ストレージとは|補助記憶装置(1)
- 著者:YAMANJO
- 公開日:2008年7月25日
- 最終更新日:2025年1月29日
コンピュータの5大装置のうち、補助記憶装置(ストレージ)とはどのような装置なのか学習していきましょう。本項の学習に入る前に、前項を学習しておくことで理解がスムーズになります。
補助記憶装置とストレージ
前項で学習のとおり、メインメモリが主記憶装置で、ユーザーが主として扱う記憶装置が補助記憶装置になります。あくまで、コンピュータの頭脳であるCPUの視点に立っています。
補助記憶装置の役割は、文字どおり主記憶装置の補助として、メインメモリにプログラムやデータを渡すことですが、もっと根本的なことを言えば、プログラムファイルやデータファイルを保存し続けておくという役割があります。
つまり、時間経過や電源のON・OFFに関わらず、データを消さないことが重要で、そのために速度を重視する揮発性の主記憶装置とは異なり、不揮発性で低速ながら大容量になっています。
すなわち、揮発性の記憶装置が主記憶装置になり、不揮発性の記憶装置が補助記憶装置になるということですが、すべて補助記憶装置になるというわけではありません。
前項で学習した「ROM」の存在がこの切り分けをややこしくしている原因です。ROMは「Read Only Memory」の略で「メモリ」の名前が入っています。しかし、メモリであっても不揮発性の記憶装置であり、主記憶装置には用いられません。
では、ROMがすべて補助記憶装置かと言うと、そうも言えないのです。BIOS(UTFI)やファームウェアのデータを保存する従来の意味でのROMの活用もされているからです。こうしたROMは、主記憶装置を補助する補助記憶装置には含まれないとされています。(BIOSやファームウェアについては、ソフトウェアの種類 を参照してください)
そのため、
RAM以外の記憶装置はすべて補助記憶装置になり得る
という理解をしておきましょう。
RAMはメインメモリとキャッシュメモリ、レジスタといった高速のメモリです。それ以外の記憶装置は、一部のROMを除いて補助記憶装置として扱われます。つまり、ほとんどの記憶装置は補助記憶装置に分類されることになります。
詳しくは後述しますが、例えば、HDDやSSD、CD、DVD、USBメモリ、SDカード、LTO、磁気テープといった製品はすべて補助記憶装置です。したがって、補助記憶装置はいくつもの種類があることになります。
さらに、技術の進歩によってROMが書き換え可能になったように、補助記憶装置の進化も続いています。近年、インターネット上でソフトウェアやハードウェアを利用するクラウドサービスが普及し、クラウド上にデータを保存できるようになりました。
こうしてデータ保存の方法が広がったために、単に「装置」と呼べないケースが出てきたのです。
そのため、補助記憶装置は、
ストレージ
と呼ばれることが一般的になっています。
厳密に「補助記憶装置=ストレージ」ではなく、ストレージはもっと範囲の広い意味で使われます。例えば、クラウド上にデータを保存する「クラウドストレージ」などです。
クラウドストレージは、1つの装置ではなく、実際にはデータセンターの複数のサーバコンピュータに分散して保存される仕組みであり、ユーザーは割り当てられた領域を1つの「仮想的な記憶装置」として利用しています。これを「装置」と呼ぶには少し違和感があります。つまり、インターネットを介して仮想的な装置に保存する「仕組み」もストレージに含めたということです。
ただし、デバイスとは で学習した「デバイス」のように、文脈によって意味が変わることがあり、大きな意味で記憶装置全般を指す場合もあれば、補助記憶装置と同じ意味で、RAMや読み取り専用のROMを含めない場合もあります。
ストレージの種類
では、補助記憶装置としてのストレージには、どのような種類があるのでしょうか?
具体的な製品ではなく、まず、大まかな種類を知っておきましょう。
磁気ディスク
磁気的な性質を利用して、円盤状のディスクにデータを記録するストレージです。
磁気的な性質を持つ材料(磁性体)を表面にコーティングした円盤を高速回転させ、磁気ヘッドでデータを読み書きします。磁場を変化させることで「0」と「1」のビットを表現しています。
前項で学習したランダムアクセスが可能ですが、磁気ヘッドを指定位置まで物理的に移動させる必要があるため、フラッシュメモリのような半導体ストレージと比べるとアクセス速度が遅くなります。
もっとも広く利用されている磁気ディスクは、ハードディスクです。詳しくは後述しますが、ハードディスクは、パソコンに組み込まれて補助記憶装置として用いられる場合もあれば、外付けで保存領域を増設するタイプもあります。
また、現在はほとんど利用されなくなりましたが、フロッピーディスクが可搬型の磁気ディスクになります。
ハードディスクは、大容量のデータ保存が可能で価格も比較的安価ですが、内部に回転するディスクや可動する磁気ヘッドといった機械的構造を持つため、物理的な衝撃に弱いという特徴があります。
磁気テープ
磁気的な性質を利用して、テープにデータを記録するストレージです。
磁性体が塗られた長いフィルム状のテープの表面に、磁気ヘッドがデータを記録していきます。データはテープ上に順番に記録されていくため、特定のデータにアクセスするには、目的の位置までテープを巻き戻す必要があります。
カセットテープが代表的な磁気テープで、カセットテープやビデオテープをイメージすると理解しやすいと思います。磁気ディスクはヘッドがデータの位置まで移動するのに対し、磁気テープはヘッドの位置にテープが移動してくるイメージです。
ただし、以前の磁気テープは、アナログデータを保存する媒体でしたが、現在の磁気テープは、デジタルデータの保存に利用されています。(アナログデータについては、アナログデータとは を参照してください)
基本的にパソコンに組み込まれる装置ではなく、外部メディアとしてバックアップなどの用途で利用されています。詳しくは次項で学習しますが、LTOやDATなどがあります。
読み書き速度は低速ですが、テープの長さを伸ばすことで大容量のデータ保存が可能になるという特徴があります。また、環境による劣化がありますが、デジタルデータをバックアップとして保存する場合は、アクセス頻度も少ないため、数十年単位で長期的に保存しておくことができます。
フラッシュメモリ
前項で学習のとおり、不揮発性の書き換え可能なROMの一種で、電気的な信号を利用してデータを記録するストレージです。
NAND型とNOR型があり、NAND型は連続的なデータの読み書きをする「シーケンシャルアクセス」を得意とし、大容量データの保存に適しています。ランダムアクセスにも優れた性能を持っており、ストレージの用途に利用されるのは主にNAND型になります。
NOR型はランダムアクセスを得意とし、少量のデータを高速で読み書きするファームウェアやIoTデバイスに用いられています。つまり、ランダムアクセス性能だけで言うと、NOR型のほうが優れていますが、ストレージ用途においては、NAND型が最適と言えます。
半導体の記憶装置で、半導体とは、電気を流す材料と絶縁体の中間的な性質を持つ素材のことです。電気のON・OFFを容易に切り替えられるため、これで「1」と「0」を表現しています。機械的な可動部分がないため、磁気ディスクに比べて高速で耐久性が高く、コンパクトな設計が可能になるという特徴があります。
ただし、データを書き換えるたびに電気的な刺激によって部品が劣化していきます。そのため、書き込み回数に制限があり、過度に書き込みを行うと劣化が進みます。とは言え、一般的な回数制限は、数万回から数十万回とされ、ほぼ気にする必要はありません。
逆に言えば、書き換えをしなければ長期保存も可能になりますが、基本的には、頻繁に書き換えを行う用途で利用されるケースが多いストレージです。
詳しくは後述しますが、ハードディスクの代替として使用されるSSDや、USBメモリ、SDカードなどに利用されています。
光ディスク
ディスクの表面にレーザー光を照射して、データを記録するストレージです。
ディスクの表現には微細な凹凸(厳密には「ピット」という凹みと「ランド」という平坦な部分)があり、レーザー光を照射したとき、この凹凸によって光の反射の仕方が異なるため、それを「0」と「1」に割り当てています。
安価に大量生産でき、磁気や電気の影響を受けにくいため、データの破損リスクが低いという特徴があります。しかし、ランダムアクセスには不向きで、HDDやSSDと比較して読み書きの速度が遅く、CDやDVDなどの種類によって専用のドライブ(データを読み書きするために使用される装置)が必要になるというデメリットがあります。
詳しくは次項で学習しますが、CD、DVD、BDなどのディスクが一般的な光ディスクになります。
RAID(レイド)
RAIDは「Redundant Array of Independent Disks」の略で、複数のHDDやSSDを組み合わせて、1つのドライブのように認識させる技術です。
例えば、容量が500GBのHDD2台でRAID0を構成した場合、OSからは約1TBの1つのディスクとして認識されます。(RAIDの構成によっては異なる場合があります)
ただし、単にディスクの統合を目的とするわけではなく、RAIDを構成することによって、複数のディスクを並列に利用することができ、データの読み書き速度を向上させる「速度の向上」、分散保存によってデータの損失を防ぐ「耐障害性の向上」、ディスクの統合により、データ容量を拡張する「容量拡張」のいずれか、またはそれらの組み合わせを実現することです。
RAIDにはいくつかの種類(レベル)があり、用途に合わせて様々なストレージ構築が可能になっています。
主なRAIDレベルとして、RAID0は、データを複数のディスクに分散して書き込む構成で、データ読み書き速度は向上しますが、冗長性(データや手段を複数用意すること)はなく、1台のディスクが故障するとすべてのデータが失われます。RAID1は、同じデータを2台のディスクに同時に書き込む「ミラーリング」の構成で、耐障害性は高いですが、使用できる容量は半分になります。
多く使われるRAIDレベルは、RAID1(ミラーリング)とRAID5(分散パリティ)で、RAID5は、最低3台のディスクで構成され、データと「パリティ」という情報をディスク間で分散して保存することで、1台のディスクが故障してもデータを復元可能にした構成です。
パリティとは、他のディスクに保存されたデータを元に失われたデータを計算できる情報のことです。RAID5では、データが分散されて記録され、1台のディスクが故障した場合でも、残りのディスクとパリティ情報を利用してデータを復元できます。
そのため、故障したディスクを交換することで、データを復元できる仕組みになっています。主にサーバコンピュータに用いられるストレージです。
オンラインストレージ
パソコンやサーバの本体ではなく、LANやインターネットなどのネットワークを介して別に設置したストレージにデータを保存する仕組みです。
ネットワークを介してアクセスできるストレージは「NAS(ナス)」と呼ばれています。NASは「Network Attached Storage」の略で、一般的なNASは、家庭や企業などのLANに接続され、複数のデバイスから同時に利用できるストレージになります。
また、インターネットを介して、サービス提供事業者が構築したクラウドストレージにデータを保存する仕組みも一般的になっています。サービスの利用者は、サービス提供事業者のデータ容量やバックアップ体制、セキュリティ対策などを意識する必要はなく、与えられた容量を自由に使うことができます。
通常、利用者のデータは、データセンターと呼ばれる複数のサーバーコンピュータに分散して保存され、RAIDなどでデータをミラーリングしたり、パリティ情報を保存したりすることで、冗長性を持たせています。個人向けからビジネス向けまでさまざまなサービスがあり、Google Drive、Dropbox、OneDrive、iCloudなどが有名です。
NASとクラウドストレージの違いは、自分(または自社など)で管理するネットワーク内のストレージか、インターネットを介してクラウド事業者が管理するストレージかという違いになります。
RAMディスク
前項で学習したRAMを仮想的なストレージとして利用する技術です。つまり、主記憶装置である揮発性のRAMを補助記憶装置として利用するということです。
RAMの一部を、仮想的なHDDやSSDとして認識させ、そこにファイルを保存します。これによって、RAMの高速な読み書き性能を活用できます。学習のとおり、RAMはランダムアクセスが可能で非常に高速なため、RAMディスクを使うことでファイルの読み書きが非常に高速になります。
しかし、RAMは揮発性メモリであり、電源を切ると保存されていたデータは消失します。そのため、RAMディスクは、作業終了後に消えても問題のない一時ファイル(アプリケーションによって作成される一時的な作業用ファイル)やキャッシュファイルを保存する用途で利用されます。例えば、ゲームの読み込みデータや、動画編集のキャッシュファイルなどを保存することで、高負荷の作業をスムーズに行うことができます。
RAMディスクを使用するには、専用のソフトウェアをインストールして、RAMの領域を指定して設定する必要があります。メインメモリの容量は決まっているため、例えば、容量が8GBの場合であれば、それを超えるRAMディスクは作成できません。設定後、RAMディスクを補助記憶装置として利用できるようになります。
以上が、代表的なストレージの種類になります。
また別の切り口として「内部ストレージ」と「外部ストレージ」に分けることができます。
内部ストレージは、パソコンの筐体の内部に最初から内蔵されているストレージで、外部ストレージは、パソコンの筐体の外側に着脱可能なストレージを指します。
この区分は、スマートフォンでよく用いられ、スマホの容量を表す際に使われます。スマートフォンの内部ストレージには、通常NAND型のフラッシュメモリが使われています。それ以外は外部ストレージになりますが、microSDなどの外部ストレージを差し込んで、その容量を仮想的に内部ストレージとして利用できる機種もあります。
本項では内部ストレージ、次項で外部ストレージについて詳しく学習していきます。
HDDとSSD
パソコンの内部ストレージは、マザーボードを通じてメインメモリと接続され、メインメモリの補助となる本来の意味での補助記憶装置になります。
市販のアプリケーションソフトなどは、ダウンロード版以外では、CDやDVDなどの光ディスクで提供される場合があります。これらのメディアも補助記憶装置であり、ストレージには違いありませんが、メインメモリにデータをすぐに渡すことはできません。
どのようなプログラムであっても、まずは内部ストレージにデータを保存(インストール)しておく必要があります。内部ストレージに保存しておくことで、メインメモリがすぐに読み込むことができる状態になるのです。
言い換えれば、アプリケーションソフトを動作させるためには、内部ストレージは必要不可欠な記憶装置ということです。
では、内部ストレージにはどのような種類があるのかというと、現在では実質的に2つです。
ハードディスク(HDD)
ハードディスクは、先述のとおり、磁気を利用して円盤状のディスクにデータを記録するストレージです。
HDD(エイチディーディー)という表記の方が馴染み深いかもしれません。HDDは「ハードディスクドライブ(Hard Disk Drive)」の略になります。
厳密に言えば「ハードディスク」は記録媒体であるディスクのみを指し、「HDD」はその記録媒体を利用した装置全体を指しますが、一般的にハードディスクとHDDは同じ意味で使われることが多いです。
同じ意味で使われる理由は、ハードディスクはディスクとドライブが一体化しており、容易に切り離すことができないからです。CD/DVDドライブのように媒体の取り外しができません。
回転するディスクに可動する磁気ヘッドでランダムアクセスを行うため、電気的に読み書きを行う半導体のメモリと比較すると、速度はかなり遅くなりますが、物理的な構造上、大容量化が容易で、容量が増えても製造コストが比較的抑えられる傾向にあります。
HDDの容量は、500GB以上のものが一般的で、数TBのものも珍しくありません。(データサイズについては、デジタルデータの単位と容量 を参照してください)
現在では、フラッシュメモリが主流になりつつありますが、データ量が非常に多い場合に重宝され、主にバックアップ用の外部ストレージとして利用されることが多くなっています。
また、パソコン以外にも、テレビやレコーダーなどの家電製品、カーナビなどにも内蔵されているストレージです。これらはまだHDDを利用している製品が多くあります。
そして、もうひとつが、
SSD
と呼ばれる記憶装置です。
SSDは「Solid State Drive(ソリッド ステート ドライブ)」の略で「エスエスディー」と呼ばれています。
先述のとおり、不揮発性の書き換え可能なROMで、フラッシュメモリの一種です。
電気的にアクセスして消去、書き換えが可能で、磁気ヘッドのような装置がないため、高速で耐衝撃性にも優れていています。前項で学習のとおり、NAND型がストレージに利用されていますが、ランダムアクセスの速度ではNOR型に劣るものの、大量のデータ処理に優れており、一般的なストレージ用途にはNAND型が適しています。HDDと比較するとはるかに高速です。
これまで、内部ストレージはHDDの独占状態でしたが、現在、SSDに置き換わりつつあります。
高速で衝撃に強いだけでなく、省電力、低振動など多くの点でメリットがあるからですが、大容量の製品はまだ高価格で、HDDと比べると容量は小さく、500GB以下のものが一般的になっています。
また、書き込み回数に上限があり、
書き込み回数が多いと劣化していく
というデメリットもあります。
NAND型フラッシュメモリは、セルと呼ばれる1つのデータを格納する場所にデータを書き込むたびに、電気的な刺激によって、セルが少しずつ劣化していきます。書き込み回数が増えると、最終的にはセルが劣化し、再度データを書き込むことができなくなります。
そのため、理論的には使えば使うほど速度や動作が不安定になっていきます。
ただし、回数の上限は製品や規格によって異なりますが、1つのセルが数万回から数十万回の書き込みで寿命を迎えるとされ、また、最近のSSDは「ウェアレベリング」という技術により、特定のセルへの負担を分散する仕組みがあるため、一般的な使用で寿命を意識する必要はありません。
このように、どちらの装置にもメリット、デメリットがあります。それらを補完するために、例えば、大切なデータのバックアップ用としてHDD、アプリケーションソフトのインストールはSSDといった使い分けも一般的になっています。
クラウドストレージを利用するような特殊な形態のパソコンを除いて、HDDとSSDのどちらかが内部ストレージとしてパソコンに内蔵されています。DVDドライブが内蔵されていないパソコンはあっても、HDDかSSDが内蔵されていないパソコンはほとんどありません。どちらかが内部ストレージになります。
ディスク使用量
前項同様に「タスクマネージャー」画面の「パフォーマンス」タブの「ディスク」から装置の状態を確認することができます。
ディスクの製品名や種類(HDDかSSD)などが確認できますが、ディスク画面で重要なのは主に「アクティブな時間」なところです。これは、ディスクが読み書き操作を行っている時間の割合を表しています。
具体的な時間の長さではなく、ディスクが全体として読み書き操作を行っている時間の比率を示しています。この比率が100%に近いということは、ほぼすべての時間でデータの読み書きを行っており、負荷が高い状態であることを意味します。
例えば、アクティブな時間が100%近くなっている場合、ディスクが常に処理を行っている状態であり、システムが遅くなる原因となります。比率が高くなる原因としては、バックグラウンドで大量の読み書きが行われている場合があり、「プロセス」タブでどのプロセスがディスクを多く使用しているのかを確認し、必要に応じてそのプロセスを終了するのが有効です。(プロセスについては、OSの役割 を参照してください)
また、ファイル管理 の章で学習のとおり、この装置の中にディレクトリによる階層構造が形成されてファイルが管理されていきます。最上位のルートディレクトリ「C:」や「D:」がドライブ(HDDもしくはSSD)になります。
更新履歴
- 2008年7月25日
- ページを公開。
- 2009年4月15日
- ページをXHTML1.0とCSS2.1で、Web標準化。レイアウト変更。
- 2018年1月25日
- ページをSSL化によりHTTPSに対応。
- 2025年1月29日
- 内容修正。
著者プロフィール
YAMANJO(やまんじょ)
- 経歴
- 岡山県出身、1980年生まれ(申年)の♂です。現在、総合病院で電子カルテなどの情報システム担当SEとして勤務。医療情報学が専門ですが、ネットワーク保守からプリンタの紙詰まり、救急車の運転手までこなしています。
- 医療情報技師、日本DMAT隊員。ITパスポート、シスアドなど、資格もろもろ。
- 趣味は近所の大衆居酒屋で飲むこと、作曲(ボカロP)、ダイビング。
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