フラッシュ・ストレージとは

フラッシュ・ストレージ・ソリューションは、USBドライブからエンタープライズ・レベルのアレイまで多岐にわたりますが、ランダム・アクセス・メモリー（RAM）や短期メモリーとは同じものではありません。可動コンポーネントを備えたハード・ディスク・ドライブと比較すると、USBフラッシュ・ドライブは高速応答時間（例えば、マイクロ秒レイテンシー）を実現できます。これらは不揮発性メモリー（NVM）を使用しているため、電源を切ってもデータが失われることはありません。

フラッシュ・ストレージでは、可用性の高いソリッド・ステート・ドライブ（SSD）も使用されており、機械式ディスク・ストレージよりも必要なエネルギーと物理的なスペースが少なくて済みます。

今日、フラッシュ・メモリーは、ストレージ・デバイス（USBフラッシュ・ドライブ、SDカード）、スマートフォン、モバイル・デバイス、デジタル・カメラに不可欠なコンポーネントです。

フラッシュ・ストレージは、電子機器の小型化と携帯性の向上に伴い、不揮発性、コンパクトでエネルギー効率の高いストレージに対するニーズの高まりに対応するために開発されました。

1986年には、東芝が、ストレージ・アプリケーション（SSD、メモリー・カード）をサポートするために、コンパクトなストレージと高速書き込み速度に最適化された最初のNANDフラッシュ・メモリー・チップを発表しました。その後1993年になると、今度はIntel社がNORフラッシュをリリースしました。これは、組み込みシステム（ブート・コード、ファームウェア）など、高速なデータ読み取りを必要とするアプリケーションに適しています。

フラッシュ・メモリーは画期的な性能を発揮し、スピニング・ディスクやメモリー・カードを凌駕するデータ・ストレージの世界を急速に刷新しました。データの使用量が増え、デバイスが軽量化、小型化するに伴い、フラッシュ・システムはデジタル情報の保管、書き込み、再プログラム、転送をする際の最速の手段であることが証明されました。

2000年、ファイルの保管や転送用にUSBメモリー・スティックが開発されました。このポータブル・デバイスはコンパクトでありながら、それまでのストレージ・システムを大幅に上回る容量を備えていました。2005年、Apple社は初のフラッシュ・ベースのiPodをリリースし、消費者によるフラッシュ・ストレージ・テクノロジーの採用を加速させました。

2000年代後半には、フラッシュベースのソリッド・ステート・ドライブ（SSD）が、起動時間の短縮、消費電力の削減、耐久性の向上を実現し、ノートPCやデータセンター環境でハード・ディスク・ドライブ（HDD）に取って代わり始めました。

この頃、セル・テクノロジーの進化により、フラッシュ・ストレージ容量が大幅に向上しました。セルあたり1ビットを保存するシングルレベル・セル（SLC）テクノロジーから始まり、2000年代半ばにセルあたり2ビットを保存できるマルチレベルセル（MLC）テクノロジーへと進化し、東芝は2009年にトリプルレベル・セル（TLC）技術を導入し、Samsung社は2010年にそれを採用して、セルあたり3ビットの情報を保存できるようにしました。世代が代わるごとに、パフォーマンスにおける考慮事項のバランスを取りながら、ストレージ密度が向上しました。

この変化は、メモリー・セルを垂直に積み重ねてストレージ密度を高め、ギガバイトあたりのコストを削減する3D NANDテクノロジーの導入により、2010年代に一気に加速しました。

2011年初頭、フラッシュ・ネイティブ・インターフェースとしてNVMe（nonvolatile Memory Express）がリリースされました。このリリースでは、フラッシュの潜在能力がさらに発揮され、PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）接続全体で超低レイテンシーと高スループットを兼ね備えたパフォーマンスを実現しました。

2018年、Micron社はセルあたり4ビットのデータを使用し、TLCと比較して密度が33％高いクアッドレベル・セル（QLC）フラッシュ・ドライブを導入しました。TLCと比較すると、QLCは容量と価格に優れていますが、パフォーマンスが遅く、耐久性も低くなっています。これらは、SNSプラットフォームなどの書き込み中心のアプリケーションではなく、アーカイブ・ストレージ、コンテンツ配信、AI推論などの読み取り中心のワークロードに最適です。

フラッシュは、その速度と密度からストレージ・テクノロジーとして大企業に好んで採用され、データセンターにおける主要な記憶媒体として大半のハード・ディスクから置き換わりました。Flashは、現代のITインフラストラクチャーの基盤にもなっており、エッジ・コンピューティングからAIモデルのトレーニングまで、あらゆるものを支えています。

ハード・ディスク・ドライブは、電気機械式のハードウェアを使用してデジタル情報を保管します。費用対効果が高く、長期の保管と大容量ファイルに最適です。しかし、ハード・ディスク・ドライブには、経年劣化による物理的損傷に対する脆弱性と可動部品による待ち時間の問題があります。

フラッシュ・メモリーは、これまではコンピューターのハード・ディスク・ドライブに限られていた機能を引き継いでいます。例えば、コンピューターが起動すると、基本入出力システム（BIOS）と呼ばれるシーケンスが実行されます。BIOSが最初に含まれていたファームウェアには読み取り専用メモリー（ROM）チップが必要でしたが、最近のシステムではBIOSにフラッシュ・メモリーが使用されているため、システム・ボードからチップを取り出さなくても内容を書き換えることができます。

このようなタイプのストレージの補強のためにフラッシュ・メディアを使用することで、アプリケーションの動作速度を高め、さらなる拡張を可能にします。HDDはコスト効率の高いアーカイブ・ストレージとして引き続き機能しますが、エンタープライズ・ワークロードでは、フラッシュ・テクノロジーが提供できる速度と信頼性がますます求められています。

現在、プライマリー・ストレージ環境では、一般的にフラッシュのマイクロ秒単位のレイテンシーと高IOPS機能が使用されていますが、ソフトウェア定義ストレージ（SDS）は、両方のメディア・タイプにわたってデータをインテリジェントに管理する仮想化プールを作成します。この技術の融合により、組織はハイブリッド・アプローチを実装できるようになります。つまり、パフォーマンスが重要となるワークロードにはフラッシュを使用し、SaaSバックアップなどのアクセス頻度の低いデータを、より経済的な従来のストレージ・システムに転送できるようになります。

フラッシュ・ストレージは、数百万個の小さなフローティング・ゲートのMOSFETトランジスターで構成される半導体であるフラッシュ・メモリーに依存しています。これらのトランジスターは街区に似たグリッド・パターンで配置されており、各交差点には情報を保存できる特殊なトランジスターが組み込まれていますす。

フラッシュ・メモリーの基本的な記憶単位はフラッシュ・メモリー・セルです。各セルには、電源が切断されても電荷を維持できるフローティング・ゲート・トランジスターが組み込まれています。

これらのトランジスターが特別なのは、独自のツーゲート設計です。制御ゲートは上部に配置され、電気の流れを管理しますが、フローティング・ゲートは絶縁酸化物層によって分離されたままになります。フラッシュ・メモリーにデータが書き込まれると、制御ゲートに電圧が印加され、電子が絶縁体を通り抜けてフローティング・ゲートに閉じ込められます。これらの捕捉された電子はトランジスターの電気的特性を変化させ、2進数の「1」と「0」を表します。フローティング・ゲートは絶縁体で囲まれているため、これらの電子は永久に閉じ込められたままとなり、一定の電力を必要とせずにデータ・アクセスが維持されます。

フラッシュ・メモリーは、低密度、中密度、高密度に分類され、高密度ストレージでは、同じ物理スペースに多くのセルが詰め込まれます。この技術の進歩により、USBドライブからスマートフォン、テラバイト単位の情報を保存できるソリッド・ステート・ドライブまで、大容量のストレージを備えたますますコンパクトなデバイスの開発が可能になりました。

フラッシュ・メモリー・テクノロジーはさまざまな形式と構成で実装でき、それぞれ異なるパフォーマンス・ニーズとユースケースに対応します。以下に、主なタイプの概要をまとめました。

最も重要なフラッシュ・ストレージ・インターフェースとプロトコルは以下のとおりです。

• NVMe

• SASおよびSATAインターフェース

• NVMe over Fabrics（NVMe-oF）

Non-volatile Memory Express（NVMe）は、Peripheral Component Interconnect Express（PCIe）バスを介してフラッシュ・ストレージにアクセスする際に使用されるインターフェースです。NVMeは単一の接続で何千もの並列要求を処理できます。これにより、アプリケーションとストレージ間のやり取りが効率化され、パフォーマンスが大幅に向上します。NVMeは現在、高性能フラッシュ・ストレージの主要なプロトコルであり、リアルタイム分析やAIワークロードなど、レイテンシーの影響を受けやすいアプリケーションには不可欠です。

SAS（Serial Attached SCSI）とSATA（Serial Advanced Technology Attachment）は、ストレージ・デバイスをコンピューター・システムに接続するために広く使用されている2つのインターフェースです。もともとハードディスクドライブ用に開発されましたが、フラッシュベースのSSDでも使用されています。SATAは一般に消費者向けデバイスで使用されますが、SASは信頼性とスループットが高いため、エンタープライズ・ストレージ環境で好まれます。

NVMeなどの新しいプロトコルが徐々にこれらに取って代わりつつありますが、SASとSATAはレガシー・システムや予算重視の導入では依然として一般的です。また、既存のインフラストラクチャーの寿命を延ばすのにも役立ち、段階的なアップグレードが行われている環境で役立ちます。

NVMe over Fabricsは、イーサネット、ファイバーチャネル、InfiniBandなどのネットワーク・ファブリック全体にNVMeプロトコルを拡張します。これらのネットワーク・ファブリックにより、直接接続されたNVMeドライブとほぼ同じ低レイテンシーと高パフォーマンスで、フラッシュ・ストレージ・デバイスにリモートでアクセスできるようになります。NVMe-oFは、高速で、耐障害性があり、共有可能なストレージが求められる、最新のデータセンターやクラウド・インフラストラクチャーなどの大規模な分散環境に最適です。

フラッシュ・ストレージは、その速度、耐久性、エネルギー効率により、幅広いアプリケーションで使用されています。

• エンタープライズ・データセンター：大規模企業は、フラッシュベースのソリッドステート・ドライブ（SSD）とオールフラッシュ・アレイを活用して、ミッション・クリティカルなワークロードをサポートし、レイテンシを削減し、データセンター環境での高可用性を確保しています。フラッシュ・ストレージは、リアルタイム分析、クラウド・サービス、人工知能（AI）アプリケーションのデータ処理を高速化します。データセンターのフラッシュ・ストレージは、データ管理機能も強化し、膨大なデータセットの高速なインデックス作成、取得、処理を可能にして、データベースのパフォーマンスを最適化し、システム全体の効率を向上させます。

• モバイル・デバイス: フラッシュ・ストレージは、スマートフォン、タブレット、ノートPCにとって不可欠であり、アプリケーション、システム・ファイル、ユーザー・データへの高速アクセスを提供します。フラッシュ・メモリーのコンパクトな性質により、パフォーマンスを犠牲にすることなく、スリムで軽量な設計が可能になります。

• ゲームとグラフィック： ゲーム・プレイヤーは、フラッシュ・ストレージの高速データ転送の恩恵を受け、読み込み時間が短縮され、グラフィック処理が強化されます。フラッシュ・ストレージは、ゲーム・コンソールや動画編集ツールのパフォーマンスも向上させます。

• IoTデバイス： フラッシュ・メモリーは、その速度と低消費電力のため、モノのインターネット（IoT）デバイスで広く使用されています。スマートホーム・ガジェットから産業用IoTセンサーまで、フラッシュ・ストレージは高速なデータの収集、処理、転送を保証します。

• エッジ・コンピューティング： ソースに近い場所でデータを処理する需要が高まるにつれ、フラッシュ・ストレージはエッジ環境で重要な役割を果たします。これにより、オンサイトでの高速なデータ保存と取得が可能になり、リアルタイムの意思決定を必要とするアプリケーションにとって重要になります。

• クラウド・ストレージ: フラッシュ・ストレージは、最新のクラウド・インフラストラクチャーの基盤となり、分散環境全体にわたる膨大な量のデータへの高速アクセスを提供します。その拡張性とパフォーマンスは、クラウド・ストレージやその他のサービスの採用拡大の主な原動力となっています。

• 自動車： フラッシュ・メモリーは、ナビゲーション、エンターテイメント・システム、自動運転技術などのアプリケーション向けに車両でますます使用されるようになっています。

エンタープライズ環境では、フラッシュ・ストレージはデータ・セキュリティー・アプローチの重要なコンポーネントになっています。フラッシュ・ストレージの速度により、バックアップと復元の手法が改善され、セキュリティー・インシデントやシステム障害への対応時の回復時間が短縮されます。

現在、多くの組織では、重要なバックアップ・データをネットワークから物理的に切断することで、リムーバブル・フラッシュ・ストレージ・デバイスを使用したエア・ギャップ・バックアップ手法を採用し、ランサムウェアやその他のサイバー脅威への露出を制限しています。この物理的な分離により、ネットワークベースの攻撃に対する効果的な保護層が提供されます。

フラッシュ・ストレージのパフォーマンスは、データ複製、スナップショット、暗号化などの実用的なアプリケーションを通じてサイバー・レジリエンスをサポートし、従来のストレージよりもシステム・パフォーマンスへの影響が少なくなります。規制の厳しい業界では、フラッシュ・ストレージは、全体的なセキュリティー・アーキテクチャーに貢献するWORM（Write Once Read Many）機能やアクセス制御などの機能を通じて、コンプライアンス義務を満たすのに役立ちます。