QLC SSDを採用した大容量SSDの性能は？　「Samsung SSD 860 QVO」徹底検証

Samsung Electronicsは、QLC NANDフラッシュメモリを採用した普及価格帯向けSSD「Samsung SSD 860 QVO」を発表した。インタフェースにはSerial ATAを採用し、同社のラインアップでは「Samsung SSD 860 EVO」の下位に位置付けられる。QLC NANDフラッシュメモリは、低コストで大容量なSSDを作りやすいことから普及価格帯の選択肢として大いに注目されているが、製品としての仕上がりはどうだろうか。今回、最大容量となる4TBモデルを入手したので、性能を検証しよう。

QLC NANDフラッシュの特徴

QLC NANDフラッシュメモリは、メモリセル1つ当たりに4bitのデータを記録する方式のNANDフラッシュメモリだ。現在の主流であるTLC NANDフラッシュメモリに比べて1セル当たりの情報量は1.33倍、高級SSDに搭載されているMLC NANDフラッシュメモリに比べると2倍になる。つまり、低コストで大容量のSSDを作りやすい。一方、QLCでは電流制御が複雑になるため、メモリセル当たりの寿命はTLCの約3分の1、性能（特に書き込み）もTLCに比べて大きく落ちる。

Samsung 860 QVOの外観とスペック

Samsung SSD 860 QVOの外観とスペックをチェックしよう。2.5インチ、7mm厚のフォームファクターを採用した外観は「ごく普通のSSD」。上位の860 EVOのデザインを踏襲しつつ、カラーリングをグレー基調に変更している。

性能面ではSerial ATAインタフェースのSSDとしては標準的なもの。上位の860 EVOと比べるとQD1のランダムリードで見劣るが、これもTLC SSDの一般的な水準からすると低いわけではない。

性能面での見劣りが少ないのは、DRAMキャッシュの容量が大きいことに加えて、後述するSLCバッファー技術の効果が大きい。

耐久性については、TBW（Total Byte Written）が指標になる。SSD全体で寿命が来るまでにどれくらいの容量を書き込みできるかの総量を示すものだ。これも860 EVOと比べると見劣りするものの、一番容量が少ない1TBでも360TBと十分だ。通常の使い方なら数年は問題にならないだろう。

なお、コントローラーは、860 EVOと同じSamsung製の「MJX」。QLC NANDフラッシュメモリもSamsung製である。Samsungが「V-NAND」と呼ぶ3D NAND技術も併用されている。コンシューマー向けで実用化されている中では最新の64層の技術を採用している。

性能をSLCバッファー技術でカバー

QLC NANDフラッシュメモリの性能をフォローしているのが「SLCバッファー」「疑似SLCモード」などと呼ばれるバッファー技術だ。Samsungではこれを「Intelligent Turbo Write」と呼んでいる。

SLCバッファーとは、本来QLCのメモリセル1つに記録するデータをあえてSLC相当の1bitのみとし、電圧制御をシンプルにすることで性能や耐久性をSLC並に引き上げ、それを書き込みバッファーとして利用し、書き込み性能の遅さをカバーするものだ。

Samsungの場合、かなり細かい部分まで仕様を公表しており、固定で6GBのバッファーを確保。あとは空き容量や使用する容量に応じて可変で確保し、最大で78GB（1TBモデルは42GB）がバッファー領域として使えるという。

QLCとTLCの決定的な違い

SLCバッファー技術で性能を稼いでいるのはTLCもQLCも共通だが、TLCとQLCでは決定的な違いがある点に注意したい。

最も異なるのは、SLCバッファー領域外の性能だ。SLCバッファー領域内は高速でも、バッファーに入らないデータの書き込み性能はNANDフラッシュメモリの素の性能が反映される。TLCではバッファー領域外でも高速に書き込めるが、QLCではバッファー領域を外れた途端、一気に性能が低下する。

Samsungのレビュワーズガイドによれば、860 QVOのSLCバッファー領域外のシーケンシャルライト性能は、2TB・4TBモデルで160MB／sと標準的なHDD並。1TBモデルは80MB／sまで下がることが明記されている。

もう1つ、QLCの場合は、SLCバッファーに使われる本来の容量は、バッファー容量の4倍であることも忘れてはならない。本来、4倍の容量を記録できるセルをあえて等倍記録にして耐久性や性能を上げているのだが当然だが、例えば、36GBのSLCバッファーのために使われる空き容量は144GB、SLCバッファーが72GBならば288GBだ。Samsungのレビュワーズガイドでは、1TBモデル（可変SLCバッファーが36GB）で空き容量が168GB以上ない場合には、可変SLCバッファーは完全には機能しない（not fully operate）と記載されている。

CrystalDiskMark 6.0.1

これからベンチマークテストで性能をチェックしていこう。今回のテストでは、Z170チップセットの環境を利用し、比較対象には上位のSamsung SSD 860 EVOの1TBモデルを用意した。OSはWindows 10 Pro 64bit（1803）だ。

まずは、ひよひよ氏制作の定番ベンチマークテスト「CrystalDiskMark 6.0.1」で基本性能を見よう。テストデータのサイズは1GiBと32GiBも実行した。データタイプは標準のRandomを利用している。

シーケンシャルリードとシーケンシャルライトの速度は、公称値を上回る数値で、ランダム4KBのスコアもSerial ATAインタフェースのSSDとしては標準クラスといえる。

ランダム性能では、スペックの通り4KBリードで860 EVOに比べて少し見劣る。それでも、現行のTLCの廉価版モデルと同等、またはそれよりは上くらいだ。

テストサイズを32GiBと大きくした場合でもシーケンシャル性能は特に変化なし。ランダムでは4KBリードで少しスコアを落としているが、あまり気にしなくてもよいだろう。

HD Tune Pro 5.70

HD Tune Pro 5.70のTransfer Benchmarkを使い、テストサイズ100GBで転送速度の推移を見た。まずはオレンジ色のシーケンシャルライトのグラフに注目。860 EVOの方は、転送容量がIntelligent Turbo WriteのSLCバッファー容量（78GB）を超えた当たりで転送速度が急落し、160MB／s前後まで落ち込んでいる。これはまさにIntelligent Turbo Writeの仕様通りの挙動が確認できる。

一方、860 EVOの方は78GBを過ぎてもわずかな波ができる程度で最後までほとんど性能は変わっていない。この78GBあたりからの転送速度が、NANDフラッシュメモリの素の性能であり、TLCとQLCの差が如実に出ている。

また、4KB ランダムアクセス（4KB Random Single）のスコアも公称値に近い数値が出ており、860 EVOの方が860 QVOよりも良いことが分かる。なお、860 EVOのランダムのマルチ性能はエラーでスコアが出なかった。

FINAL FANTASY XIVのローディングタイム比較

　FINAL FANTASY XIV：紅蓮のリベレーターベンチマークテストのローディングタイムを計測した。860 EVOと比べると少し見劣るものの、Serial ATAインタフェースのSSDとしてはまずまずのスコアといえる。

ファイルコピー時間の比較

　ファイルコピー（書き込み）時間を比較した。コピーに利用したのはSteamのゲームフォルダで、54GB、96GB、150GBの3種類を比較した。Intelligent Turbo WriteのSLCバッファー容量が最大78GBなので、860 QVOではそれを超えるデータの書き込みが遅くなるのは当然だが、実際の時間感覚をつかむためにあえて実施している。

ご覧のように、データが54GBの場合は860 EVOと同等。データのサイズがSLCバッファーを超えるとその時点から急に転送速度が落ちて時間がかかる。データサイズが150GBにもなると860 EVOの2倍以上の時間がかかっている。

可変SLCバッファーの挙動に課題

　低コストで大容量のQLC SSDは大容量データの保存用途として活用する場合が多いと考え、全容量の半分弱消費した状態（1.7TB使用、空き1.93TBの状態）でファイルコピーテストを行ってみた。すると、860 QVOは転送の序盤から早々に転送速度が落ち込み、データがない状態でテストした時の3倍近い時間がかかってしまった。

続いてHD Tune Pro 5.70のTransferBenchmarkを実行した。すると、シーケンシャルリードでは変わらないが、シーケンシャルライトではちょうどIntelligent Turbo Writeの固定バッファー容量の6GBを過ぎたあたりで転送速度が150MB／s強まで落ちてしまった。

空き容量を減らしたといってもまだ1.9TB以上の空きがあり、SLCバッファーに使える容量は十分あるはずなのに、この結果からは、SLCバッファーは固定容量の6GBしか使えていない。つまり、インテリジェントに確保されるはずの可変SLCバッファーが機能していない。

当初は使用容量の問題かと思っていたのだが、500GB程度しか書き込みをしていない状況でも同じようなことが起きた。Trimを実行したり、30分以上時間を空けて試してみても結果は変わらなかった。何が原因で起きているのかは分からないが、少なくとも「空き容量が十分にある場合でも使用状況によって、可変SLCバッファーが適切に確保されないことがある」ということは確実にいえる。

実は、似たような状況は本製品だけでなく、同じQLC NANDフラッシュメモリを搭載するIntelの660pやCrucial P1でも経験したことがある。バッファーからのデータ退避時間を意識して時間を空けてテストしたつもりなのだが、QLC NANDフラッシュメモリの素の性能があまりにも遅すぎて、SLCバッファーを埋めた状態で長く使う（＝バッファーを大きく超える大容量データのコピーを行う）とバッファーが再使用できるまでに相当なインターバルが必要なのかもしれない。ファームウェアなどで改善できそうな部分でもあるので、今後に期待したい。

「大容量ファイルの書き込みはHDD並」と割切れるなら

　QLC NANDフラッシュメモリ搭載SSDについては、耐久性が課題として挙げられることが多いが、筆者としては最も懸念すべきは書き込み性能だと感じている。

QLC NANDフラッシュの素の書き込み性能はTLC NANDよりも格段に低い。本製品のシーケンシャルライト160MB／sというのはQLC NANDとしては良い方だが、それでもHDD並でしかない。大容量のDRAMキャッシュとIntelligent Turbo WriteSLCバッファーである程度フォローしてはいるが、このSLCバッファーも可変領域に関しては常時効くわけではない。「大容量データの書き込み性能はHDD並」だと思っておいた方が良さそうだ。

最もシーケンシャルリードは状況にかかわらず高速だし、4GB（4TBモデルの場合）の大容量DRAMキャッシュに加えて、SLCバッファーにしても最低でも6GBは固定で確保されている。そのため、Windowsの基本操作レベルでは問題ないし、大容量ファイルを扱う場合でも読み出し中心の処理であれば、空き容量にかかわらずHDDに比べて格段に快適に使えるのは間違いない。

「大容量の書き込み性能はHDD並」ということを認識した上で割り切れるならば、価格次第で選択肢に入れてもよいが、現時点で公表されている価格ではまだ手放しではお勧めしにくいというのが本音だ。さらなる低価格化と大容量化に期待したい。