RAID

最終更新日 2021年10月18日

RAIDとは

基礎

RAIDとは、Redundant Array of Inexpensive Disksの略です。日本語で言うと複数の安価なハードディスクを組み合わせてデータの冗長性を確保することです。実際にはHDD以外のストレージでもRAIDを利用しています。データの冗長性に限らずデータ読み書き速度の向上にもRAIDを利用しています。

データの冗長性

データの冗長性とは、特定のストレージで故障等によりデータが消失してしまっても、データを復旧・復元できるようにしておくことです。データの安全性が向上します。単純な例だと、ストレージ2台を用意し、それぞれに同じデータを保存しておけば、片方でデータ消失しても別の片方から復旧・復元できます。

RAIDレベル

RAIDを利用するとき、何台のストレージが必要になるのか、どのようにデータを書き込むのか、 RAIDレベルによって違います。

RAIDレベルによって、データの読み書き速度が向上するのか、データの安全性が向上するのか、両方とも向上するのかが決まります。

RAID 0

RAID 0という名称の由来は、データの冗長性が確保されていないことです。RAID 0のRAIDはデータの冗長性を意味し、0(ゼロ)が無いを意味します。

複数のストレージに分けてデータを記録します。複数のストレージに対し同時にデータ読み書きしますので、データの読み書き速度の向上が可能ですが、データの安全性の向上にはなりません。ストレージ2台を使用する場合、1台だと2回のデータ書き込み処理が発生するところを、2台に分散させて同時にデータを書き込むことにより1回のデータ書き込み処理で済ませることで、理論上はデータ書き込み速度が2倍になります。1台だと2回のデータ読み込み処理が発生するところを、2台それぞれから同時にデータを読み込み1回で済ませることで、理論上データ読み込み速度が2倍になります。あくまでも理論上なので実際にはデータ読み書き速度が2倍にはなりませんが、それでも体感できるほどデータ読み込み速度が向上します。どれか1台のストレージが故障すると、RAIDに使用している全てのストレージに保存されているデータが失われます。

複数のストレージにデータ読み書きし高速化することをストライピングと呼びます。RAID 01(RAID 0+1)もストライピングを行います。

RAID 1

複数のストレージに同じデータを記録します。どれかのストレージが故障してもデータを保護できます。一般的に2台のストレージを使用し容量が半分になりますが、データの安全性の向上が可能です。

複数のストレージに同じデータを書き込むことをミラーリングと呼びます。RAID 01(RAID 0+1)もミラーリングを行います。RAIDではなくても、パソコンのストレージとクラウドストレージへ同じデータを書き込むこと等もミラーリングです。

RAID 5

複数のストレージに分けてデータとエラーを訂正するための情報パリティを記録します。パリティに使用する容量はストレージ1台分となります。どれか1台のストレージが故障しても、他のストレージに記録されたパリティよりデータを復旧できます。RAID 5を利用するには3台以上のストレージが必要です。

RAID 5やRAID 6はパリティの計算があるので、ソフトウェアRAIDだとCPUにかかる負荷が大きく、RAID構築したストレージの性能が伸びず、RAID以外の処理にも影響を与え性能が低下します。ハードウェアRAIDの方が適しています。

RAID 6

RAID 5と似ていますが、データとエラーを訂正するための情報パリティの記録容量がストレージ2台分となります。どれか2台のストレージが故障しても、他のストレージに記録されたパリティよりデータを復旧できます。RAID 6を利用するには4台以上のストレージが必要です。 RAID 5と同様にCPUに高い負荷がかかるのでハードウェアRAIDが適しています。

RAID 01(RAID 0+1)

RAID 0とRAID 1を組み合わせた記録方式です。例えば4台のストレージがあるとして、2台ずづ分けAとBのグループに分けるとします。AとBそれぞれにRAID 0としてデータを記録します。AとBそれぞれに同じデータが保存されているため、どちらかが故障してもデータが保護されます。RAID 01を利用するには4台以上のストレージが必要です。

RAID 5のデータ安全性

RAID 5だとストレージ1台が故障すると冗長性がなくなります。

冗長性がないとは、ストレージの中で1台が故障してしまうとデータを守れない状態です。

RAID 5では1台が故障してもデータの読み書きを行い続けられる便利さがありますが、その便利さが仇となってしまうかのように故障に気づかず、さらにもう1台が故障してしまいデータ復旧できなくなってしまう場合があります。

1台が故障し即交換してデータを再構築するとしても、その再構築にかかる時間が長く、再構築中はストレージに高い負荷がかかります。

再構築が完了する前に故障が発生すると、全てのデータを失います。

新品のストレージを複数台用意してRAID構築し使い続けていると、複数台のストレージが近いタイミングで同時故障してしまう可能性は無視できないほど小さくはありません。

重要なデータを守る場合、RAID 5ではなくRAID 6がよいです。

RAIDレベルとパソコン

一般的にパソコンでは、RAID 0かRAID 1の利用が多いです。

RAID 5、RAID 6、RAID 01(RAID 0+1)は、必要なストレージ台数が多い理由もありますが、業務用途向けの本格的なRAID構成ですので、パソコンので利用が少ないです。

ソフトウェアRAIDとハードウェアRAID

ソフトウェアRAID

ソフトウェアRAIDとは、RAID専用のハードウェアを使用せずにソフトウェアで実現するRAIDです。OS等のソフトウェアが制御しますので、CPUに高い負荷がかかり、OS起動後にRAIDが有効になりますのでOSの起動ドライブには設定できない制限がありますが、専用のハードウェアを使用しませんのでコストが安いです。アクセス速度がCPUの性能に依存しますので、CPUに十分な性能が必要です。

ハードウェアRAID

ハードウェアRAIDとは、RAID専用のハードウェアを使用して実現するRAIDです。専用のハードウェアを使用しますので、コストが高いです。

ハードウェアRAIDはソフトウェアRAIDよりも初期化に時間がかかるのでOSの起動が遅いです。初期化にかかる時間が製品によって違いソフトウェアRAIDも同様ですが、一般的には体感できるほどハードウェアRAIDの方が遅いです。補足ですが、ここでの比較対象のソフトウェアRAIDとは、ソフトウェアによりRAIDの処理を行うRAIDカードや、チップセットのRAID機能です。OSにあるRAID機能やRAID用ソフトウェアは、OS起動ドライブに設定できないので含みません。

特徴 ソフトウェアRAID ハードウェアRAID
実現手法 ソフトウェアで制御 専用ハードウェアで制御
CPU負荷 高い 低い
設定 面倒 簡単
コスト 安価 高価

オンボードRAID

オンボードRAIDとは、マザーボードのチップセットにあるRAID機能です。ハードウェアRAIDに当てはまりますが、ソフトウェアRAIDに近い特徴があるのでソフトウェアRAIDに分類する場合が多いです。マザーボード等のデバイスがデバイス自体を制御するために利用するソフトウェアをファームウェアと呼びます。ファームウェアがオンボードRAIDの処理を行うので、ファームウェアRAIDと呼ぶ場合もあります。

ソフトウェアRAIDに該当するRAIDカード

RAIDカードの全てがハードウェアRAIDに該当するわけではなく、ソフトウェアRAIDに該当する製品もあります。RAIDカード上にあるコントローラーだけではなくCPUもソフトウェアでRAID関連の処理を行い、かつほどんどのRAID処理がソフトウェア処理の場合、ソフトウェアRAIDに該当します。

どちらに該当するのか分ける明確な基準がありません。ハードウェアRAIDに該当するとしても間違いではありませんが、特徴はソフトウェアRAIDに近いです。ソフトウェアRAIDに近いRAIDカードでも、ハードウェアRAIDとして販売されているのが見られますので選ぶときに注意が必要です。

RAIDコントローラー

BBU(Battery Backup Unit)

BBUとは、RAID用キャッシュデータを保護するためのバッテリーです。RAID用キャッシュメモリーを使用しないRAIDコントローラーにはBBUがありません。

ストレージに対しデータを書き込むときに、RAIDコントローラーが書き込みデータを一時的にRAID用キャッシュメモリーへ保持します。停電等により突然電源が切れると電力供給がなくなりますが、キャッシュメモリー上のデータが消失しないように、フラッシュ・キャッシュ・ストレージへ保存するために電力供給するバッテリーがあります。そのバッテリーがBBUです。

RAID用コントローラーによってはフラッシュ・キャッシュ・ストレージがなく、RAID用キャッシュメモリー上に保持します。保持時間が製品によって違いますが、一般的には72時間程度です。バッテリーの充電量や消耗具合によっても変わります。保持時間が過ぎるまでに起動する必要があります。バッテリー切れになるとデータが消失します。

BBUのバッテリー消耗

使用時間や使用環境等によって違いますが、一般的には3年程度でバッテリーが消耗します。消耗するとRAID用キャッシュメモリーを使用せずにデータを書き込みます。データ書き込み速度が低下します。バッテリーが消耗してもRAID用キャッシュメモリーを使用するRAIDコントローラーはないと思われます。もし存在する場合、停電等で突然電源が切れるとデータが消失する恐れがあります。

RAIDコントローラーの交換

RAIDコントローラが故障したら単に交換可能なのかは、RAIDコントローラによって違います。単に交換すればよい場合もあれば、規定の手順を守らずに交換してしまうとデータが消失する場合があります。交換前に取扱説明書等を確認するか、RAIDの復旧サービス提供業者に依頼するとよいです。

デグレード・モード(縮退状態)

デグレード・モードとは、RAID構成に使用中のストレージに故障等が発生し冗長性が失われる、すなわちもう1台のストレージにも故障等が発生したらデータが消失する状態です。例えば、ストレージ2台をRAID 1で構成し、ストレージ1台が故障してしまったらデグレード・モードです。冗長性がない状態なので、もう1台のストレージも故障したらデータが消失します。ストレージ3台をRAID 5で構成し、ストレージ1台が故障してしまった場合もデグレード・モードです。

デグレード・モードになったら、なるべく早めに故障等が発生したストレージを正常なストレージへ交換し、冗長性がある状態に戻す必要があります。システムによりますが、デグレード・モードになってもデータの読み書きが正常に続けられシステムが稼働し続ける場合が多いので、デグレード・モード(縮退状態)に気づかない可能性があります。

RAIDリビルド(再構築)

バックアップ

ストレージ1台が故障し新しいストレージへ交換してリビルド中に、別のストレージも故障しデータが消失する恐れがあります。ストレージには個体差がありますが、劣化し同じ時期に寿命を迎える場合があり、リビルド中にはストレージに高い負荷がかかるので故障する可能性が高まります。

リビルドする前にバックアップするとよいです。バックアップは重要なデータから行うとよいです。リビルドよりは低くても負荷がかかるのでバックアップ中に故障する可能性が高まるためです。

RAIDに使用するストレージ

同一メーカー同一製品

ソフトウェアRAIDやハードウェアRAIDでは、同一メーカー同一製品でそろえることを動作保証する条件にしている場合があります。同一メーカー同一製品ではないと動作しない場合がありますが、同一ではなくても正常に動作する可能性が非常に高いです。同一ではなくても正常に動作する可能性は高いが、何かトラブルが発生しても動作保証しないので自己責任で行うようにという意味と思ってよいです。同一メーカー同一製品だと故障するタイミングや寿命を迎えるタイミングがほとんど同じになる可能性が高まるため、同一ではない方がよいほどです。

データ読み書き速度が大体同じ、容量が同一がよいです。速度が大きく違うストレージを組み合わせると遅い方に合わせられ性能が落ちたり、容量が違うストレージを組み合わせると容量が小さい方に合わせられ一部の容量を使用できない場合があります。例えば、250GBのHDDと500GBのHDDを組み合わせてRAID 1で構築すると、全体で見て使用する容量が500GB、容量が500GBのHDDでは250GB分の容量を使用しません。

RAIDとSSD

PCI Express接続のSSDでRAID構築、UEFIが必要

PCI Express接続のSSDを使用しRAIDを構築する場合、RAID BIOSではRAIDを構築できないのでUEFIが必要です。

RAID 0構築、CPUとチップセット間の帯域不足

SSDを使用しRAID 0を構築する場合、CPUとチップセット間の帯域不足に注意が必要です。例えば、マザーボードのチップセットが対応するRAID機能を利用するとします。チップセットに2枚のM.2 SSDをPCI Express 3.0 x4接続し、RAID 0を構築するとます。CPUとチップセット間の帯域が最大32Gbps(4GB/s)、チップセットとM.2 SSD間の帯域も最大32Gbpsとします。チップセットと2枚のM.2 SSD間の帯域が合わせて64Gbpsですが、そこで32Gbpsを超えるデータ読み書き速度を発揮しても、CPUとチップセット間の帯域が最大32Gbpsまでなので帯域が不足します。そのため、この例ではM.2 SSDでRAID 0を構築しても性能を十分に発揮できません。

CPUとチップセット間の帯域が不足する場合、CPUに直結されているPCI Express接続の拡張スロットにM.2 SSDを接続し、WindowsのソフトウェアRAID機能を利用してRAID 0を構築する方法があります。チップセットを経由しないのでCPUとチップセット間の帯域の影響を受けません。

RAID 0構築、最適なストライプサイズ

特定のストライプサイズが全ての用途において優れているわけではありません。用途によりますが、16KB、32KB、64KB、これらの中から選ぶとよいです。シーケンシャルアクセスでもランダムアクセスでも高いパフォーマンスを発揮しバランスが取れています。様々なベンチマークを実行すると、16KB、32KB、64KBのどれかで最も高いベンチマークスコアが出る場合が多いです。

RAID 0構築、ライトバックキャッシュ有効

SSDでRAID 0構築に加えてライトバックキャッシュを有効にすると、データ書き込み速度が向上します。特にランダムライト速度が向上します。使用するSSD等によって違いますが、無効と比べてランダムライト速度が2〜5倍まで向上します。

RAID 0構築、寿命が延びる

SSDでRAID 0を構築すると、データ書き込みが複数のSSDに分散するので寿命が延びます。ここで言う寿命とは、SSDが採用するフラッシュメモリーが書き換え可能回数の上限に達し迎える寿命のことです。一般的な使い方ではフラッシュメモリーが寿命を迎える前に別の原因で寿命を迎えるので、フラッシュメモリーの寿命が延びるメリットがありません。

データ読み書き速度が向上するメリットもありますが、RAID 0構築ではなてもSSDはデータ読み書き速度が速いので、ほとんどの人にとって大きなメリットがあるとは言えません。RAIDを構築すると使用するストレージ台数が増えるので、故障リスクも増えるデメリットがあります。総合的に見ると、一般的にはSSDでRAID 0を構築せずに使うとよいす。

RAIDのホットスワップとホットスペア

ホットスワップとは、システムの電源を切らずに故障したストレージを交換可能にする機能です。

RAIDを構築している複数台のストレージの中で故障が発生し交換する場合、通常はシステムの電源を切らなければなりません。

ホットスワップに対応している場合、システム稼働中にストレージを交換できます。

ホットスペアとは、ストレージの故障に備えて予備を待機させておき、故障したら自動的に予備への移行を可能にする機能です。

ホットスタンバイとも呼びます。

交換なしで復旧できますが、ホットスペアに対応している必要があります。

RAIDとバックアップ

2台のストレージをRAID 1構成にする例で解説します。

1台が故障しても、もう1台からデータを読み込めますのでバックアップできていそうです。

しかし、誤削除や誤って上書きすると両方でデータが失われますので、バックアップになりません。

RAIDを利用していてもバックアップが必要です。

RAIDの必要性

RAIDのメリット

RAIDを導入すると、データの読み書き速度の向上、データの安全性の向上、これらのメリットがあります。

どちらもよいメリットですが、個人で使用するパソコンではRAIDの必要性が低いです。

データの読み書き速度の向上

データの読み書き速度が向上すると、パソコンをより快適に使えるようになります。

ストレージのデータ読み書き速度が遅かった頃は、RAIDによってデータ読み書き速度が向上すると体感しやすかったです。

技術進歩によってストレージのデータ読み書き速度が十分速くなりましたので、さらにRAIDによってデータ読み書き速度が速くなっても体感しづらいです。

そのため、RAIDを利用してデータの読み書き速度を向上させるメリットは小さいです。

特にHDDよりもデータの読み書き速度に優れているSSDの登場の影響が大きく、HDDをRAIDにして使うよりはSSDを使う方がよいです。

SSDでRAIDを利用すると、さらにデータ読み書き速度が向上しますが、SSDはRAIDなしでも十分速いです。

可能な限りデータの読み書き速度を向上させたい理由がなければ、RAIDは不要です。

まだまだデータの読み書き速度の向上が重要になってくる業務用途であればRAIDの必要性が高いですが、家庭用途であればRAIDにしなくてもデータの読み書き速度が十分ですのでRAIDの必要性が低いです。

データの安全性の向上

データ安全性の向上というメリットは、ストレージに高い負荷がかかる中、24時間365日システムが停止せずに稼動し続けなればならないサーバー・ワークステーション向けのメリットです。

このような条件ではストレージが早く寿命を迎えてしまう確率が高く、データの損失やシステムの停止は深刻な問題となりますので、RAIDの必要性が高いです。

個人で使用するパソコンであれば、特殊な用途でなければストレージに高い負荷がかからず、24時間365日稼動し続ける必要がありませんので、データ安全性の向上をしておく必要がありません。

家庭用途のパソコンでもストレージに何らかのトラブルが発生して使えなくなるのは困ります。

パソコンが使用できなくならないようにしたいのであれば、RAIDによってデータ安全性の向上をしておくのもありです。

しかし、家庭用途のパソコンであれば、ストレージが早く寿命を迎えてしまうほど酷使されることがなく故障しにくいです。

24時間365日稼動させ、常に大量のデータ読み書きが発生する使い方をする人は、非常に少ないと思われます。

ストレージ以外のPCパーツにおいて故障等のトラブルが発生することも考慮すれば、ストレージをRAID構築しておくよりは、予備のパソコンを用意しておく方がよいです。

RAIDよりもバックアップ

パソコンでストレージに何らかのトラブルが発生し、データの損失が発生してしまうと誰でも困るものです。

RAIDを利用してデータの安全性を向上させておけば、データ損失のリスクを減らせますが、RAIDだけでは不十分でバックアップが不可欠です。

RAIDを利用していても、コンピューターウイルスの感染、誤操作、紛失、事故等でデータが損失するリスクがありますので、定期的なバックアップをしておく方が重要です。

RAIDでは、コンピューターウイルスの感染等で失ってしまったデータは復元できません。

データを失いたくないのであれば、データを外部記憶媒体(外付けストレージ、光ディスクメディア、メモリーカード等)にバックアップファイルとして定期的に保存しながらパソコンを使うことが重要です。

定期的にバックアップしておけば、RAIDなしで安心して使えます。

ただし、バックアップだと、最後にバックアップしてから新規作成したデータや編集したデータは復元できません。

バックアップ後から新規作成したデータや編集したデータを失いたくないのであれば、RAIDを利用してデータの安全性を向上させる必要がありますが、そこまでしておく価値がデータにあるのか検討して決める必要があります。

バックアップするタイミングは人それぞれですが、最後にバックアップしてから作成、もしくは編集したデータは、RAIDにするために必要なコストよりも価値が高いのであれば、RAIDを利用するとよいです。

例えば、動画編集や画像編集で、同じ時間をかけても二度と同じ作品を作れないようなクリエイティブな作業にパソコンを使う場合、RAIDを利用してデータの安全性を向上させておくとよいです。

RAIDのデメリット

RAIDでは使用するストレージ台数が増え、RAIDのコントローラー等の部品が増えるので、故障確率が増加するデメリットがあります。故障確率が低いので懸念する必要がありません。故障確率が増える理由でRAID導入を見送る必要がありません。


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