ストレージの接続インターフェースについて

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ストレージの接続インターフェースについて

PCにはいろいろな部品が搭載されていますが、それぞれを接続するインターフェースは通信方法や速度、コネクタの形状などが異なり、多数の種類・規格があります。
特にHDDなどの記録用ストレージとパソコンを接続するインターフェースについて解説します。

SATAとSAS

HDDのイメージ HDDはPCの内蔵メディアとして最も歴史のある媒体といえます。
接続インターフェースもHDDの進歩とともに様変わりしていますが、大別すると「SCSI(Small Computer System Interface」と「ATA(Advanced Technology Attachment)」の2つに分けられます。
ATA系はSCSI系に比べてコストを大きく抑えられるため使い勝手がよく、PCのみならずテレビやゲーム機、監視カメラなど、さまざまな機器に利用されています。比べてSCSI系はATA系よりもコストがかかりますが、そのぶん高機能で信頼性が高く、企業で運用するサーバーなどに利用されています。

●HDDの種類とインターフェース
https://www.rescue-center.jp/elementary/vol34.html

●HDDの主要メーカーとグレードの特徴
https://www.rescue-center.jp/elementary/vol68.html

ATAはSATAに、SCSIはSASに進化し、現在でも主流のインターフェースとしてHDDやSSDに現役で使い続けられています。

SATAの派生規格

なおSATAには派生規格も生まれています。

eSATA

eSATAの規格 External Serial ATAの略で、外付けドライブ向けに定義されました。USB3.0と同程度の通信速度を発揮しますが、給電能力がなくモバイル機器での利用に向きませんでした。そのためライバルとなったUSB規格に押されてしまい、あまり普及しませんでした。

SATA Express

SATA Expressの規格 PCI-Express(PCIe)を利用し、高速な読み書きができるという触れ込みで登場しましたが、同時期に策定されたM.2がよりコンパクト化を目指したのとは真逆でコネクタが場所を取る仕組みだったこともあり、M.2に完全に負けてしまいました。

SSDの登場とその進歩

SSDのM.2規格 1991年に登場した新しいストレージが「SSD(Solid State Drive)」です。HDDに比べると読み書きが高速で、駆動部品を持たないため静かで発熱も少なく、衝撃にも強いという特長を持っています。
当初は非常に高コストのためなかなか広まりませんでしたが、徐々に値段が下がっていくとシェアもあがり、現在はノートPCやタブレットをはじめ、様々な機器でHDDからの置き換えが進んでいます。2020年にはついにSSDがHDDの出荷台数を上回っています。

登場初期のインターフェースは、広く普及していたHDDと同じSATAが主流でしたが、SATAをよりコンパクトにしたmSATAが生まれ、それを元にM.2規格が誕生しています。記録メディアのコンパクト化が進んだことで、ノートPC等のモバイル端末の薄型・軽量化に大きく貢献することになりました。

またSSD内部の読み書きの速度が転送速度を上回るようになってくると、インターフェース部分がデータ転送時のボトルネックとなってきました。そのため2010年代にPCI-Express(PCIe)バスを利用することでより処理能力を高めたNVMe(Non-Volatile Memory Express)を採用したSSDが出現しています。

●転送速度
https://www.rescue-center.jp/elementary/vol53.html

●SSDの違い（規格やインターフェース）
https://www.rescue-center.jp/elementary/vol64.html

SSDは特にコンパクトさが必須になるモバイルPCにはもちろん、そのスペックの高さからノートPCやデスクトップPC、USBスティックタイプのメモリ等にも広く採用されるようになってきました。
インターフェースも様々で、基板に直接埋め込みされる形式から、M.2やSATA、外付の場合はUSBなど、状況に応じて使い分けされています。

PCIeを利用した接続インターフェース

元々PCIはCPUと直接的な通信を行うのに適した拡張バスの一種で、その通信速度を活かしてグラフィックスカードの接続に採用され、そのほかにもビデオキャプチャーやテレビ用のチューナー、RAIDコントローラなどの高速性・即時性が必須な接続に利用されていました。そのインターフェースをM.2との接続に応用したのがNVMeです。
従来のHDD(SATA)の転送はAHCI(Advanced Host Controller Interface)という仕組みで動作しており、技術的にはすでに頭打ちとなってきていました。そこで論理インターフェース部をAHCIからNVMeへ入れ替えることで非常に高速な通信が可能となっています。
※ただし2021年現在でも、コスト面などの理由からノートPCなどでも従来のAHCIと新しいPCIeが混在している状態です。

また、M.2スロットではなく従来のPCIeスロットに直接接続するSSDも存在します。さらに高速な通信が可能なため、膨大な数と量のデータを迅速に扱う必要のある大企業などに需要があり、エンタープライズ向け製品に採用されているケースが多いようです。

Intel Optane SSD DC P4800X/P4801X seriesのイメージ

出典：Intel Optane SSD DC P4800X/P4801X series
https://www.intel.com/content/www/us/en/products/docs/memory-storage/solid-state-drives/data-center-ssds/optane-ssd-dc-p4800x-p4801x-brief.html

その他のインターフェース

次はあまり聞きなれない規格についてご紹介します。

IEEE1394

IEEE1394の規格 IEEE1394とは、SCSIの後継を狙った規格で、コンピュータだけでなく映像・音楽分野でも普及しました。Appleが1986年に提唱したFireWireを元に複数のメーカーが共同で標準化した規格になります。SONYが自社製品に搭載したiLINK、そのほかデジタルビデオ機器に搭載されたDV端子など、いずれも名称は異なりますが同じ規格になります。
外付HDDにも一部採用されていましたが、ホストを必要としないという特徴を持つため、スキャナーやプリンターなどの周辺機器にも利用されていました。しかし同時期に登場したUSB規格に押されてしまい、あまり広く普及することはなく衰退しています。複数企業がからむため特許技術のライセンスの問題がネックになったと見られています。

Thunderbolt

Thunderboltの規格 Thunderboltは、IntelとAppleが共同で開発した高速で多機能なバス規格です。FireWireの後継として2011年に開発され、iMacやMac miniなどにも搭載されているため、Macユーザーには比較的認知度が高いようです。2013年にはThunderbolt2、2015年にはThunderbolt3が発表され、その都度性能を向上させています。さらに2020年1月にはThunderbolt4が発表されました。
USBと比べて転送速度が速く、充電にも利用することができ、デイジーチェーン接続が可能など多機能ですが、USBと比べて高コストになりやすく導入への敷居が高いためか、こちらもUSBほどの広がりは見られません。Mac対応を謳った外付HDDに一部採用されている程度でした。
なおこの規格の設計思想はUSB Type-Cに引き継がれており、USB4では統合する見通しとなっています。

Lightning

Lightningの規格 Lightningは、Appleが独自に開発したバスです。元は音楽プレイヤーや携帯電話、デジタルカメラなどを外部機器に接続するためのクレードルや、あるいは卓上ホルダで使われていた規格になります。
2012年に発表されて以降、現在ではiPhoneやiPad、iPod touchのようなAppleの携帯機器端末とその他の周辺機器を接続するために広く使用されているので、iPhoneユーザーには非常になじみ深いものになっています。またこの規格は一部のUSBメモリや外付HDDにも採用されています。Thunderboltと同様に性能的には申し分ないのですが、サードパーティーの参入がなくケーブルなどが非常に高コストなため、限定された範囲でしか使われていません。
またIEEE1394～Thunderboltの流れとは別系統に発展してきたため、2021年現在ではThunderbolt ・USB Type-C規格とApple製品の中で同様のケーブルが混在することになり混乱を招いているようです。規格統一を求める要望がよくあがっています。

低コストで使いやすいUSB

USBメモリ最後に紹介するのは、非常にポピュラーといえるUSB（Universal Serial Bus）です。ユニバーサル(汎用的)と名の付くとおり、PCだけでなく様々な機器で利用されている規格なので、ご存じの方は非常に多いでしょう。

USB規格が登場したのは1996年で、Windows98で正式にサポートされたことで普及しました。1つのバスにつき最大127台の機器を接続可能とされており、USBハブを使ったツリー接続も当初から想定されていました。また、規格策定当時には他の外部インターフェースでは対応していなかったホットスワップも可能で非常に万能といえる性能でした。
1998年にはUSB1.1、2000年にはUSB2.0が登場し、2008年にはUSB3.0が発表されます。転送速度も世代が進むごとに飛躍的に向上し、eSATAやIEEE1394、SATAと比較しても遜色のない性能を発揮するようになりました。2013年にはUSB3.1、2017年にはUSB3.2が発表され、さらに性能は向上しつつあります。最新の規格はUSB4で、2019年に策定されました。Thunderbolt3の技術仕様が基盤となっており、既に対応する製品が市場に出回っています。
※USB4からはバージョンを示す数字に小数点がつかなくなり、USBと数字に間に空白を入れないというルールも決められました。

USB規格の普及

USB規格には特許は存在していますが、他の規格のように特許使用料は課せられません。そのため中小企業でも参入がしやすく、急速に普及することになったといわれています。
当初はキーボードやマウス、プリンターなどの一部の外部接続機器とパソコンを結ぶための規格を統一するためのものでしたが、外付HDDや携帯用のメモリ(USBメモリ)で使われるようになってからは、デジタルカメラやビデオカメラといった映像機器、スピーカーやヘッドセット、マイクなどのオーディオ機器、充電器や扇風機、玩具、そしてスマートフォンなど、非常に幅広い機器で利用されており、パソコンと接続できる外部機器はほぼ全てUSBのインターフェースを持っているといっても過言ではないでしょう。

●いまさら聞けないパソコン基礎知識 > USB規格の種類と歴史
https://www.rescue-center.jp/elementary/vol49.html

USBケーブル RAW画像、4K/8K動画、5G通信など、ユーザーが取り扱うデータは年々大容量化していっています。こういったデータをより高速で快適に利用するため、今後も技術の進歩により新しい規格が増えてくることでしょう。
データレスキューセンターでは珍しい規格、古い規格から最新の規格にもいちはやく対応しています。データのことでお困りの際は、是非一度ご相談ください。