ハードディスク・ドライブおよびSSD
今日身の回りにある体験の多くは、オンライン・バンキングからソーシャル・メディア、ストリーミングに至るまで、すべてがハードディスク・ドライブとソリッドステート・ドライブ (SSD) という2つのストレージ技術を基盤とするデジタル・インフラに依存しています。一般の人にとってこれらのテクノロジーは日常的な体験の陰に隠れた存在に思えるかもしれません。しかしデータの保存やアクセス、管理の仕方はこのストレージ技術によって決定づけられています。その進化と技術の違いを理解することで、ストレージ技術が現在のインフラをどのように支えているかがわかるだけでなく、どうすれば将来の需要に応えていけるのかも見えてきます。
初期のメインフレームやパーソナル・コンピュータから今日のAI主導のワークロードに至るまで、ストレージ技術は絶え間なく変化する需要と歩調を合わせるように進化してきました。デジタル・ニーズの拡大に合わせて、ハードディスク・ドライブとSSDはどちらも現代のインフラにおいて代えがたい重要な役割を果たすようになりました。その進化が映すのは多様なアプリケーションや環境をサポートすべく適応し続けてきたストレージ・メディアの形であり、ストレージは世界中で増大するデータ要件に対応できる容量とパフォーマンス、フォーム・ファクタ、持続可能性を提供するものとなりました。
何十年にもわたり世界のデジタル・インフラを支えてきたハードディスク・ドライブとSSD。
上の年表は需要の変化に合わせて進化を遂げてきたストレージ技術の道のりを示したものです。
1950年代から1980年代にかけて初期のコンピューティングの主力であったメインフレームは、水平磁気記録方式 (LMR) による内蔵ハードディスク・ドライブを使用することでさまざまなビジネスや科学的な仕事を支えてきました。LMRをベースにしたハードディスク・ドライブは1980年代までコンピューティング能力上において一貫して重要な役割を担ってきました。こうした初期のシステムは集中型コンピューティングの典型です。データの処理は大容量ストレージを備えたメインフレーム・サーバーに集約され、ストレージをほとんど持たないか、まったく持たないクライアント端末からアクセスするのが一般的な方法でした。
1980年代から1990年代にかけて、ノートPCなどのパーソナル・コンピュータが主流になり、専らハードディスク・ドライブのおかげで日常的な作業に必要な容量を手頃な価格で提供できるようになりました。この時期Seagateが発明した初のPC用ハードディスク・ドライブは、LMRを使用した5.25インチのフォーム・ファクタに5MBという画期的な容量を実現しました。こうしたドライブを使用することでユーザーはOSやアプリケーション、大容量のファイルをローカルに保存できるようになり、PC市場の急成長に拍車がかかりました。集中型のシステムではなくローカルのエンドポイントでのデータ処理がPCで可能になったため、分散型コンピューティングへの移行が進んだことがこの時期の特徴です。2000年代に入ってもハードディスク・ドライブは依然PCストレージの主流であり、費用対効果の高いソリューションとしてデスクトップPCやノートPCの拡大を後押ししました。
1990年代後半から2000年代前半にかけては、より可搬性の高いコンピューティングを求める消費者需要を受け、ノートPC人気は高まる一方でした。この間、データを電荷として半導体セルに保存するテクノロジーであるNANDフラッシュ・メモリを利用したSSDが登場しました。1987年に発売された最初の2D NANDでは1層のセルにデータを格納する方式が採用されていました。この構造は各セルに1ビットのデータを格納するシングル・レベル・セル (SLC) フラッシュを使用することで、消費者向けの機器に求められる速度と応答性に応えるものでした。2000年代初頭に入るとノートPCはさらなる進化を遂げ、駆動時間の長いバッテリーを備えた薄型デザインのトレンドが高まりました。SSDによって消費電力が抑えられ、データに直接アクセスするランダムアクセス方式での高速読取り/書込みが可能になったことでこうした進歩が促され、とりわけOSの起動時間の高速化やアプリケーションの使用感の向上に効果を発揮しました。それだけではなく、SSDのおかげで薄型のフォーム・ファクタ(mSATA、M.2、U.2など)が導入され、最新のノートPCはより薄く、より軽量なものが製造されるようになりました。これらのフォーム・ファクタはノートPCの2.5インチや3.5インチといったかさばるハードディスク・ドライブに代わって採用されるようになり、デバイス・プロファイルの合理化を可能にしました。
それから2000年代半ばを迎えるまでに、データ・ストレージはもう一度変貌を遂げました。2005年にハードディスク・ドライブに垂直磁気記録方式 (PMR) が採用され始めると、データ密度が大幅に向上し、大容量のストレージを低コストで製造できるようになりました。磁気ビットがプラッタ上で水平方向になるように制御するLMRとは異なり、PMRはビットを垂直にすることで記録密度を高めており、安定性も増しています。さらにこの技術的アプローチは超常磁性限界(磁気ビットが過密になることで不安定になり、データが失われやすくなる現象)の解決策にもなりました。PMRは磁気ビットを垂直に制御することでこの限界を克服し、はるかに高密度で信頼性の高いデータ・ストレージを実現しました。PMRによるデータ密度の向上は、2010年代を通じてデータ・センターで起こった膨大なストレージ需要に応える上で不可欠な基盤となりました。このテクノロジーの開発は、爆発的に増大するデータ量に対処するという負担をほぼ一手に引き受けていたデータ・センターにおいて特に重要な意味を持ちました。
2000年代後半から2010年代にかけては携帯電話やクラウド・コンピューティングが普及したことやインターネットの高速化と4G接続の台頭が大容量のデータを扱うモバイル・アプリケーションの追い風となり、クラウドベースのストレージ需要をさらに押し上げました。これによって社会的にも技術的にも非常に大きな変化がもたらされました。データの処理とストレージの機能はローカル・デバイスから集約型のクラウド・データ・センターへと移され、それ以降クラウド・データ・センターがモバイル・デバイスやIoTデバイスで生成されたデータを管理し保存する中心地としての役割を果たすようになりました。アプリケーションやデータがクラウドに移行するようになると、大規模なデータ・センターが脚光を浴びるようになりました。2010年代にはこの移行の動きが一段と進み、集約型ストレージによるコスト効率とイノベーションへの期待が動機となって企業のクラウド導入が急増しました。PMR技術によりデータ密度が向上したハードディスク・ドライブを搭載した大容量ストレージの多くはクラウド・インフラストラクチャへと移され、増大するデータ・ボリュームを遠隔で管理するための中心的なレポジトリとなりました。携帯電話のデータは内蔵のNANDフラッシュにローカルに保存されましたが、携帯電話で生成されたコンテンツの多くは、効率的で大規模なデータ・ストレージに対応したハードディスク・ドライブで構成される、リージョン別のデータ・センターにアップロードされました。同様に、近年のノートPCではローカル・ハードディスク・ドライブをプライマリ・ストレージとして使わない代わりに、クラウドベースのシステムでデータの保存とバックアップを行い、そこでファイルの管理と共有を一括処理するようになりました。この変化が意味しているのは、爆発的に増大するデータ量に対処するというニーズをクラウド・インフラが解決したことで、データ管理において再び一定の集約化が行われるようになったということです。
一方でマルチ・レベル・セル (MLC) やトリプル・レベル・セル (TLC) NANDのような画期的なSSD技術は、高速のデータ検索を必要とするコンパクトなデバイスや企業環境における容量とパフォーマンスを向上させました。さらに2013年に発表された3D NANDではメモリ・セルを垂直に積層して密度を高め、ビットあたりのコストを下げるという飛躍的な進歩を遂げました。この画期的なテクノロジーによってSSDの容量はさらに増大し、耐久性を高めることができるようになりました。さらに、2010年代初頭に登場したM.2 SSDは従来のSATA SSDと比較して、柔軟性とスペース効率に優れた設計を可能にし、より薄くより軽いノートPCの製造に貢献しました。同じ頃、ハードディスク・ドライブは2013年に導入されたシングル磁気記録 (SMR) という、PMRをベースとするフォーマット手法によってデータ・トラックが重なり合う帯状の領域を作ることでストレージ密度が最大化され、さらに容量が増加しました。
2024年になると、PMRは物理的な限界に達していました。磁気ビットをそれ以上高密度化しようとすると、どうしてもデータが不安定になってしまうという問題に直面したのです。この問題を克服したのが、今までにない種類の磁気媒体を使うことで小型化と高密度化を経ても粒子を安定した状態に保つことのできる、熱補助型磁気記録 (HAMR) です。このテクノロジーは極小のレーザーでディスク表面をごく短時間加熱することで実現しており、記録ヘッドによる高密度でのデータ・ビットの書込みが可能でした。この技術的な進歩によってプラッタあたり5TB、ハードディスク・ドライブあたり50TBのビット密度が実現し、ストレージ業界にとってはまさに衝撃的な出来事でした。
今日、最先端のハードディスク・ドライブではSeagate Mozaic 3+™技術プラットフォームにHAMRが導入され、これまでにない記録密度の高さを実現しています。一方、SSDにはクアッド・レベル・セル (QLC) NANDが採用されています。これらの進歩はそれぞれのテクノロジーを異なる役割に向かわせました。ハードディスク・ドライブは大規模なクラウド・センターやエッジ・データ・センター、エンタープライズ・データ・センターの中心的存在として膨大な量のデータを経済的に保存し守る役割を担っています。これは数あるワークロードの中でも特にAIモデルの学習に役立っています。SSDはそれらのデータ・センターでもとりわけ性能が求められるアプリケーションにおいて不可欠なだけでなく、消費者向けデバイスにおいても重要なローカル・ストレージとして使用されています。
以上のような環境が、今もストレージを取り巻く状況の発展を支えています。
ハードディスク・ドライブとSSDはそれぞれがストレージのユースケースにおいて独自の役割を担っています。両者はデータの読取り/書込みに対する技術的なアプローチが根本的に異なるからです。
SSDに組み込まれたNAND型フラッシュ・メモリでは、データは半導体セル内の電荷として保存されます。研究や開発、製造の領域における進歩は、セルを小型化し、垂直方向の層を増やすことでビット密度を高めてきました。高速のアクセスと待ち時間の短さが求められるアプリケーションに最適な高速性能がSSDの強みです。
ただし、それとは引き換えに弱みもあります。データの書込みと書換えにはプログラム消去サイクルが使用されますが、NANDのセルはこのサイクルによって経時的に摩耗していきます。この徐々に進行する劣化はSSDの耐久性に影響を与えます。特に書込みの多い環境では、その影響が著しくなります。これまでにウェアレベリングやオーバープロビジョニングといったテクノロジーがSSDの耐用年数を延ばすために開発されてきましたが、こうした対策は効率の低下を招く可能性をはらんでいます。
ハードディスク・ドライブは複雑な機械工学的な仕組みによってデータの保存と取り出しを行っています。各ドライブの核となる部分には高速で回転するプラッタがあり、磁性体でコーティングされています。このプラッタが高速回転することで、効率的なデータの書込みや読取りを行えるようになっています。データは移動するアクチュエータ・アームに取り付けられた磁気ヘッドによってプラッタ表面に記録されます。このアームはナノ単位の精度で動作し、ヘッドをプラッタ上の特定のトラックに位置決めしてデータの書込みと読取りを行います。
電荷を利用するSSDとは異なり、ハードディスク・ドライブは書込みを繰り返しても劣化しない磁気記録を使用しているため、長期間の耐久性が期待できます。可動部品は物理的な遅延を生じる面もありますが、設計の面では信頼できます。加えて、NANDセルではデータを保存する上で切り離せない摩耗の問題が磁気記録では起きないため、ハードディスク・ドライブは速度よりも容量を優先する大規模データ・ストレージに適しています。
以上のような違いがあることから、現代のデータ・センターで両方のテクノロジーが採用される場合が多いのは、当然の結果と言えます。SSDで高速かつランダムなアクセスを必要とするタスクを処理し、ハードデスク・ドライブで膨大な量のデータを無理のない価格で保存する。このようにお互いを補える組み合わせを作ることで、データ主導の現代社会における多様なニーズに応えているのです。
大体どのデータ・センターでも両方のテクノロジーを併用して、それぞれの強みを活かしています。SSDはハードディスク・ドライブと比べてコストが高いものの、高い水準を要求される特定のユースケースに不可欠の、待ち時間の短さという特徴を備えています。高頻度の取引やリアルタイム分析、コンテンツ・ストリーミングなど、応答時間の短さを要求されるアプリケーションにはSSDが適しています。
それと比べると、ハードディスク・ドライブはクラウド・コンピューティングの急成長が牽引力となって拡大した、エクサバイト単位の大規模データ・ストレージに向いています。世界最大級のデータ・センターでは、類を見ないそのコスト効率と拡張性、持続可能性のために、データのおよそ90%がハードディスク・ドライブに保存されています。Seagateの画期的な技術が可能にした記録密度によって、ハードディスク・ドライブにはTBあたりのコストが1/6で済むという優位性があります。調達コストや総所有コスト (TCO) の管理を重視する組織にとって、この優位性は極めて重要な点です。
パフォーマンスが求められるアプリケーションにはSSDを、時間的な制約の少ない大容量のデータにはハードディスク・ドライブを活用することで、データ・センターはコストとパフォーマンスの両方を効果的に最適化することができます。HDDとSSDの組み合わせは、柔軟で経済的なソリューションとなります。
企業のデータの大部分は分析やファイル・サービス、バックアップ、オブジェクト・ストレージなど、速度よりも容量が優先される汎用的なワークロードに関わるものです。ハードディスク・ドライブはTBあたりのコスト面での優位性と耐久性を兼ね備えており、そうしたワークロードにうってつけです。金融や科学分野のシミュレーション、リアルタイムでのグラフィックの描画、トランザクション・データベースなどの高速なデータ・アクセスと待ち時間の短さが求められるユースケースでは、企業データの割合は大幅に少なくなります。フラッシュはこのように専門性が高く、高性能が求められるシナリオに強みを発揮します。大規模な環境でのTCOを最適化するには、具体的なワークロード要件に即した適切なストレージ・メディアを使用することが重要です。
設備投資を抑えることは、クラウド・プロバイダや企業が規模の拡大に伴って常に優先される事柄です。ハードディスク・ドライブはSSDに比べて調達コストが非常に安価な、費用対効果に優れたソリューションです。そのため容量がもっとも重要なニーズである大規模展開では理想的な選択肢です。ハードディスク・ドライブにはTBあたりのコスト面での優位性があり、長期的な運用コストを最小限に抑えつつ無理のない価格で容量を拡張できるため、TCOも改善されます。メリットはTCOの面だけではありません。ハードディスク・ドライブの製造効率はNAND製造の最大9倍にもなり、NANDの製造に必要な設備投資の数分の一で、何エクサバイトもの容量を生み出すことができます。データ・センターが膨大なストレージ需要に無理なく確実に応え、クラウド、エッジ、エンタープライズ・データ・センターの継続的な成長をサポートする上で、この効率性は不可欠です。データ・センターがインフラの規模や持続可能性を損なうことなく、設備投資の予算を最適化できるのがハードディスク・ドライブということです。SSDに法外とも言えるコストをかけずに拡張性のある大容量ストレージを提供できる選択肢であるため、ハードディスク・ドライブの強みは、規模の拡大と予算の制約との間で折り合いを付けなければならない企業にとってとりわけ重要な要素です。
この設備投資の効率的な実行はサプライ・チェーンを安定させます。メーカーは確立された生産ラインと規模の経済を活かすことで、大量のハードディスク・ドライブを低コストで製造し、データ・センターが爆発的なデータ増加に対応するために必要な、膨大な容量を提供できます。コストの管理とストレージの増強を両立しなければならない企業には不可欠なこの拡張性ゆえに、ハードディスク・ドライブは当座のデータ戦力と長期的なデータ戦略のどちらにおいても中心的な存在となっています。
持続可能性が担う役割も重大です。なぜなら、世界の電力使用量の相当部分をデータ・センターが占めており、二酸化炭素排出の一因となっているからです。ハードディスク・ドライブはテラバイトあたりの動作時の消費電力がSSDより75%低く、エンボディード・カーボンを10分の1に抑えられるため、環境への影響の低減に貢献します。消費電力を抑えることは運用コストと環境への影響軽減に直結するものであり、エンボディード・カーボンを削減することは持続可能性の長期的な目標に沿うものです。
ハードディスク・ドライブとSSDは大規模なクラウド・データ・センターからコンパクトな個人デバイスに及ぶさまざまなストレージ環境に、独自の強みをもたらしています。この2つの対照的なテクノロジーによって容量や性能、耐久性をどのように扱うかという方向性が形作られ、それぞれが特定のユースケースや用途により適うようになっています。以下の表はそれぞれのテクノロジーの主な特性に焦点を当て、どの点がどのように優れているかを示したものです。
ハードディスク・ドライブ | SSD | |||||
記録技術 | 磁気ディスクにデータを書込み | 基板に実装されたメモリ・セルに電子的にデータを書込み | ||||
主なユースケース | 大規模なクラウド・データ・センターやエッジ・データ・センター | エッジ・データ・センターとエンドポイント/ライアント・デバイス(PC、ノートPC、タブレット、携帯電話など) | ||||
主なワークロード | 分析、ファイル・サービス、オブジェクト・ストレージ ドキュメント管理、ウェブ・ホスティング、AIを活用したリテンション、セカンダリ・ストレージ、アクティブ・アーカイブ、バックアップ、データ保護 | eコマース、VDI、ゲーム、CRM/ERP/CMS、データベース、AI/機械学習のトレーニング、リアルタイムのグラフィック描画、金融、科学シミュレーション[エッジ/エンドポイントのユースケースを追加すること]。 | ||||
ユースケースのデータ転送要件 | 一般的な速度での | リアルタイムおよび超リアルタイム | ||||
ストレージ環境 | クラウド (大規模データ・センター) | エッジ (小規模企業) | エンドポイント (PC/ノートPC、タブレット、携帯電話) | クラウド (大規模データ・センター) | エッジ (小規模企業) | エンドポイント (PC/ノートPC、タブレット、携帯電話) |
拡張性 | エクサバイト規模 | ペタバイトからテラバイト規模 | テラバイト | 500TB以上ペタバイト規模 | 50~500TBテラバイト規模 | 2~50TBテラバイト規模 |
ユースケース例 | S3ストレージ、分析、データ保護 | ファイル・サービス、アクティブ・アーカイブ、データ保護 | バックアップ | eコマース、金融、科学シミュレーション | データベース、リアルタイムのグラフィック描画 | ゲーミング |
大容量ストレージ | +++ | +/- | --- | +/- | +/- | +++ |
総所有コスト | +++ | +++ | +/- | --- | +/- | +++ |
拡張性 | +++ | +++ | --- | --- | +/- | +++ |
パフォーマンス | +++ | +/- | --- | +++ | +++ | +++ |
データ書込み耐性と耐久性 | +++ | +++ | 該当なし | --- | +/- | +++ |
持続可能性(ライフサイクル全体での影響) | +++ | +++ | +++ | --- | --- | --- |
消費電力 | +++ | +/- | --- | --- | +/- | +++ |
$/TB | +++ | +++ | --- | --- | -/+ | +++ |
+++ = 選択肢として好ましい
+/- 用途と容量次第
--- 選択肢やユースケースとして好ましくない
パフォーマンス=読取り/書込みおよびIOPSの合計。
* 2024年6月、IDC発行 (#US52312824) の「Worldwide Global StorageSphere Forecast 2024-2028」をSeagateが分析したもの。
ハードディスク・ドライブとソリッドステート・ドライブはいずれも必要不可欠なストレージ技術ですが、データの読み書きに対するアプローチは根本的に異なります。SSDは高速さと待ち時間の短さに強みがあり、高速なデータ・アクセスや高速処理が求められるアプリケーションに最適です。一方、ハードディスク・ドライブは費用対効果と記録密度の高さ、持続可能性を備えることで、データに対する現在のニーズと将来の成長の両方に継続的に対応できるという強みがあり、同等の規模で拡張した場合にSSDでは難しいバランスも実現できる製品です。