NVMeとは？M.2 SSDに関連する
知識を網羅的に解説！

NVMeは「Non-Volatile Memory Express」の略で、PCIe経由で不揮発性メモリを接続するための通信プロトコルです。2011年に初版仕様が公開され、IntelやSamsung、Dell、Western Digitalなど90社以上の企業で構成されるグループによって開発されました。SSDやフラッシュストレージに最適化された次世代規格として設計されており、従来のストレージ接続規格と比較して高速なデータ転送を実現しています。最大65,536のキューをサポートできるため、多くの処理を同時並行で実行でき、大量のデータを扱う作業でも高いパフォーマンスを発揮できるでしょう。

NVMe-oF（NVMe over Fabrics）は、NVMeコマンドをネットワーク越しに転送できるプロトコルを拡張したものです。2016年に初版仕様が公開され、Ethernet・Fibre Channel・InfiniBandなどのネットワークトランスポート経由でストレージにアクセスできます。従来は直接接続に限られていたNVMeの高性能をネットワーク経由でも利用できるため、注目されている技術です。主に、データセンターやエンタープライズ環境で活用されています。低レイテンシと優れた処理能力を実現しながら、集中管理されたストレージを複数のホストで共有できる点が特徴です。

NVMeが活用される主な用途は、以下の通りです。

• 大規模データベースとリアルタイムデータ分析
• 人工知能（AI）や機械学習の実施
• ビッグデータの分析
• 大規模データセンター
• エンタープライズサーバー
• クラウドコンピューティング環境
• ゲーミングPC
• クリエイティブ作業用ワークステーション など

大規模データベースやリアルタイムデータ分析では、NVMeの並列処理能力と低レイテンシが重宝されます。人工知能（AI）や機械学習、ビッグデータ分析などの用途では、非常に速い処理性能と最短の応答時間が求められる場面で採用されるでしょう。大規模データセンターやエンタープライズサーバー、クラウドコンピューティング環境なども、高速なデータ処理ができるNVMeが求められています。一般消費者向けには、ゲーミングPCやクリエイティブ作業用のワークステーション、最新のノートパソコンやデスクトップパソコンで広く採用されています。

AHCIは「Advanced Host Controller Interface」の略で、SATA接続に最適化されたHDD時代の設計思想が採用された接続規格です。NVMeがPCIe接続に最適化されているのに対し、AHCIはSATA規格の拡張として設計されたため、SSDの性能を十分に引き出せません。データを効率的に処理するための機能であるコマンドキューの数では、AHCIは1つのキューで最大32コマンドまでしか扱えないのに対し、NVMeは最大65,536のキューをサポートできます。処理能力の違いは非常に大きく、AHCIでは並列処理に限界があるのに対し、NVMeは大量のコマンドを同時に処理できるため、高速なデータ転送が可能です。AHCIではSSDの真の性能を発揮できないため、現在はNVMeが主流になっています。

NVMeを理解するために知っておきたい知識は、以下の通りです。

• インターフェース（接続規格）
• フォームファクター（サイズ規格）
• DRAMの搭載・非搭載
• サポートするデータ記憶方式

各項目について、詳しく解説します。

インターフェースとは、SSDとパソコンを接続する際の規格のことです。ここでは、NVMeで採用されるインターフェースについて、それぞれの特徴を解説します。

PCIeは「Peripheral Component Interconnect Express」の略で、拡張バスや拡張スロットなどに採用される高速接続ができる規格です。ポイントツーポイント接続（高セキュリティで安定通信ができる方式）による複数のレーン構成により並列のデータ転送ができ、高い帯域幅を実現できます。

例えば、4レーン構成（×4）であれば、4本の独立した通信路を使ってデータを同時に転送できるため、転送速度が向上します。NVMeとPCIeの組み合わせにより、CPUとSSD間の直接接続ができるようになり、従来のSATA接続と比較して大幅な速度向上を実現しました。SSDに加え、グラフィックボードや拡張カードの接続にも使われている重要な規格です。

PCIe3.0（Gen3）は1レーン当たり約1GB／秒の転送速度で、4レーン構成（×4）では片方向で最大約4GB／秒の読み書きを実現します。一方、PCIe4.0（Gen4）は1レーン当たり約2GB／秒の転送速度で、4レーン構成（×4）では片方向で最大約8GB／秒の読み書きを実現し、Gen3の約2倍の速度になります。PCIe規格には下位互換性があるため、Gen4対応のSSDをGen3のスロットに接続して使用することも可能です。しかし、転送速度はGen3の速度に制限されます。実際の体感では、日常的な使用では差を感じにくいものの、大容量データの転送や専門的な用途では違いを感じられるでしょう。

SATAは「Serial Advanced Technology Attachment」の略で、主にHDD向けに設計された接続規格です。例えば、SATA IIIの仕様では転送速度の上限が6Gbpsに制限されており、SSDの性能を十分に発揮できません。データ転送が単一接続に限られ、並列処理に強いSSDの特性を活かせない点も課題です。従来の2.5インチ形状のSATA SSDは引き続き販売されていますが、高速性が求められる用途ではNVMe SSDに置き換わりつつあります。価格面ではSATA SSDの方が安価なため、予算を抑えたい場合や速度をあまり重視しない用途では選択肢になるでしょう。

フォームファクターとは、SSDの接続端子のサイズにおける規格を指します。ここでは、NVMeに採用されるフォームファクターについて解説します。

M.2はSSDの接続端子やサイズに関する規格で、基板のようなコンパクトな形状が特徴です。マザーボード上のM.2スロットに直接挿し込んで使用でき、ノートパソコンやタブレットパソコンの小型化・軽量化に貢献しています。展開されているサイズは以下の通りです。

• 2280（幅22mm×長さ80mm）
• 2230（幅22mm×長さ30mm）
• 2242（幅22mm×長さ42mm）
• 22110（幅22mm×長さ110mm）

主流は2280で、多くのパソコンに対応しています。M.2にはSATA接続とPCIe接続の2種類があり、高速なデータ転送を求める場合はPCIe接続のM.2 SSDを選びましょう。購入時には、マザーボードが対応している接続方式を確認することが重要です。

AIC（Add-in Card）は、PCIeスロットに直接挿入するカード型のSSDフォームファクターです。M.2スロットを搭載していない古いシステムでも、PCIeスロットがあればNVMe SSDを使用できるメリットがあります。カード形状なので放熱面積が大きく、高性能SSDに適した設計になっています。デスクトップパソコンであれば、グラフィックボードを挿すのと同じ要領で取り付けられるため交換・増設しやすいのも魅力です。

U.2は2.5インチ形状のエンタープライズ向けのSSDフォームファクターで、ホットスワップ（電源が入った状態でストレージを抜き差しできる機能）に対応しています。PCIe接続による高速データ転送を実現しながら、2.5インチという従来のドライブベイを活用できるのが特徴です。サーバーやデータセンター向けの用途で採用され、数十TBを超える大容量モデルも存在します。一般消費者向けのパソコンではあまり見かけませんが、業務用途では重宝されるでしょう。

U.3はU.2の後継規格で、2.5インチ形状を維持しながら後方互換性を持つフォームファクターです。U.2と同じコネクタ形状を採用しているため、従来のU.2ストレージベイにも搭載可能です。NVMe SSDに加えてSAS・SATAデバイスも接続できる統一コネクタとして設計されています。企業などの大規模な組織において、さまざまなストレージデバイスを柔軟に運用できる点が評価されており、データセンターでの採用が進んでいます。

E1.sとE1.Lは、EDSFFに属する次世代のデータセンター向けフォームファクターです。E1.sは小型フォームファクターで、M.2よりも広いPCB（プリント基板）設計により、放熱性能と電力供給能力が向上しています。E1.Lは長尺タイプで、最大32台のドライブを1Uエンクロージャーに搭載できるのが特徴です。高密度実装が求められるデータセンターにおいて、限られたスペースで大量のストレージを配置できます。E1.sやE1.Lは、今後の普及が期待される新しい規格といえるでしょう。

DRAMは、データの一時保存領域として機能する高速なメモリです。NVMeを採用したSSDには、DRAMを搭載した製品と非搭載の製品があります。DRAMを搭載したSSDは、データの読み書き速度が向上し、ランダムアクセス性能が改善される点がメリットです。

DRAM非搭載のSSDはコストを抑えられる一方、マッピングテーブル（索引機能）をNANDフラッシュメモリに保存するため、広域のランダムアクセス時に性能が低下することがあります。ただし、HMB（Host Memory Buffer）機能を搭載している製品であれば、DRAMレスのSSDでもメインメモリの一部を間借りできます。OS用ストレージや頻繁にデータを読み書きする用途ではDRAM搭載SSDが推奨され、PCゲーム用ストレージや動画編集の作業用など大容量重視の用途では、DRAMレスSSDが選択肢になるでしょう。

NVMeを採用したSSDは、不揮発性のNAND型フラッシュメモリであることが一般的です。NAND型フラッシュメモリに採用される記憶方式は、以下の通りです。

• SLC
• MLC
• TLC
• QLC

各段階の特徴について解説します。

SLC（Single Level Cell）は、1つのセルに1ビットのデータを記録する方式で、最も高い精度と耐久性を持ちます。書き込み可能回数が約9～10万回と非常に多く、エラー率も最も低いため大規模組織などに採用されることが多い方式です。データ転送速度が速く応答性に優れていますが、1セル当たりの記録容量が少なく製造コストが非常に高いため、一般消費者向け製品ではほとんど採用されていません。業務用途や高い信頼性が求められるシステムで重宝される記録方式です。

MLC（Multi Level Cell）は、1つのセルに2ビットのデータを記録する方式で、性能とコストのバランスに優れています。書き込みできる回数が約1万回程度で、SLCよりは耐久性が低いものの、一般的な使用には十分な寿命を持ちます。SLCよりも高密度で大容量化ができ、価格と性能の両面でバランスが取れているため、過去には多くのコンシューマー向け製品に採用されていました。現在は製造コストの観点からTLCやQLCに置き換わりつつありますが、高性能を求めるユーザー向けの製品では引き続き採用されています。

TLC（Triple Level Cell）は、1つのセルに3ビットのデータを記録する方式で、現在のコンシューマー向けSSDで最も普及している記録方式です。書き込み可能回数が約1,000～3,000回程度で、MLCよりは耐久性が低いものの、一般的な使用では寿命を迎えるまでに十分な期間使用できます。1セル当たりの記録容量がMLCの1.5倍になり、大容量化とコスト削減を実現できるため、価格と性能のバランスが良好です。耐久性を維持しながら大容量化を進められるため、主流の記録方式として広く採用されています。

QLC（Quad Level Cell）は、1つのセルに4ビットのデータを記録する方式で、最も高密度なデータ保存を実現できます。ただし、書き込みできる回数が約500～1,000回程度と最も少ない点には注意が必要です。セル当たりの記録容量がTLCの約1.3倍になり、ギガバイト当たりのコストが最も低いため、大容量で低価格なSSDの製造ができるようになりました。SLCキャッシュやHMB技術と組み合わせることで性能低下を軽減でき、読み取り中心の用途やデータ保管用途に向いています。

NVMe規格・PCIe接続のM.2 SSDは、以下のような魅力があります。

• 転送速度が圧倒的に向上する
• 応答性能に優れている
• 小型なので搭載しやすい
• コストパフォーマンスに優れた製品が多い

各魅力について、詳しく解説します。

SATA接続のSSDは転送速度の上限が約600MB／秒であるのに対し、PCIe3.0×4接続のNVMe SSDでは片方向で約4GB／秒、PCIe4.0×4接続では片方向で約8GB／秒の転送速度を実現できます。PCIeの複数レーン構成と並列処理により、SATA接続と比較して約6倍以上の高速なデータ転送ができる点が魅力です。大容量ファイルのコピーやアプリの起動、OSの立ち上げなど、さまざまな場面で速度の向上を体感できるでしょう。例えば、数十GBの動画ファイルを別のドライブにコピーする際など、NVMe SSDであれば短時間で完了できます。

前述した通り、NVMeは最大65,536キューをサポートし、多数の処理を同時並行で実行できます。レイテンシが従来のSATA SSDより大幅に短縮され、データへのアクセスが非常に高速になるのが魅力です。CPUの負荷を削減できるため、システム全体の処理効率が向上し、アプリの応答性が改善されるでしょう。マルチタスク環境や複数のアプリを同時に使用する場面で、ストレージがボトルネックになりにくいのもメリットです。

M.2フォームファクターは幅22mm×長さ80mm程度が主流で、従来の2.5インチSATAドライブと比較して非常にコンパクトです。マザーボードに直接接続するため、ケーブル配線が不要でパソコン内部がすっきりし、エアフローの改善につながります。薄型ノートパソコンやタブレットパソコン、小型デスクトップパソコンなど、スペースが限られたデバイスにも搭載しやすいでしょう。配線作業が不要な分、取り付けも簡単で初心者でも扱いやすい点も魅力です。

技術の進歩と普及により、NVMe SSDの価格は年々低下しており、SATA SSDとの価格差が縮小しています。高速性と大容量を両立しながら手頃な価格で入手できるモデルが増えており、一般消費者にとって導入しやすくなっている点が魅力です。性能当たりのコストで見ると、従来のSATA SSDやHDDと比較して優れた選択肢になっています。また、TLCやQLCの採用によりさらなる大容量化と低価格化が進んでおり、今後もコストパフォーマンスの改善が期待できます。

NEC Directは、メモリやストレージ容量などをカスタマイズできるBTO（Build To Order）パソコンを販売しています。ここからは、NVMe接続のM.2 SSDを搭載したNEC Directのパソコンをご紹介します。

※スペック表はカスタマイズモデルのものです

「LAVIE Direct N16」は、16型ワイドのIPS液晶を搭載したスタンダードノートパソコンです。CPUは第13世代のIntel® Core™ i3／i5／i7から、メモリは8GB・16GB・32GBから選択でき、用途に合ったスペックにカスタマイズできます。また、光学ドライブやテンキーを標準搭載しており、数値入力が多い作業やデータのバックアップに便利です。NVMe接続のM.2 SSDは約256GBから約1TBまであり、保存するデータ量に合わせて選択できます。

「LAVIE Direct DT」は、Inte® Core™ Ultraシリーズを搭載したデスクトップパソコンです。AIタスクを高速処理できるNPUを内蔵しており、グレードはCore™ Ultra 9・7・5から選択できます。メモリは最大64GBまで選択でき、高負荷なマルチタスクやクリエイティブワークに対応可能です。パソコン本体だけでも購入できますが、23.8型の広視野角な液晶ディスプレイも選択できます。その他にも、豊富なインターフェースや優れた拡張性を備えており、使い方の幅が広いデスクトップパソコンです。

NVMeは、PCIe経由でSSDを接続するための通信プロトコルで、従来のSATA接続と比較して圧倒的な転送速度を実現します。M.2フォームファクターと組み合わせることで、コンパクトながら高性能なストレージ環境を構築できる点が魅力です。インターフェースやフォームファクター、データ記憶方式などの関連要素を理解することで、自分の用途に最適なSSDを選択できるでしょう。パソコン業務の効率を高めたい人は、ぜひNVMe接続のM.2 SSDを導入してみて下さい。

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