【 2012年11月13日 】
[不定期連載]PCパーツ最前線:
日本サムスンに聞く「最新SSD“840”のこだわり」
ランダムアクセス高速化に注力、コストパフォーマンスにも自信
Text by 平澤寿康


Samsungの新SSD。「SSD 840」と「SSD 840 PRO」。特にランダムアクセスに注力した製品で、トリプルコアの独自コントローラは新型の「MDX」に更新、NAND、DRAMも含め全て自社製。「全て自社製」による総合的な設計をウリとするのはこれまで同様。容量は120GB/250GB/500GB(840)と128GB/256GB/512GB(840 PRO)。正規パッケージ品のラインナップは、ベーシックキットとオールインワンキット(840のみ)の2タイプ。
 10月から販売が始まったSamsungの最新SSD「SSD 840」ファミリー。普及モデルの「SSD 840」と、上位モデルの「SSD 840 PRO」の2ラインが用意されているが、人気モデル「SSD 830」の後継であり、しかもランダムアクセスが大きく向上したという注目製品だ。.

 性能向上はなかなか気になるポイントだが、同時に気になるのが他社に先駆けて採用されたSSD 840シリーズのTLC NANDチップ。TLCチップは、一般的にMLCチップよりも信頼性や性能が劣るとされ、「どうしてもそこが気になる」という声もある。

 そこで今回、日本サムスンで営業を担当している岡田圭介氏(以下、岡田氏)にインタビュー。同社が「自信を持っている」というTLC NANDのポイントや、新型コントローラ「MDX」による性能強化点などをうかがってきた。

 なお、SSD 840そのもののレビューは既にPC Watchで掲載中。ベンチマーク結果などの詳細はそちらを参照のこと。

聞き手:平澤寿康
協力:日本サムスン
実施日:2012年10月18日


 
「全てはランダムアクセスを高めるために」
新型コントローラ「MDX」や高速NAND、ブロックサイズ4KB化


日本サムスン Memory営業Team 次長 岡田圭介氏

840の基板

840の基板裏面

新コントローラ「MDX」。コアをCortex R4に強化、製造プロセスも32nmに縮小している。

独自の3コア構成は従来通り

パンフレットではランダムアクセスの速さ(IOPS)をアピール

SSD全体での消費電力比較。動作時の840は待機時の830より省電力という
―今回登場した840や840 PROに関して、開発で最も力を入れている部分はどういったところでしょうか。

[岡田氏]  840ファミリーで最も力を入れたのは、とにかくランダムアクセス速度を高める、ということです。

 PCで書き込みを行う場合、どのようなサイズのファイルでも、どこに、どういうファイル名の、どういったサイズのファイルを書き込んだか、ファイルシステム領域に記録することになります。そのため、どういったアクセスでも、シーケンシャルとランダムの組み合わせによってアクセスすることになるため、ランダムアクセスが速くなければ良いパフォーマンスは得られません。

 840ファミリーでトリプルコアコントローラを採用しているのも、大容量のDRAMキャッシュを搭載しているのも、NANDフラッシュの帯域幅を133Mbpsから400Mbpsに高めたのも、全てランダムアクセス速度を高めるためなのです。

―840と840 PROで新たに採用されたコントローラ「MDX」についてお伺いしたいと思います。まず、基本的な部分として、MDXではプロセッサコアが変更され、動作クロックも上がっていますが、違いはその部分に集約されると考えていいですか?

[岡田氏]  コアは従来のARM9からARM Cortex R4になり、動作クロックも220MHzから300MHzに上がっています。パフォーマンスはもちろん向上していますが、それに加えて、コントローラの製造プロセスを微細化しています。

 MCXの製造プロセスは65nmですが、MDXは32nm。このため、動作周波数を上げてパフォーマンスを高めても消費電力は上がっていません。コントローラについては、最も大きな進化がこの部分だと考えています。

―製造プロセスが微細化されていると消費電力も下がると思いますが、MCXとMDXを比べると、消費電力はどの程度違うのですか?

[岡田氏]  アクティブでフルに動作している場合は、MCXとMDXで大きな違いはありません。ただ、パワーマネージメントモードに入る条件はMCXより細かくなっていますので、省電力時の消費電力は低減しています。例えば、省電力モード時の消費電力は、MCXでは80〜100mWほどでしたが、MDXでは50mW程度に下がっています。

―従来と同じトリプルコアコントローラですが、各コアがやっていることは従来とほぼ同じと考えていいですか?

[岡田氏]  「シーケンシャル」「ランダム」「インターフェイス処理」の3つの処理を3つのコアで分業する、という基本構成は変わりないです。

 大きな改良点は、マッピングのミニマムサイズを8KBから4KBにしたことで、ランダムアクセス速度の向上や動作負荷の軽減に役立っているポイントです。

 例えば、4KBのデータを書き込む場合、従来はコントローラ内でサイズを8KBにまとめ直し、8KBのデータとして書き込む必要がありますが、MDXではその処理が不要になります。これによって、データコピーの時間が短くなるという利点があります。それに加え、ガベージコレクションが起きる確率も減りますので、コントローラの負荷も低減できるわけです。

 また、書き込みに加えて、読み出しも4KB単位になります。従来は、4KBの読み出し時でも一度8KB読み出し、その中から4KBを取り出すという作業を行っていましたが、MDXでは4KBを読み出すだけですみます。

 セルのイネーブルにかかる時間も短くなりますので、読み出し処理にかかる時間が大幅に短くなります。840ファミリーに採用したNANDでは、こうした4KB単位でのアクセス機能を追加しており、これもランダムアクセス速度を高めています。


 
TLC採用は「自信アリ」、選別とテストで品質をクリア
保証も従来同様の3年間、「他社に先んじてTLCに」


SSD 840に搭載されているTLC NANDチップ

NANDチップは特注の選別品とされる

840の保証期間は830同様の3年間
―840はSSDとして初めてTLCタイプのNANDフラッシュメモリが採用されています。TLCは、MLC NANDフラッシュメモリに対して書き換え可能回数が少ない、書き込み速度が遅いなどの欠点がありますが、SSDにTLC を採用して問題ないものなのでしょうか。

[岡田氏] 今回840で利用しているTLCは、当社が「Enhanced TLC」と呼ぶ高品質なタイプで、SSDでの利用については自信を持っています。

 今市販されているUSBメモリやMicro SDカードなどは、高品質な製品を除いてほとんどがTLCを採用していますが、我々はかなり前からTLCを生産していまして、TLCに関するノウハウも多く積んでいます。

 そして、NANDフラッシュを使う製品で、今、最も高い品質を要求するのがSSDなのですが、「それを可能にするチップ」ということでできたのがEnhanced TLCです。

 具体的には、3つの部分で品質を改善したものをSSD用として採用しています。

 1つめは、「センターダイ」による選別です。シリコンウエハは、中心ほど品質が高く、周辺部に行くほど品質が下がって不良率が高まります。そこで、シリコンウエハの中央部で製造し、さらにその中から厳選したもののみを利用するようにしています。2つめは、テスト項目の強化。そして3つめは、テストの条件を強化しました。これによって、一般的なTLC(Samsung製の前世代TLC)と比べて耐久性や信頼性は大幅に高まってます。

 なお、採用しているのは21nmプロセスの64Gbit TLCチップです。過去、SLCからMLCに一気に移行したように、今後は(他社も含めて)TLCへの移行が一気に進むと予想しています。

―ユーザーからすると、「高品質のTLCを採用している」とは言っても、どうしても不安を感じる人はいると思いますが。

[岡田氏]  そうした点を考慮して、もちろん耐久性の検討もしており、その結果として、840の保証期間は830と同じ3年間にさせていただきました。

 例えば、総書き込み容量(TBW)は、当社規定で1日あたり20GBで計算しています。そして、840では毎日20GB書き込む人でも3年間は十分保証できる品質を実現した、ということです。

 ちなみに、普通の人の「1日あたりの書き込み量」は、1日あたり平均2〜3GBと言われています。実際に調査を行ったわけではありませんし、使い方によって変わってくると思いますが、大多数の人はその範囲に収まるものと思います。我々は、その10倍で試算していますので、普通に使っていれば、保証期間を大幅に超える期間、問題なく利用できると思います。

 また、以前は「SSDではデフラグなどの利用を避けた方がいい」と言われていましたが、Windows 7以降ではOS側の対応も強化されていますし、TLCを利用する840でもそういった点を気にする必要は全くありません。

 こうした品質は、Enhanced TLCだけではなく、840ではオーバープロビジョニングと呼ばれる、大容量の予備領域を確保することによっても確保しています。


 
オーバープロビジョニングでも信頼性を確保

―今お話が出た「オーバープロビジョニング」という手法は、従来よりも予備領域を大きく確保するというものですが、これについてお聞かせください。

[岡田氏]  オーバープロビジョニングは、耐久性や信頼性を高めるために採用しています。

 840は830に対してトータルの性能は上げつつ、信頼性は同等以上を確保していますが、信頼性の確保にはオーバープロビジョニングも併用しています。例えば、120GBモデルでは、これまでより8GB多くの予備領域を確保しています。

 NANDフラッシュは、使っていると後発性のバッドブロックが必ず発生します。そして、バッドブロックがある割合を超えると「不具合」となるので、ある割合に達するとリードオンリーとなり、書き込みができなくなるようになっています。当社のNANDフラッシュメモリはそのような仕様になっています。

 840では、普通に使っている範囲内では、そういったことにはまずならないと思います。とはいえ、初めてTLCを採用していますし、他社の製品でもオーバープロビジョニングを採用する製品も増えていますので、今後のことも考慮して、今のうちから「オーバープロビジョニング」という概念を導入しておいた方がいいだろう、ということで採用することになりました。

―120GBと、250GB、500GBを比べると、オーバープロビジョニングの領域比率が違いますが、それには何か意味があるのですか?

[岡田氏]  一般的に、SSD容量が増えるほど、あるブロックに対する書き換え回数は減る傾向にあります。250GBや500GBに比べると、120GBは、やはりその点が不利となる可能性があります。

 ただ実際には、大きな意味はありません。単純に、数字の語呂を合わせているだけのことです(笑)。例えば、125GBにしてオーバープロビジョニングの領域を減らしたとしても、全く問題のない品質となっています。


 
「“ただ安い製品”ではなく、コストパフォーマンスを追求したい」

【ミニベンチマーク】

SSD 840 250GBモデル(上)とSSD 840 PRO 512GBモデル(下)のベンチマーク結果。確かにランダムアクセスが高速だ。詳細な分析はPC Watchのレビューを参照のこと

SSD 840と価格帯がほぼ同じ、Intel SSD 335 240GBのベンチマーク結果。詳細はPC Watchでレビューしている
―では、性能についてはどうでしょう。

[岡田氏]  TLCでは、どうしても書き込み速度が遅くなってしまいます。ランダムライトはキャッシュでカバーできますが、シーケンシャルライトはカバーできません。TLCを使った時のシーケンシャルライトの遅さは、どうしても数字で出てきてしまいます。ただ、実使用時の体感速度には、シーケンシャルライトはあまり大きく影響しない、と考えています。

 実は社内で、シーケンシャルライト速度を1/4以下に遅くしたファームウェアを用意してテストを行ったのですが、ベンチマークテストのスコアは1.8%ほどしか低下しませんでした。やはり重要なのはランダムアクセス速度なのです。この結果が元となって、TLCを使ったSSDの開発にゴーサインが出ました。

 今回、840も840 PROも、830からランダムアクセス速度が大きく向上してます。これはかなり大きな進歩だと思います。ベンチマークのスコアは、840でも830を上回ると思います。

 NANDフラッシュにも様々な仕組みがありますし、オーバープロビジョニングもやっています。また、様々なシミュレーションを行った上で、840を出しています。ただ安い製品を作りたいから作っているわけではなくて、きちんとコストパフォーマンスを追求しなければなりませんので、このあたりにはしっかりこだわっています。

 現在は、MLCからTLCへの移行期に入っている、と我々は考えていますし、いずれ他社さんもコストパフォーマンスを追求するにはTLCの採用は避けられないと思います。

 品質と性能を落とさずにTLCに移行するのは難しい課題ではありますが、当社では以前から考え、しっかりシミュレーションを行った上で取り組んでいますので、安心して「高性能かつ低価格なSSD」としてお使いいただけます。


 
バッファ用DRAMも増量
NANDやマッピングサイズとの組み合わせで高速化


バッファ用のDRAMチップ。従来の2倍、512MBを搭載している
―コントローラ、NAND、ファームウェアともに自社開発のカスタム製品を採用していますが、バッファ用のDRAMも他のものとは違う部分があったりしますか?

[岡田氏]  バッファ用のDRAMは、他のものと違うと言うことはありません。一般的なものを使用しています。ただ、従来と違って、Low Power DDR2を採用しています。これも、消費電力という点で有利となります。また、容量が従来の2倍に増えていますが、これは4KBマッピングに対応したので、マッピングが増えたためということもあります。

―SSDに搭載されているバッファ用DRAMは、基本的にマッピングに使われているんですか?

[岡田氏]  基本的に、ということではないですが、どのように容量を決めているのかというと、マッピングのサイズで決めています。もちろん、キャッシュとしても使ってます。

 ただ、キャッシュとしてのキーポイントになるのは、NANDに流し込むまでにどの程度ため込むか、というところです。NANDのパフォーマンスが高ければ、キャッシュ用のDRAMのサイズも減らせます。つまり、キャッシュのサイズはチューニングによってかわるのです。それに対し、マッピングのサイズは固定となりますので、マッピングのサイズからDRAMの容量を決めます。

―DRAMの容量が増えたことは、速度への影響もありますか?例えば、ランダムアクセス速度の向上にDRAMの容量増が大きく影響しているとか。

[岡田氏]  DRAMの容量が増えたからと言って、ランダムアクセス速度が劇的に高まると言うことはありません。コントローラが速くなり、NANDが速くなり、マッピングサイズが4KBとなり、というように、様々な要素が集まってランダムアクセス速度が高まっています。

 我々はNANDメーカーなので、様々な機能をNANDに入れ、それを活かすコントローラをいちばんに作れるというのが我々のメリットです。逆に言えば、そうした部分を全部使わないと高速化は難しいのです。書き込み時間の遅いTLCを利用してもランダムの書き込み速度を高くできるのはそのためです。

―ところで、SSDの速度は、SATA 3の上限に近付いていると思います。今後さらに速度を高めるには、インターフェイスの変更も必要でしょうか。

[岡田氏]  NANDフラッシュ自体の速度は、現時点でも2チャンネルでリード300MB/Secぐらいは引き出せます。現行のSSDは8チャンネルなので1.2GB/secは出る計算です。現状のコントローラとNANDのままでも、インターフェイスが変われば速度は大きく引き出せます。

 しかし、シーケンシャル、ランダムとも、SATA 3を使っている限りは840や840 PROでほぼ限界に近いです。そういった意味で、今後速度を引き出すためには、PCI Expressの採用が必要になってくるでしょう。ただ、そのためには接続ポートがきちんと用意される必要がありますので、すぐに切り替わるということはありません。


 
ハイエンド用途やサーバには「840 PRO」
普及モデル「840」との2ライン構成


上位モデルの840 PRO。ハイエンド用途やサーバーなどでの使用を想定している。搭載NANDチップはMLC。
―840と840 PROは、使用されているNANDの種類がTLCかMLCかという部分だけで、その他のコントローラやバッファ用DRAMなどの仕様はほぼ同じとなっています。違いはNANDだけと考えていいですか?

[岡田氏]  TLCとMLCでアクセス方法が違う面などもありますし、ファームウェアに若干の違いはあります。また、厳密に言えば、TLCの方が技術的なケアはより多くされていますが、ほぼそのように考えてかまいません。

―パフォーマンスの違いもNANDの違いによるものと考えていいですか?

[岡田氏]  はい。そのとおりです。ちなみに、840 PROに採用されているMLCも、21nmプロセスの64Gbitチップとなっています。

―840 PROはどういった人におすすめになるのでしょうか。

[岡田氏]  もちろん、ハイエンドのスピードを求める人におすすめとなります。また、法人のデータセンターやサーバーにも対応しますので、そういった用途にもおすすめとなります。

 830は、十分に優れた品質を実現してはいますが、データセンターやサーバー、ワークステーションなどは保証対象外となっていました。一部のデータセンターのシステムでは、書き込み量が非常に多いため、長期間の保証ができないということで対象外にしていました。しかし、840 PROではデータセンターやサーバーでも利用できる信頼性を確保しています。

―では、840は一般のPCユーザーがターゲットと言っていいですか?

[岡田氏]  840については、一般のPCであれば、普通に使ううえで書き込み容量など一切気にしなくていというレベルにまで品質を高めました。SSDはまだアーリーアダプタ向けという位置付けです。実際にアンケートを取っても、2台目、3台目として買う人の割合がかなり多いのです。そこで、今後は840を皮切りとして、どんどんコモディティ化を進めていきたいと思っています。そのためには、換装キットを用意するのも重要だと考えていますので、840にはオールインワンキットを用意しています。1ランク下のCPUを搭載する旧世代のPCでも、SSDに交換すると大幅に快適になる、ということをアピールしていきたいと思っています。例えば、SATA 2対応のPCでも、ランダムアクセス速度が高まれば十分快適になります。我々がランダムにこだわっているのはそのためです。ワンランク下のPCでも、最新PCの速度を体験できる、というのが840のコンセプトです。


【デザインへのこだわりも】

同社のSSDはデザインに対して力を入れているのも特徴。側面のエッジ処理やワンポイントカラーの入れ方などにもこだわりが見て取れる。

電子デバイス部門の専任デザイナー、Shim Hyungsup氏。「満足感を感じてもらえるデザインを、製造コストを上げずに実現する」のがこだわりで、今回のデザインもその成果だそう。このほかにはSDメディアのデザインも彼の仕事だそう。
―ちなみに、840登場直前まで、従来モデルの830が価格下落によって大変な人気となっていました。それも含めて、今年春に830を投入してからの市場の反応はいかがでしたか?

[岡田氏]  夏以降価格が下落したことで、非常に販売は好調でした。やはりコストは大事です。我々はニッチではなくボリュームゾーンを狙っていますので、コストとパフォーマンス、信頼性全てを確保するという意味で、価格の下落した830は非常に魅力が高まっていました。

 また、830の不良率は0.1%ほどと非常に低く、業界水準と比べると1/3〜1/5ほどとなっています。なぜ当社のSSDの品質がこれだけ良いのかというと、設計から部材調達、製造まで全て自社完結しているので、QC管理が一貫していることと、テストを厳しくやってるからです。

 品質を落としてアフターサービスにコストをかけるよりも、高品質なものを出荷した方が、結局はコストが安くつくんです。そして、この点(不良率が低い)は量販店様からも「手離れが良い」と評価を頂いているのですが、840ファミリーでも同様の品質を維持しています。こういった部分は、当社の設計思想が現れているものだと思っています。

―最後に、一言お願いします。

[岡田氏]  840 PROではデータセンターやサーバーでも利用できる信頼性を確保しています。また、超低消費電力という点も大きな魅力です。一般のPCユーザーの方にも、最高性能とその品質をぜひ体験していただきたいと思います。

 対する840も、一般のPCで利用するには十分なパフォーマンスや信頼性を確保しています。あえて高価な840 PROを選択する必要のない、十分な魅力を備えた製品です。

 840、840 PROともに、Samsungのこだわりが詰め込まれた製品ですので、多くのユーザー様に使っていただきたいです。


□日本サムスン
http://japan.samsung.com/#SAMSUNG
□Samsung SSD Online(ITGマーケティング)
http://www.itgm.co.jp/

□SSD 840
http://japan.samsung.com/consumer/computersperipherals/ssd/ssd/
http://www.itgm.co.jp/product/ssd840/

□関連記事
【2012年10月24日】 Samsung 「SSD 840/840 PRO」レビュー(PC Watch)
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/hirasawa/20121024_567988.html
【2012年10月27日】Samsung新SSDのエントリーモデル「SSD 840」が発売
http://akiba-pc.watch.impress.co.jp/hotline/20121027/etc_samsung.html

SAMSUNG SSD 840

※特記無き価格データは税込み価格(税率=5%)です。


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