンネル動作させて並列アクセスする、複数のストレージを搭載しRAID 0で動作させて並列アクセスする、これらの方法も速度の向上が実現するのでSSD内部での並列アクセスと似ています。

フラッシュメモリーによりますが、HDDより劣る場合があるほどフラッシュメモリー自体の速度が遅いので、SSDでは並列アクセスが実質必須であり、並列アクセスを採用していないSSDがありません。

フラッシュメモリーの積層数

SSDの速度を向上させるために並列アクセス数を多くすればよいですが、そのためにフラッシュメモリーの積層数を多くする必要もあります。

フラッシュメモリーの積層数が多いほど並列アクセス数を多くできるので、SSDの速度が速いです。

フラッシュメモリーの積層数に違いがあっても速度に差が出ない場合があり、その場合はコントローラーやインターフェースの性能等によって頭打ちになっている可能性があります。

例えば、フラッシュメモリーの積層数が16と8、それぞれで速度に差が出ない場合、コントローラーの並列アクセス数の上限が8である可能性があります。

仮にコントローラーの並列アクセス数の上限が16でも、並列アクセス数が8の時点でインターフェースの上限速度に達してしまっている可能性があります。

並列アクセス数

速度を重視してSSDを選ぶ場合、SSDの仕様等に記載されている速度を確認して選ぶことになりますが、もし並列アクセス数も確認できる場合は並列アクセス数も参考になります。

フラッシュメモリー自体の速度が同じ場合、並列アクセス数が多いほどSSDの速度が速いです。

並列アクセス数が多いとSSDに実装されるフラッシュメモリーの積層数も多くなりSSDの容量が大きくなりますが、自分にとってSSDの容量が大きすぎても速度重視の場合は容量が過剰でも選ぶとよいです。

SATAがボトルネック

2.5インチSSDに様々な製品がありますが、昔は製品によって速度が違いました。技術進歩によって速度が向上し、2.5インチSSDが使用するインターフェースのSATA(Serial ATA)がボトルネックになり、どれも速度が同じになりました。

SATAの後継としてSATA Expressが登場しましたが、普及しませんでした。もし普及していた場合、製品によって速度が違う時代が続いたと思われます。

M.2 SSDであっても製品によってはSATAを使用します。その場合、2.5インチSSDと同様にインターフェースがボトルネックになり、どれも速度が同じです。

外付けSSDがUSB 3.2 Gen 1x1以降対応でもUASP非対応だと遅い

パソコンと外付けSDDどちらもUASPに非対応だと、外付けSSDがUSB 3.2 Gen 1x1以降対応でもデータ読み書き速度が遅いです。外付けHDDと同程度になるくらい遅いです。

UASPとはUSB Attached SCSI Protocolの略であり、USB接続のストレージのデータ読み書き速度を高速化するプロトコルです。Windows 8以降であればUASP対応ドライバを標準搭載しておりUASP対応です。Windows 7以下の場合はUASP対応ドライバを導入する必要があります。

IOPSとは

SSDのIOPSとは、SSDに対し1秒間あたりにデータ読み書きできる回数です。

SSDのIOPSは、CPUの性能等によって左右されます。

SSDに対しデータ読み書きを行うとき、CPUがデータ読み書き処理に関わるためです。

他にもSSDのIOPSを左右するものがあり、例えばSSDのIOPSを測定するときにメインメモリーの容量が不足するとIOPSが低下します。

HDD

SSDのIOPSはHDDよりも高く、HDDとSSDそれぞれのIOPSを比較すると、桁違いな大差があります。

一般的にはIOPSはHDDだと100〜300、SSDだと1万〜100万です。(2012/01/19時点)

SSDのIOPSの幅が広いですが、製品によって違いが大きいためです。

用途

SSDはHDDよりIOPSが高いですが、あらゆる用途でSSDが適しているとは限らず、IOPSの重要性が低い用途では容量単価も考慮するとHDDが適しています。

例えば、OSやアプリケーションをインストールして使用する場合、これらソフトウェアの動作速度が速くなるようにIOPSの高さが重要なのでSSDが適しています。

大量の動画ファイルを保管しアクセスする機会が少ない場合、IOPSの高さの重要性が低く容量単価の安さが重要なのでHDDが適しています。

vRPMとは

vRPM(Virtual RPM)(仮想的な回転数)とは、HDDのRPM(Revolutions Per Minute)(回転数)と比較できるように作られたSSDの指標です。SSDには回転するディスクがありませんが、どのくらいのRPMに相当するのかvRPMによってわかります。

vRPMの求め方

vRPMの求め方ですが、まずは1回のデータ読み書きに必要な時間の平均を求めます。

IOPS(Write)とは1秒間にデータ書き込みできる回数、IOPS(Read)とは1秒間にデータ読み込みできる回数とします。1/IOPS(Write)は1回のデータ書き込みに必要な時間、1/IOPS(Read)は1回のデータ読み込みに必要な時間となります。

パソコンの書き込み頻度と読み込み頻度が50:50になると想定し、1/IOPS(Write)と1/IOPS(Read)を足し合わせ2で割ると、1回のデータ読み書きに必要な時間の平均です。式にすると、0.5/IOPS(Write)+0.5/IOPS(Read)です。

1を0.5/IOPS(Write)+0.5/IOPS(Read)で割ると、1秒間にデータ読み書きできる回数です。この回数に50を掛けるとvRPMを求められます。係数50は、SSDのvRPMと同程度のRPMを持つHDDを比較すると、性能も同じくらいにするために補正する係数です。係数50を掛けて調整すると、SSDのvRPMとHDDのRPMで性能比較できるようになります。

使用されなくなった

vRPMは普及せず、vRPMを提唱したサンディスクではvRPMを使用しなくなりました。SSDの性能向上が目覚ましく、2011年頃にはvRPMが100万を超えており、RPMと比較する意義がなくなったのでvRPMは使用されなくなりました。

ピーク時の速度、データ連続転送時の速度

公称速度には、ピーク時の速度、データ連続転送時の速度があります。データ連続転送時の速度は、ピーク時よりも低くなります。一般的には、コンシューマー向けSSDの公称速度がピーク時の速度、エンタープライズ向けSSDの公称速度がデータ連続転送時の速度です。

一般的にコンシューマー向けSSDのユーザーは、大量のデータを連続転送する機会が少なくピーク時の速度を発揮する状態で使用する場合が多いので、公称速度がピーク時の速度です。一般的にエンタープライズ向けSSDのユーザーは、大量のデータを連続転送する機会が多いので、公称速度がデータ連続転送時の速度です。

測定条件の違い

ベンチマークソフトウェアを利用してSSDの速度を測定すると、仕様等の公称速度と大きな差が出る場合があります。公称速度のために利用されたベンチマークソフトウェアと異なると大差になる場合があり、同じベンチマークソフトウェアでも測定条件が異なると大差になる場合があります。

PCパーツ構成の違い

メーカーが測定方法を公開している場合、その方法に合わせてベンチマークを行うとほぼ同じになります。PCパーツ構成に関しては完全に測定方法を合わせるのが大変ですが、完全に合わせなくても速度の測定に支障をきたすほど性能が低くなければ大丈夫です。

Windowsの違い

Windowsの違いが速度に差が出る要因になる場合があります。約10〜20%の差が出てくる場合もあります。ベンチマークソフトウェアによってはWindowsの違いの影響がほとんど出ませんが、出てくるソフトもあります。

例えば、Windows XP、Windows Vista、Windows 7、これらWindowsを用意し他は同じ条件で速度を測定すると、一般的にはWindows Vistaで最も速度が遅い結果が出る場合があります。必ず出るわけではなく、ほぼ同じになる場合もあります。差が出てくる原因は、Windows Vistaが他のWindowsと比べて動作が重いためです。

ドライバの違い

ドライバの違いが速度に差が出る要因になる場合があります。大きく分けてWindows標準ドライバとメーカー独自AHCIドライバがあり、後者の方が速度が出る場合があります。

一般的にWindows Vista標準AHCIドライバがSSDと相性が悪く、そのドライバを利用かつAHCIモードにするとIDE互換モードより速度が出るはずのところ、IDE互換モードより速度が低い場合があります。その場合にメーカー独自AHCIドライバを利用すると改善する可能性があります。

Windows 7標準AHCIドライバがSSDと相性が悪いわけではなく、しっかりと速度が出るが、SSDによってはメーカー独自AHCIドライバを利用する方が速い場合があります。

メーカー独自AHCIドライバの方が遅い場合もあり、例えばAMDのAHCIドライバ(Catalyst 11.1に含まれるバージョン)だとSSDによっては速度が低下します。AMDのAHCIドライバ全てにおいて発生するわけではなく、バージョンによって発生します。

FOB状態、遷移状態、定常状態とは

SSDはデータ書き込みを続けると性能が低下していきます。最も性能が高い初期状態をFOB状態(Fresh Out of Box State)、性能が低下中の状態を遷移状態(Transition State)、性能の低下が止まり一定の性能が出ている状態を定常状態(Steady State)と呼びます。

新品のSSDはFOB状態であり、出荷直後状態、開封後未使用状態等と呼ぶ場合もあります。遷移状態や定常状態になっても、フラッシュメモリーのデータを全て完全に消去するとFOB状態に戻ります。

Steady State速度

SSDの仕様で速度の項目を見るとSteady Stateがある場合、それはSteady State(定常状態)で測定された速度です。

コンシューマー向けSSD、エンタープライズ向けSSD

一般的に仕様に記載の速度は、コンシューマー向けSSDではFOB状態の速度、エンタープライズ向けSSDでは定常状態の速度です。FOB状態の速度と定常状態の速度、どちらなのか明確に記載されていないSSDもあります。

FOB状態から遷移状態に該当する使用開始直後しばらくは、一般的にコンシューマー向けSSDはエンタープライズ向けSSDよりもランダムアクセス速度が速いです。使用し続けると両者が性能低下し定常状態になると、エンタープライズ向けSSDの方がランダムアクセス速度が速いです。

一般的にエンタープライズ向けSSDの方がランダムアクセス速度が落ちにくいです。一定以上のランダムアクセス速度が出る必要があり、その基準を下回るほどランダムアクセス速度が低下すると支障をきたす、このような条件でSSDを選ぶユーザーがエンタープライズ向けSSDの方に多いので、落ちにくいように作られています。

ベンチマークの速度

ベンチマークソフトウェアを利用しSSDの速度を測定する場合、各状態の測定結果が違う場合があります。どのくらい速度が低下するのかはSSDによって違いますが、定常状態の速度がFOB状態の速度の約1割にまで低下するSSDもあります。

測定された速度に注意が必要であり、例えばFOB状態の速度と定常状態の速度の比較は公平な比較ではありません。一般的にSSDを使用すると定常状態に達するまで書き込み続けますので、定常状態において測定された速度が重要です。

速度低下が始まるデータ書き込み総量

SSDは使い続けるとデータ書き込み速度が低下する特性があります。SSDを使い始めてからすぐに低下するわけではなく、一般的にデータ書き込みの総量がSSDの容量を超えると速度が低下し始めます。

どのくらい速度低下するのか

どのくらい低下するのかは製品によって違いますが、一般的には半分以下にまで低下します。そこまで速度が低下すると体感しそうですが、実際はそれほど体感しません。その理由は、最も負荷がかかるようなデータ書き込みを行った場合におけるデータ書き込み速度が半分以下にまで低下するのであり、実際にパソコンを使用する場合は最も負荷がかかるようなデータ書き込みを行うことがあまりないためです。SSDはデータの書き込みの仕方によってデータ書き込み速度が違いますが、負荷が軽いデータ書き込みであれば体感できるほど速度が低下しません。負荷が高いデータ書き込みを行うにあたり速度低下が問題になる場合、速度低下しにくい製品が必要です。

速度低下の原因

SSDはデータの書き込みをページと呼ぶ単位で行います。

SSDには複数のページをまとめたブロックと呼ぶ単位があります。

新たにデータを書き込むとき、まだデータが書き込まれていないページに対してデータを書き込みます。

データを変更する場合、古いデータがあるページに新しいデータを上書きできそうですが、SSDではページをデータが書き込まれていない状態にするためにデータを削除した後に新しいデータを書き込みます。

ページにある古いデータを削除し新しいデータを書き込めばよいのですが、SSDはページ単位ではデータを削除できまず、ブロック単位ならデータを削除できます。

そのため、以下のような複雑な一連の処理が発生します。

ページにあるデータを変更する場合、そのページがあるブロックのデータを全て別のブロックに移動させるためにデータを書き込みます。

別のブロックにある全てのページは、データが書き込まれていない状態である必要があります。

変更するデータについては、古いデータではなく新しいデータを別のブロックに書き込みます。

元のブロックのデータを全て削除した後に、別のブロックに移動させておいたデータを元のブロックに戻すためにデータを書き込みます。

この一連の処理がデータ変更時に発生するとデータ書き込み速度が低下しますので、SSDはデータを変更する場合は、まだデータが書き込まれていないページに対し、変更後の新しいデータを書き込みます。

変更前の古いデータがあるページには古いデータが残り続けますが、データの管理上では削除されたデータとして扱いますのでデータ書き込み速度が低下しません。

データを削除する場合、削除対象のデータがあるページをデータが書き込まれていない状態にするには、データ変更時と同じような複雑な一連の処理が発生しますので、データの管理上では削除されたデータとして扱います。

ページには、データが残ったままとなります。

SSDの容量には限りがある、すなわちページには限りがあります。

データの管理上では削除されたデータでもページには残っていますので、SSDに空き容量があっても新しいデータの書き込みやデータを変更するために書き込むことを続ければ、いずれは全てのページがデータが書き込まれている状態となります。

その状態になる目安が、データ書き込みの総量がSSDの容量を超えるときです。

こうなってしまうと新たにデータを書き込む場合でもデータを変更する場合でも、データが書き込まれていない状態のページを作るために上記の複雑な一連の処理が発生しますのでデータ書き込み速度が低下します。

全てのページがデータが書き込まれている状態となれば、データが書き込まれていない状態のページのみがあるブロックがないので、別のブロックへデータを移動することができなさそうですが、SSDには予備のブロックがあり、予備のブロックにデータを移動させます。

予備のブロックには、不良が発生し使えなくなったブロックの代わりとしての役目もあります。

速度低下を元に戻す方法

SSDを出荷時の状態に戻せば、全てのページがデータが書き込まれていない状態になりますので、低下したデータ書き込み速度が元に戻ります。

SSDを出荷時の状態に戻すには、セキュアイレースと呼ぶ作業が必要です。

SSDにセキュアイレース可能なソフトウェアが付属していれば利用できます。

セキュアイレース可能なフリーソフトウェアを利用する方法もあります。

速度低下を抑える方法

SSDを出荷時の状態に戻す方法は簡単には実行できません。特にOSやアプリケーションをインストールして使用中の場合は非現実的です。SSDにはTrimとGCがあります。Trimとは、SSD上からも削除してよいデータの存在場所をOSからSSDに通知する機能です。GCとはGarbage Collectionの略で、データの整理や削除する機能です。OSがTrim実行後にSSDがGCを実行し、管理上では削除したがSSD上に残っているデータを削除します。TrimとGCは重要な機能で普及しており適切なタイミングで実行します。これらの機能が速度低下を抑えます。

断片化

HDDでは断片化(フラグメント)が多くなるとアクセス速度が低下し、OSやソフトウェアの動作速度が遅くなります。

例えば、OSが起動するときに読み込むファイルが分散して記録されていると、OSの起動が遅くなります。

デフラグを行うと断片化が解消でき、低下したアクセス速度が回復します。

SSDにはHDDのように機械的な動作がないため、断片化が多くなってもアクセス速度が低下しにくいです。

全くアクセス速度が低下しないわけではありませんが、元々のアクセス速度が速く、あまり速度が低下しないため、ユーザーが不満を感じにくいです。

HDDと同じようにデフラグを行うと低下したアクセス速度が回復しますが、あまり効果がなく、SSDは書き換え回数が多くなるほど劣化するので寿命を縮めてしまいます。

空き領域の断片化

SSDでは空き領域の容量が小さくなり(残り容量が全容量の20〜30%)、空き領域の断片化が多くなると、データ書き込み速度が大きく低下する場合があります。

空き領域の断片化を解消するデフラグを行うと効果が大きく、低下したデータ書き込み速度が回復します。

定期的にTrimを実行する場合、空き領域の断片化が多くなりませんので、空き領域のデフラグが不要です。

OSがTrimに非対応だったり、SSD自体がTrimに非対応の場合、空き領域のデフラグが効果的です。

仮想メモリー

メインメモリーの容量が不足すると、ストレージの一部をメインメモリーの代わりに利用します。

ストレージのアクセス速度がメインメモリーよりもかなり遅いため、メインメモリーの容量不足が発生するとパソコンの動作が遅くなります。

HDDよりもアクセス速度が速いSSDにすると体感できるほど改善しますが、SSDでもメインメモリーと比べたらアクセス速度がかなり遅いのでパソコンの動作が遅くなります。

メインメモリーを利用した読み書き速度の向上

SSDの読み書き速度が速いですが、メインメモリーには勝てません。SSDによっては、利用頻度が高いデータをメインメモリーに展開し読み込み速度を向上させる機能があります。書き込むときはまずメインメモリーに書き込み、後にSSDに転送し書き込み速度を向上させます。

Samsung(サムスン)が開発した機能をRAPIDモードと呼びます。利用頻度が高いアプリケーション関連データをホットデータ、利用頻度が低いアプリケーション関連データをコールドデータと呼びます。ホットデータをメインメモリーに展開します。例えば、オフィスアプリケーションの利用頻度が高い場合、その起動に必要なデータをメインメモリーに展開し起動速度が速くなります。

RAPIDモードを利用し書き込み速度を向上させる場合、メインメモリー上に確保したRAPIDモード用の領域にデータを一時的に保存しておきます。システムがアイドル状態のとき、そのデータをSSDに書き込みます。メインメモリー上に保持したデータは、停電等で電源断が起きると消失するので注意が必要です。一般的に電源断があまり起きませんが、その発生頻度が高い場合はRAPIDモードを利用しない方がよいです。

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