ホワイトペーパー（SSDの性能）

ソリッドステートドライブの性能
ホワイトペーパー
デビッド・バーティザル＆トーマス・ノースフィールド
2008 年 3 月 24 日
抄録
コンピュータ業界の人であれば、コンピュータの各コンポーネント（C PU から
RAM、ビデオ G PU、ストレージシステムまで）はコンピューティングプラットフォ
ームに対する更なるユーザの要求に対応するため、いっそうの高速化をする必要が
あると言っても驚くことではありません。毎日のように、高速化や効率アップにつ
いての発表があります。加えて、エネルギーコストや環境の懸念が増加し、低消費
電力コンピューティングが最近の主流になってきています。
大容量記憶装置も例外ではありません。しかし、多くの点で他のコンポーネントの
高速化やエネルギー効率の改善に遅れを取っています。容量は継続的に増えていま
すが、近年では、ハードドライブ技術はある限界に近づいており、高速化と低エネ
ルギー化が両立せずわずかな改善しか見られません。しかし、ハイパフォーマンス
と高エネルギー効率の両方を望むユーザにとって、やっとその技術が手に入るよう
になりました、ソリッドステートドライブです。
ソリッドステートドライブ（SSD）のパフォーマンスはハードディスクドライブ
（ HDD ）に比べかなり上回ると考えられています。当然ですが、それらはいろいろ
なことに依存しています。たとえば、SSD 全体のパフォーマンスは SSD の設計と品
質、使用されるアプリケーションやシステムに使用される他のハードウェアに依存
します。SSD の HDD からの主なパフォーマンス向上は SSD の非常に高速なランダ
ム読み込みです。初期の SSD は、極端に遅いランダム書き込み速度の犠牲のもとに
ランダムアクセスの改善を得ていました。これはもはや過去の話であり、現在の製
品では高速ランダム読み出し速度とともにランダム書き込み速度も大幅に改善され
ています。
このホワイトペーパーでは SSD のパフォーマンス要因を明らかにし、典型的な HDD
のパフォーマンスと比較します。また、いくつかの特定のアプリケーションやハー
ドウェアに依存することにも触れます。
SSD とは
SSD は可動部分がなく、本質的に HDD エミュレータです。基本的にプリント回路基
板、NAND フラッシュメモリチップセット、 SDRAM のキャッシュ、メモリコント
ローラ、インターフェイスコントローラと IDE、SATA、SAS、さらにはファイバチ
ャネルなどのインターフェイスコネクタなどで構成されます。ここでは SATA 接続
のみ議論します。SSD のパフォーマンスとエネルギーの利点に加えて、可動部分が
無いことはドライブが振動や衝撃に強いことを意味します。実際には、SSD は
1500G の衝撃（7.8m の落下に相当）に耐えるものもあります。
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パフォーマンス測定の定義
ストレージデバイスのパフォーマンスを測定には多くの異なる方法があります。こ
の論文で使用されるパラメータは以下のように定義されています。
アクセス時間：プログラムまたはデバイスが 1 つの情報を見つけコンピュータで
利用可能になるまでの時間。アクセス時間は、通常、ミリ秒単位（ms）です。
シーケンシャル転送レート：デバイスのストレージメディアの隣接するセクター
の 1 秒あたりの読み取りまたは書き込みのデータ量。シーケンシャル転送レート
は、通常 1 秒あたりのメガバイト単位（ MB /秒）です。
ランダム転送レート：デバイスのストレージメディアの隣接しないセクターの 1
秒あたりの読み取りまたは書き込みのデータ量。ランダム転送レートは、通常 1
秒あたりのメガバイト単位（ MB /秒）です。
シーケンシャルIOPS ：デバイスがストレージメディアの隣接するセクターで 1 秒
間に行なえるシーケンシャルの読み取りまたは書き込みの入力/出力操作の数とし
て表現（ IOPS ）。
ランダムIOPS ：デバイスがストレージメディアの隣接しないセクターで 1 秒間に
行なえるランダムの読み取りまたは書き込みの入力/出力操作の数として表現
（ IOPS ）。
すべての転送速度と IOPS の性能は転送ブロックの大きさに依存しています。
典型的なシーケンシャル操作は断片化されていない大容量のファイルの読み込み
（ビデオファイルなど）または大容量のファイルを連続したメディアのセクターに
書き込む場合です。重度の断片化が発生したとき、または読み取り書き込み時にた
くさんの小さなファイルがあちこちに散らばっている場合、ランダムな操作が発生
します。アプリケーションやオペレーティングシステムファイルの起動は、どちら
かというとシーケンシャルというよりはランダムです。現実のコンピューティング
での実際のアプリケーションのパフォーマンスはランダムとシーケンシャル操作の
組み合わせです。
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テストドライブについて
様々な性能属性をテストする HDD と SSD ドライブが選ばれました。表 1 はこれら
のドライブをまとめたものです。
Name
WD740
WD2500
HTS541040
SD 5000
Imation 7035*
Imation 3035**
Imation 7025*
Imation 3025**
Type
HDD
HDD
HDD
SSD
SSD
SSD
SSD
SSD
Capacity
74GB
250GB
40GB
32GB
32GB
32GB
32GB
32GB
表1
*Imation SSD PRO 7000 powered by Mtron
**Imation SSD MOBI 3000 powered by Mtron
RPM (if HDD)
10,000
7,200
5,400
n/a
n/a
n/a
n/a
n/a
Form Factor
3.5”
3.5”
2.5”
2.5”
3.5”
3.5”
2.5”
2.5”
アクセス時間、SSD 対 HDD
HDD は 1 つまたは複数の磁気メディアプラッターと、アクチュエータによってプラ
ッターの表面を内周から外周を動く読み取り書き込みヘッドによって構成されます。
特定のデータを読み取る場合、ヘッドはその場所を特定し正しい位置に移動しプラ
ッターが回転して物理的なデータが現れるのを待つ必要があります。これは通常は
10ms 以上です。高速 HDD モデルでもアクセス時間は 7 または 8 ms です。ソリッド
ステートはその構成コンポーネントのおかげで NAND メモリの任意のセクターに直
接アクセス（シークなし）でき、SSD のデータアクセス時間は約 0.1ms で HDD より
も約 100 倍高速です。これはブート時などのように数万から数十万回の処理が必要
な場合、HDD による遅延が容易に認識できます。図 1 はイメーション SSD と競合
SSD および HDD のアクセス時間を比較したものです。SSD の高速性が明白です（バ
ーが短いほど速い）。
HDD
WD740
8.9
WD2500
13.4
SSD
HTS541040
18.3
SD 5000
0.1
Imation 7035
0.1
Imation 3035
0.1
Imation 7025
0.1
Imation 3025
0.1
0
3
6
9
12
15
18
21
Access Time (ms)
図1
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シーケンシャル転送レート、SSD 対 HDD
典型的なコンピュータは起動後、ソフトウェアを RAM に読み込み、ユーザがデータ
ファイル読み込みや作成を可能にします。最終的に、シーケンシャル書き込みが必
要で新規または変更されたファイルを HDD や SSD など不揮発性ストレージに保存
します。ファイルドキュメント、スプレッドシート、プレゼンテーション、画像や
その他のデータファイルなど、作成したすべてのデータは保存するために有限な時
間を必要とします。図 2 と図 3 に SSD および HDD のデバイスの書き込み、および
読み取りシーケンシャル転送レートの比較を示します。
WD740
HDD
HDD
WD740
WD2500
HTS541040
SD 5000
SD 5000
Imation 7035
Imation 7035
SSD
SSD
HTS541040
WD2500
Imation 3035
Imation 3035
Imation 7025
Imation 7025
Imation 3025
Imation 3025
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0 120.0 140.0
0.0
20.0
Sequential Write Speed (MB/ s)
40.0
60.0
80.0
100.0 120.0 140.0
Sequential Read Speed (MB/ s)
図2
図3
HDD は同じような読み取りおよび書き込み速度を持ちますが、SSD は読み取り速度
のほうが書き込みより速くなっていることに注意してください。これは、SSD は書
き込みプロセスの前に消去プロセスが必要だからです。この"書き込みペナルティ"
にもかかわらず、上の図に見られるように、SSD の読み取りおよび書き込みの性能
は HDD を超えることが可能です。
ファイルまたはブロックサイズはもうひとつの依存要因です。ブロックサイズが非
常に小さい（ 512 バイト）ものから大きい（128KB 以上）もの、さらに非常に大き
な（ 8 MB ）サイズに増大するに従い、ドライブのパフォーマンスは向上します。
これは、オペレーティングシステムと関連付けられたファイルの読み取りまたは書
き込み準備のためのデバイスのオーバーヘッドが理由です。図 4 と 5 は SSD および
HDD のブロックサイズの変更によってシーケンシャル書き込みと読み込みどう変化
するかいくつかの例を示します。
100000
140000
120000
60000
Imation 7035
50000
SD 5000
40000
HTS541040
30000
WD740
20000
100000
80000
Imation 7035
60000
SD 5000
10000
20000
0
0
Write Block Size
図4
HTS541040
40000
WD740
512B
1K
2K
4K
8K
16K
32K
64K
128K
256K
512K
1M
2M
4M
8M
70000
Read Speed (M B/ s)
80000
512B
1K
2K
4K
8K
16K
32K
64K
128K
256K
512K
1M
2M
4M
8M
W rit e Speed (M B/ s)
90000
Read Block Size
図5
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それぞれのドライブの種類で、ある点を越えるとブロックサイズに依存しなくなり
ます。ここが、そのドライブの読み取りまたは書き込みの最大転送レートになりま
す。
ランダム IOPS 、SSD 対 HDD
非常に断片化したドライブでデータを転送する場合、またはデータベースファイル
へのランダムアクセスの例では、ランダム転送レートが最も重要です。ランダム速
度は通常シーケンシャル速度よりも遅く、デバイス上のブロックを別のデバイスに
移動するためのオーバーヘッドが原因です。ランダム転送速度を測定することは可
能ですが、ランダム IOPS を直接測るほど有益ではありません。シーケンシャル転送
速度の測定と同じように、ランダム IOPS は転送するブロックサイズに依存していま
す。図 6 と図 7 は SSD および HDD のランダムな書き込み、および読み取り IOPS を
示します。
WD740
HDD
HDD
WD740
WD2500
HTS541040
SD 5000
SD 5000
Imation 7035
Imation 7035
SSD
SSD
HTS541040
WD2500
Imation 3035
Imation 3035
Imation 7025
Imation 7025
Imation 3025
Imation 3025
0
50
100
4K Random Write IOPS
図6
150
200
250
300
512B Random Write IOPS
350
400
0
5000
4K Random Read IOPS
10000
15000
20000
512B Random Read IOPS
図7
SSD の書き込み IOPS が、HDD の 1 / 2 〜 1 / 3 であるのに対し、ランダム読み取り
IOPS は 100x も速くなります。一般的にアプリケーションは、ランダムに書くより
もランダムに読むほうがはるかに多く、このパフォーマンスの向上はユーザにとっ
て現実の速度向上を体感させます。
ベンチマーク/現実のパソコンのパフォーマンス、SSD 対 HDD
パソコンシステムのパフォーマンスのベンチマーク測定には多くの方法があり、1 つ
のコンポーネントがシステム全体のパフォーマンスに与える影響を測定します。広
く使われている方法のひとつに Futuremark の PCMark05 があります。PCMark05 は全
体的なシステムスコアベンチマーク（PCMark と呼ばれる）を提供するだけでなく、
ストレージのみのスコア（ HDDMark と呼ばれる）も提供します。パソコンの HDD
を SSD に取り替えてベンチマークを実行すると両方のスコアが現実のパフォーマン
スの改善がよくわかります。SSD と HDD のテストドライブを同じシステムセットア
ップを保証するマスターHDD と対比させることで忠実な比較ができます。図 8、9
にそのスコアを示します。
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WD740
HDD
HDD
WD740
WD2500
HTS541040
SD 5000
SD 5000
Imation 7035
Imation 7035
SSD
SSD
HTS541040
WD2500
Imation 3035
Imation 3035
Imation 7025
Imation 7025
Imation 3025
Imation 3025
0
1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000
0
5,000
10,000
PCMark Score
15,000
20,000
HDDMark Score
図8
図9
すべての場合において、SSD は大幅なシステムパフォーマンスの改善を提供します。
PCMark05 は HDD や SSD への書き込み、読み込みに関連したタスク速度の内訳も示
します。これらの速度を SSD および HDD の例について図 10 に示します。
HDD
WD740
WD2500
HTS541040
SSD
SD 5000
Imation 7035
Imation 3035
Imation 7025
Imation 3025
0
20
40
60
80
100
120
Operation Speed (MB/ s)
XP Startup
Application Loading General Usage Virus Scan
File Write
図 10
ほとんどの場合、SSD のパフォーマンスの向上効果は明確です。
最後に、実際に行うにさまざまなタスクの実行時間を PC と比較する場合があります。
例として図 11 に示します。実際の時間はパソコンシステムのすべてのコンポーネン
トに非常に依存していることに注意してください。次に示す時間は、同じパソコン
（テスト HDD とイメーションプロ SSD はシステムのセットアップを確実に正確に
同じにするため、マスターHDD ドライブを基準）でのものです。
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225
1.3X
200
Tim e (seconds)
175
150
2.0X
125
100
75
50
1.9X
1.3X
25
1.8X
2.4X
pF
ile
tos
ho
dP
ho
Lo a
Lo a
Lo a
dP
PT
File
f ile
o rd
dW
Vir
u
sS
can
y
Co
p
1G
BF
o ld
er
XP
Bo
o
t in
g
0
Imation SSD
WD2500 HDD
図 11
ストレージサブシステム/チャネルへの依存性
この報告書に書かれているパフォーマンスデータは NVidea の nForce 570 -ウルトラ
チップセットを使用したデスクトップパソコンで収集しています。個々に与えられ
たプラットフォームで期待される実際のパフォーマンスは SSD の SATA 接続に使用
されるチップセットの帯域幅に非常に依存しています。これは特に、サウスブリッ
ジのチップセットについて言えます。
帯域幅を制限する顕著な例としては、インテルのチップセットの ICH7R （インテル
975X ボードによく見られる）とインテル ICH9R （インテル X38 ボードによく見ら
れる）があります。他にも大域幅を制限するチップセットがあるかもしれませんし、
nForce 570 よりも帯域幅良いものもあるでしょう。以下の図 12 はパソコンのチップ
セットの例とそれらのシーケンシャル読み取り転送速度を示したものです。
HDD
WD740
WD2500
HTS541040
SSD
SD 5000
Imation 7035
Imation 3035
Imation 7025
Imation 3025
0
20
40
60
80
100
120
Sequential Read Speed (MB/ s)
nForce-570-Ultra
Intel-975X/ICH7R
Intel-X38/ICHR9
図 12
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この文書の執筆時点では、インテルのチップセットは、帯域幅を約 80 MB /秒に制限
し、一方 NVidea nForce チップセットでは制限がありません。この問題は今後リリー
スされるインテルのチップセットで修正されると思われます。インテルのチップセ
ットの所有者が対処できるように、この問題を回避するための手ごろな価格の
SATA コントローラが増えています。
電力消費
SSD には HDD よりもはるかに低いパワーが必要です。低消費電力は低発熱を意味し、
冷却に必要なエネルギーを低減することにより間接的にエネルギー消費に影響しま
す。
高性能の HDD （ WD740 10K RPM ドライブなど）に対する、イメーション製 SSD
の電源要件（低発熱による付加的な節約を含まない）は：
アイドル状態
WD740 の約 15 ％
ピーク時
WD740 の約 30 ％
図 13 は、様々な HDD に比べて様々な動作条件の下で SSD がエネルギー需要の大幅
削減をすることを示します。
HDD
Hitachi Travelstar
5,400 RPM
WD2500 Caviar
7,200 RPM
SSD
WD740 Raptor
10,000 RPM
Sandisk 5000
(32GB)
64KB WR
Imation 7025
(16GB)
64KB RR
64KB WS
64KB RS
Imation 7035
(32GB)
Idle
Imation 3025
(32GB)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
図 13
高性能なランダムな読み取り IOPS の恩恵に加え、この重要性を明らかにするために、
イメーション 7035 SSD 対エンタープライズクラス 15k RPM HDD のエネルギー削減
をモデリングできます。以下の例では、アプリケーションが 36,000 IOPS を必要とす
る場合です。*
エンタープライズクラス HDD 360 IOPS /ドライブ（36,000/360=100 ドライブ）
イメーション 7035 SSD 18,000 IOPS /ドライブ（ 36,000/18,000 = 2 ドライブ）
電源消費がおよそ 15 ワットだとすると、HDD の年間消費電力は 130 キロワット時で
す。ドライブ（仮定$ 0.15 / KWh ）あたりの年間コストは$ 19.50 です。一方、イメ
ーション SSD の消費電力はわずか 2.5 ワットで年間わずか 22 キロワット時です。こ
れはドライブ当たり年間$ 3.30 です。
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HDD の合計エネルギーコスト
$1,950/年
SSD の合計エネルギーコスト
$ 7/年
============================================
削減額
$1,943
*実際の削減量は、アプリケーションが必要とする具体的な IOPS の影響を受けます。
この必要性に影響を与える要因には（これだけとは限りませんが）：ランダムおよ
びシーケンシャルアクセスタイプの混在比、読み取りおよび書き込み操作混在比、
ブロックサイズまたはブロックサイズ分布、比較検討されている HDD のタイプ、実
際の電力消費、HDD の IOPS、現在のエネルギーコストなどです。
SSD のパフォーマンス評価ツール
ユーザーはご自分のシステムに SSD を使うことで露呈するかもしれない、速度を制
限するコンポーネントがないかどうかを判断することをお勧めします。SSD 対 HDD
の試験条件はよく理解しなければなりません。各デバイスの可能性を完全に引き出
すため、SSD および HDD は最も遅いコンポーネントでなければなりません。SSD お
よび HDD のテスト速度は CPU、マザーボード、ビデオカード、チップセット、お
よびシステムの処理速度を落とすことがあるすべてのコンポーネントに依存してい
ます。多くの評価ソフトウェアがあります。よく使われるものを表 2 に示します。
テストソフトウ
ェア
HDTach 3.0.1
ATTO 2.4.1
IOMeter 2006.07.27
PCMark
SiSandra
HDBench
テストパラメータ
持続的シーケンシャルかつバースト読み込み転送レート（可変ゾ
ーン）とアクセス時間
ブロックサイズに対する持続的シーケンシャル書き込み、および
読み取り転送レート
異なるワークロードでの IOPS -- 様々な転送サイズでのランダム/
シーケンシャル、読み取り/書き込み
PC の様々な使用状況のシミュレートや他のコンピュータシステ
ムに対する総合的スコアを提供
ファイルサイズに対する読み取り/書き込み、毎分の操作数など
様々な転送速度テスト
シーケンシャルとランダムな読み取り/書き込み速度
表2
結論
全体的なパフォーマンスはシステムで最も遅いコンポーネントで制限されます。現
代のコンピュータでは多くの場合、HDD がデータ集約型アプリケーションのボトル
ネックです。高速でエネルギー効率の良い SSD が入手可能で、このボトルネックは
改善され、パソコンの全体的なパフォーマンスと応答性が大幅に改善し、高 IOPS が
必要な場合にはエネルギーとコストの削減になります。
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デビッド・バーティザルは、イメーションアウトソース製品研究室の品質保証部門
シニアマネージャーです。トーマス・ノースフィールドは、アウトソース製品研究
室のプロダクトエンジニアリングスペシャリストです。
本研究室はミネソタ州オークデールのイメーションワールドワイドヘッドクォータ
ーに所在します。.
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