SSDとは? フラッシュメモリがデータを覚えるしくみ

身近なところでは: パソコンが静かで速くなった理由

いまのノートパソコンは、電源を入れるとすぐに起動し、動作音もほとんどしません。大きな理由の一つは、ストレージがHDDからSSDに代わったことです。

HDDは、回転する円盤に磁気でデータを記録し、読み書きする部品を動かして目的の場所を探します。SSDには動く部品がないので、読みたい場所にすぐ届き、音もしません。一方、同じ容量なら多くの場合HDDのほうが安く、大容量の保存用に使われ続けています(違いの一覧は「SSDとHDDの違い」)。

スマホのストレージも、SSDと同じ種類のチップです(「スマホの中の半導体」)。

SSDの中には何が入っている?

SSDの基板でいちばん数が多い部品は、データを覚えるチップです。これはNAND型フラッシュメモリで、この記事では「フラッシュ」と短く呼びます。

もう一つの大事な部品が、コントローラです。パソコンからの「読んで」「書いて」という頼みを受けて、フラッシュに指示を出す、SSD専用の小さなコンピュータです。フラッシュを何個も同時に動かして速さを稼ぐのも、後で説明する寿命の工夫も、このチップの仕事です。

多くのSSDには、DRAM(電源を切ると消える速いメモリ)も載っています。パソコンが指定する番地のデータが、どのフラッシュのどこにあるかを記した対応表を置くためです。DRAMを載せない安価なSSDには、パソコン側のメモリを少し借りるもの(HMB)もあります。

パソコンとSSDをつなぐ決まりには、HDDから受け継いだSATAと、SSDのために作られたNVMeがあります。SATAのSSDは、2009年の3.0版でも毎秒約550MBが上限です。NVMeは、パソコンの中の高速な通り道(PCI Express)を使うので、ずっと速くできます(「NVMeとSATAのSSDの違い」)。

しくみ① セルは「オンになる電圧」のずれで覚える

フラッシュのデータを覚える最小の単位を、セルと呼びます。セルは、少し変わったトランジスタ1個です。トランジスタは、ゲートと呼ぶ電極に電圧をかけると電流が流れる(オンになる)スイッチです(「トランジスタとは?」)。

トランジスタは、ゲートの電圧がある値を超えると、オンになり始めます。この「オンになり始める電圧」を、しきい値電圧と呼びます。フラッシュのセルは、この値を後から変えられるところが特別です。

セルのゲートの下には、絶縁膜で囲まれた、電子をためる場所があります(図は「メモリとストレージの違いは?」)。ここに電子(マイナスの電気をもつ小さな粒)をためると、ゲートのプラスの電圧の効き目が弱まります。そのため、オンにするには、より高い電圧が要るようになります。つまり、ためた電子が多いほど、しきい値電圧が高くなるのです。

読み出すときは、ゲートに「境目」の電圧を1つかけて、電流が流れるかどうかを調べます。流れれば電子が少ない状態、流れなければ多い状態です。この2つを1と0に割り当てます。電子は絶縁膜に囲まれて逃げにくいので、電源を切ってもデータが残ります。

電子をためる場所には、電気を通す小さな板(フローティングゲート)と、電子をつかまえる絶縁性の膜があります。いまの大容量の製品の多くは後者で、電荷トラップ型セルと呼びます。電子を絶縁膜の向こうへ押し込むしくみは「トンネル効果とは?」で説明しています。

しくみ② 1つのセルに何ビット? SLC・TLC・QLC

電子の量を「少ない・多い」の2段階で使えば、1つのセルで1ビットを覚えられます。これがSLCです。電子の量をもっと細かく分けて書き分ければ、1つのセルにより多くのビットを詰められます。

ビットを1つ増やすごとに、区別する段階の数は2倍になります。2ビットのMLCは4段階、3ビットのTLCは8段階、4ビットのQLCは16段階です。同じ数のセルで覚えられる量は、SLCの2倍、3倍、4倍になります。そのため、容量あたりの値段を下げられます。

同じデータを書いても、セルの電圧は少しずつばらつき、図のような山になります。段階を細かく分けるほど、山と山のすき間は狭くなります。そのため、電子を少しずつ足しては確かめる手順が増え、書き込みが遅くなります。読むときも、境目の電圧を変えて何度も調べます。わずかな電子の漏れでも隣の段階と見分けにくくなるので、書き換えに耐えられる回数も減ります。

まとめると、SLCからQLCへ進むほど、安く大容量になる代わりに、遅く、すり減りやすくなります。そこで、いまのパソコン用のSSDの多くはTLCかQLCを使います。そのうえで、空いているセルの一部を一時的にSLCとして使い、書き込みの速さを補う製品が多くあります(「SLC・MLC・TLC・QLCの違い」)。

しくみ③ なぜすり減るの?

セルにデータを書くときは、高い電圧で電子を絶縁膜の向こうへ押し込みます。消すときは、逆向きの電圧で電子を引き抜きます。この「書いて消す」1往復を、書き換えの1回と数えます。

電子が強い電圧で絶縁膜を通るたびに、膜の中に小さな傷ができます。傷に電子が引っかかると、しきい値電圧が少しずつずれます。傷が増えると、ためた電子が漏れる道にもなります。こうして、山の形が崩れて段階を見分けにくくなるのが、フラッシュがすり減るしくみです。

耐えられる書き換えの回数は、セルの方式や製品の世代で大きく違います。目安は、SLCが約10万回、TLCが数千回、QLCが1,000回前後です。出典はメーカーKingstonの解説と、2024年の業界誌の報道です。

少しの読み違いは、コントローラが直します。書くときに確かめ用の余分な情報を足し、読むときに誤ったビットを見つけて直すのです。これを誤り訂正と呼び、多値で小さなセルほど欠かせません。

しくみ④ 「ページで書いて、ブロックで消す」

フラッシュには、もう一つ癖があります。データの入った場所には上書きできず、いったん消してから書く必要があるのです。書くときは、何万個ものセルを「ページ」というまとまりで書きます。消すときは、多くのページを含む「ブロック」ごとに消します。1ブロックは64〜512ページほどです(2026年のソウル大学の講義資料)。

では、ファイルの一部を書き直すとどうなるでしょう。コントローラは、古いページをその場で書き換えず、新しい内容を別の空いたページに書きます。そして対応表を書き換え、古いページには「もう使わない」という印をつけます。こうして、使わないページがあちこちのブロックに少しずつたまっていきます。

しくみ⑤ コントローラの4つの工夫

空いたページが足りなくなると、コントローラは片付けを始めます。使わないページの多いブロックを選び、まだ必要なページだけを別のブロックへ写します。そのうえで、元のブロックをまるごと消して空きに戻します。この片付けを、ガベージコレクションと呼びます。

図の②の書き写しは、パソコンが頼んだものではありませんが、セルはすり減ります。このように、パソコンが書いた量より、フラッシュに実際に書く量が多くなることを書き込み増幅と呼びます。必要なページが多く残るブロックを片付けるほど、写す量が増え、書き込み増幅は大きくなります。

写す量を減らすには、要らないページをコントローラが早く知ることが大事です。ところが、ファイルを削除しても、ふつうはパソコン側の管理情報が変わるだけです。そこでOSは、削除した場所を「もう使わない」とSSDに知らせます。この知らせをTRIMと呼び、要らないデータを片付けのときに写さずにすみます。

さらに、SSDは表示の容量より少し多くのフラッシュを積み、余りを利用者から見えない作業用の空きにしています。これをオーバープロビジョニングと呼びます。空きに余裕があるほど、片付けのときに選べるブロックが増え、写す量を減らせます。

最後に、新しく書くときは傷みの少ないブロックを選び、ほとんど変わらないデータもときどき移します。全部のブロックが同じくらいずつすり減るようにする、この工夫がウェアレベリングです。

しくみ⑥ 3D NAND: セルを縦に積む

フラッシュの容量は、長いあいだセルを小さくして増やしてきました。しかし平面のまま小さくすると、ためられる電子が減り、隣のセルどうしも影響し合います。2010年代のはじめには、その限界が近づきました。

そこで、セルを縦に積み重ねる方法が実用化されました。これを3D NANDと呼びます。Samsungは2013年8月、最大24層の製品の量産開始を発表しました。Micronは2022年7月、232層の製品の量産と出荷を発表しました。SK hynixは2024年11月、321層の製品の量産開始を発表しています。

積み重ねると、チップの面積を広げずにセルの数を増やせるので、同じ容量のSSDを安く作れます。ただし、層を増やすほど、深い穴を正確にあける工程などが難しくなります。

電源を切ったまま置くとどうなる?

絶縁膜に囲まれた電子も、長い時間がたつと少しずつ漏れて、しきい値電圧がずれていきます。漏れは温度が高いほど速く進み、書き換えで膜が傷んだセルほど起きやすくなります(温度と速さの関係は「アレニウスの式とは?」)。

業界団体JEDECの規格JESD218は、SSDに求める保持の期間を決めています。家庭や会社のパソコン向け(クライアント用)は、電源を切って30℃で1年です。データセンター向け(エンタープライズ用)は40℃で3か月です。どちらも、保証した書き込み量を使い切った、いちばん傷んだ状態での最低限の値です。それでも、何年も電源を入れないSSDを唯一の保存先にするのは避けるのが安全です。

寿命の数字の読み方: TBWとDWPD

SSDの寿命の目安は、保証期間中に書き込んでよい量の合計で示されます。これがTBW(テラバイト・リトン)です。JEDECの規格では、この量を書いた後も、決められた誤りの少なさと保持の期間を守ることが条件です。

もう一つの書き方が、DWPD(1日あたりのドライブ書き込み回数)です。これは「保証期間のあいだ、毎日、全容量の何回分を書いてよいか」です。例えばSamsungの990 PROの1TBの型は、600TBW・保証5年です。600TBを約1,800日で割ると毎日約330GB、つまり約0.33 DWPDになります。

TBWは保証の目安で、超えたらすぐ壊れるわけでも、それまで必ずもつわけでもありません。

日本とのかかわり

フラッシュメモリは、日本で生まれた技術です。東芝の舛岡富士雄さんらは、1984年にNOR型、1987年にNAND型のフラッシュメモリを発表しました。SSDに使われるのは、大容量に向くNAND型のほうです(「NAND型とNOR型の違い」)。

東芝のメモリ事業を引き継いだのがキオクシアです。2026年時点で、四日市(三重県)と北上(岩手県)の工場で作っています。

よくある誤解

数字で見る

層の数は各社が量産や出荷を発表した時点のもので、2025年以降、さらに多い層の技術も発表されています。

もっと詳しく学ぶ

• 違いを表で見る: SLC・MLC・TLC・QLCの違い、DRAMとNANDフラッシュの違い、SSDとHDDの違い
• 次の一歩の用語: FNトンネル電流(電子を押し込むしくみ)、不揮発性メモリ
• 数字で試す: 画像・音声・動画のデータ量の計算ツール(毎日どれくらい書き込むかの見当に)
• 図で見る: NANDのセルの並び(ストリング)などは、図解の一覧にあります
• 関連する解説: 「メモリとストレージの違いは?」、「トンネル効果とは?」