SSD の電力喪失保護:ハードウェアとファームウェアの PLP がデータ喪失を防ぐ方法

停電は、インフラストラクチャの障害、突然のシャットダウン、または配電の問題などに起因する現代の IT 環境では回避することのできない現実です。これらの障害の発生が短時間でも、SSD に非常に大きな影響を与える可能性があります。適切な保護機能を適用しないと、突然の電源喪失により実行中の書き込みが中断したり、メタデータが破損したり、SSD が復元でない状態になったりします。

これにより、電源喪失保護 (PLP) が不可欠になります。PLP 自体は新しい概念ではありませんが、電源喪失イベントの発生中や発生後にデータを保護するために使用されている応用と技術は、最近の SSD 設計において大幅に進化しています。現在のデータセンターとエンタープライズ環境では、最新の PLP メカニズムが重要な役割を果たしており、一貫したストレージの動作を確保し、電力が突然喪失した場合でもデータやメタデータが失われないようにしています。

この記事では、PLP の仕組み、PLP が重要な理由、そしてハードウェアベースとファームウェアベースのメカニズムがどのように連携し、送信中のデータを保護し、マッピングテーブルの整合性を維持し、突然のシャットダウン後でも SSD の復旧可能な状態を維持するのかを説明します。

SSD の電源喪失保護 (PLP) とは？

電源喪失保護 (PLP) は SSD に組み込まれている一連のメカニズムで、これにより、ドライブは突然の電源喪失に適切に対処できます。SSD は高速動作するよう設計されていますが、データをキャッシュし内部プロセスを維持するために、不揮発性メモリにも大きく依存しています。突然電源が失われると、それらの不揮発性バッファに保存されているすべてのデータが失われるリスクが生じます。

PLP はその問題を解決するために存在しています。PLP の主な目的は、次の 2 つ主要な目的を達成することです。

• 持続性または不揮発性フラッシュメモリのデータ (またはドライブの DRAM または SRAM キャッシュバッファ内に常駐するデータ) を安全に消去し、突然のシャットダウンが発生しても失われないようにする。
• SSD 上のデータの物理アドレスと論理アドレスを対応させる SSD のマッピングテーブル (フラッシュ変換レイヤー (FTL)) の整合性を維持する。この構造を維持することで、システムの再起動後も SSD が認識され、使用できるようになります。

通常の状態では、SSD はシャットダウンの警告を事前に受け取ることで、キャッシュの消去とメタデータの更新を行う時間を確保できます。しかし、突然の電源喪失などの理由でこのような警告がない場合、PLP はドライブの保護を開始し、ドライブが応答できなくなったり、データが破損したりする不整合が発生しないようにします。

簡単に説明すると、PLP は電源が喪失する前に、必要不可欠なタスクを完了するための十分な時間を SSD に与えます。

通常の SSD のシャッドダウン

システムの通常のシャットダウンでは、SSD はユーザーデータと内部メタデータの両方を保護するために設計された適切に定義された秩序のあるシャットダウンシーケンスに従います。ホストシステムは、シャットダウンが開始されると、SSD にコマンド (Standby Immediate Command) を送信し、システムがシャットダウンしていることを通知します。この事前通知により、ドライブはいくつかの必要不可欠な管理タスクを完了するための時間を確保できます。このプロセス中に、SSD は次のことを実行できます。

• すべてのキャッシュデータを DRAM または SRAM から NAND に安全に書き込んで、使用中のデータの喪失を防ぎます。
• NAND フラッシュ全体でデータの物理的な配置場所を追跡するフラッシュ変換レイヤーのマッピングテーブルを更新します。
• 重要なメタデータを永続ストレージに完全に保存して、ドライブが次回電源投入時に正常に再初期化できるようにします。

SSD はこれらの操作を完了させるための十分な時間を確保できるため、正常で予測可能なシャットダウンが実行されます。ドライブは完全に一貫した状態で電源がオフになり、システムの再起動時にスムーズに認識され、正常な動作が保証されます。

SSD にとって、突然の電源喪失が重大な問題となる理由

突然の電源喪失は、常にソリッドステートドライブの課題となっています。これは、特に復元力がより限られていた初期の世代では顕著になっています。 警告がないと、SSD は書き込みを完了し、メタデータを更新し、内部構造を適切に最終決定するための十分な時間を確保できない場合があります。これにより、突然の電源喪失が起こった場合、SSD は以降の電源サイクルで応答できなくなるのが一般的でした。これら多くの初期の事例で、SSD は回復不能になり、データ喪失が起こりました。

突然の電源喪失が特に問題となる次のような主な 2 つのリスクがあります。

• 送信中データの喪失 : 不揮発性 DRAM または SRAM キャッシュに保存されている情報が、電源が切れた瞬間に失われる可能性があります。
• 破損したマッピングテーブル: 論理アドレスと物理 NAND を対応させる構造を持つフラッシュ変換レイヤーが、電源喪失前に安全に更新されない場合、不整合の状態のままになる可能性があります。これが発生すると、SSD はホストシステムにより認識されなくなる可能性があります。

これらの脆弱性により、特に突然の停止やデータの不整合が業務上や財務上の結果に影響するデータセンターやエンタープライズ環境で、電源喪失保護が基本要件になりました。

SSD にとって、電源喪失保護が重要な理由

ミッションクリティカルな環境では、仮想化環境、高可用性サーバー、または大規模データセンターの運用をサポートする場合、ストレージシステムはあらゆる状況で確実に動作する必要があります。短時間の電源喪失でも、実行中のプロセスが中断し、重要なメタデータが破損する可能性があり、サービスの稼働時間から復旧のワークフローまでのあらゆることが影響を受けます。

電源喪失保護により、突然停電が発生した場合でも SSD が最も重要な操作を確実に完了または保存できるようにすることで、これらの問題を防ぐことができます。これは、特に厳格なサービスレベルの目的を満たす必要のあるシステムや、継続的な負荷がかかる状態で連続して動作する必要があるシステムで特に重要です。

AI 駆動型ワークロードや急速に拡大するデータセンター環境をサポートするために、インフラストラクチャが拡張されるにつれて、PLP は高負荷のワークロードの処理においてますます重要になっています。高度な電力管理 IC やPCIe Gen5 エンタープライズ SSD, などの新たな傾向では、次世代ストレージプラットフォームでの PLP の有効性が継続的に強化されています。

エンタープライズ SSD が突然の電源喪失に対処する仕組み

SSD が警告を受けずに電力を失うと、コントローラが即座に電圧降下を検出し、緊急電源喪失手順を開始します。この短時間の重要な時間帯に、SSD は次の 2 つのことを優先します。

• NAND に書き込まれていないすべての送信中のデータの保存
• フラッシュ変換レイヤーの更新の保護または完了。これにより、ドライブは一貫性を維持し復旧可能な状態になります。

適切に設計された SSD は、電源コンデンサを保持するハードウェアベースのデザインを採用しています。また SSD および/またはファームウェア PLP の実装により、重要なメタデータの情報はフラッシュメモリに書き込まれ、次の電源投入時に SSD を正常に復元できるようにしています。

ハードウェアベースの電力損失保護

ハードウェアベースの電源喪失保護は、突然の電源喪失に対する最も直接的な防御です。エンタープライズクラスの SSD では、この保護機能は通常、内蔵型のコンデンサとして搭載されています。これは主電源が遮断された後、ドライブを短時間稼働させるために十分な電力を蓄えている特殊なコンポーネントです。Kingston のエンタープライズ SSD の場合、この目的専用に設計された超コンデンサまたはタンタルポリマーコンデンサを使用しています。

内蔵ホールドアップコンデンサの役割

SSD が入力電圧の降下を検出した瞬間に、コンデンサが放電し、一時的なホールドアップ電力を供給します。これにより、DRAM または SRAM の不揮発性データに加え、重要なメタデータ構造が、ドライブが完全にシャットダウンする前に、NAND に安全に保存されます。この電力のバッファがないと、SSD はこれらの操作を完了できる十分な時間がないため、データの損失や破損のリスクが高まります。

これらのコンデンサは、SSD にわずかな時間を与え、突然の停電時に未完了の状態になる可能性のある重要なタスクを完了できるようにします。キャッシュされたデータが失われたり、内部メタデータを破損させたりする代わりに、SSD は保存された電力使用して、実行していたことを完全に終了させます。

ハードウェア PLP イベントの手順

SSD における一般的なハードウェアベースの PLP イベントの基本概念は、以下のようになります。

1. 電源喪失検出: SSD コントローラが突然の電圧降下を特定します。
2. コンデンサの起動: 内蔵された電源コンデンサが、SSD への電力を保持します。
3. キャッシュの消去: コントローラはキャッシュバッファを消去するための内部コマンドを発行します。
4. メタデータの更新: コントローラは、電源喪失の準備として、マッピングテーブルを更新します。
5. 適切な電源オフ: 重要なデータの書き込みやメタデータの保護により、SSD は適切な順序で電源を切ります。

この慎重に設計されたシーケンスにより、突然の電源喪失時でもデータ損失やドライブの破損が発生する可能性が大幅に削減され、SSD は電源復旧後に正常に再初期化されます。

ファームウェアベースの電源喪失保護

ハードウェアベースの PLP は突然の停電時にバックアップ電力を直ちに供給し、ファームウェアベースの PLP はSSD の電源復旧後に起こることに対応します。ホールドアップコンデンサがある場合でも、SSD はシャットダウンする間にすべての内部の管理タスクを完了する時間がない場合があります。 ファームウェアベースの PLP は、ドライブが次回起動時に内部の状態をリカバリできるようにすることで、この問題に対処するために設計されています。

電源喪失後に、ファームウェアがマッピングテーブルを再構築する方法

ファームウェアの最も重要な役割の 1 つは、フラッシュ変換レイヤー (NAND 上のデータが物理的に保存されている場所を追跡する構造) の一貫性を保つことです。突然の電源喪失時に、FTL は部分的に更新されるのみで、SSD は一貫性のない不安定な状態になります。

ファームウェア PLP は、電源復旧時にマッピングテーブルを再構築または修復するために、ドライブが必要とするメカニズムを提供します。この必要不可欠なメタデータを再構築することで、SSD はホストシステムにストレージレイアウトの有効で一貫性のあるビューを提供できます。

SSD のリカバリにおける FTL マッピングテーブルの役割とは？

マッピングテーブルは、実質的に SSD の内部ナビゲーションシステムです。コントローラに、NAND フラッシュ内にある各データの保存場所を伝えることができます。突然の電源喪失により、このテーブルが破損したり、不完全な状態になったりすると、データ自体が破損していなくても、ドライブが初期化に失敗する可能性があります。ファームウェアベース PLP イベントの基本概念は、以下のようになります。

1. SSD のマッピングテーブルはフラッシュメモリに格納されており、DRAM 内で更新されます。
2. 新しいデータが SSD に書き込まれると、ファームウェアはマッピングテーブルを更新します。
3. 書き込まれた新しいデータには常にタグ (スペアバイト) が付けられますが、これには LBA、EEC その他の構造データの情報が含まれています。
4. 突然の電源喪失が発生した場合。
5. オリジナルのマッピングテーブルが組み合わされたデータ構造の情報を持つスペアバイトにより、SSD ファームウェアは次の電源投入時に SSD のマッピングテーブルを再構築が可能です。

マッピングテーブルを保護することで、ファームウェア PLP は突然の電源喪失後の SSD の復旧可能性の確保において重要な役割を果たします。

ハードウェア PLP とファームウェア PLP の比較2 つの電源喪失保護アプローチの詳細

ハードウェアベースおよびファームウェアベースの電源喪失保護の両方は、同じ包括的な目的を果たしますが、突然の電源喪失時にデータ整合性を維持する場合、基本的に異なる方法で動作します。2 つの電源喪失保護機能がどのようにお互いを補完し合うのかを理解することで、最新の SSD がこれらの機能を組み合わせている使用している理由が明確になります。

ハードウェアベース PLP は予防的な保護機能の層です。この PLP は、内蔵コンデンサを使用して、突然の電圧降下後の短時間に、SSD に電力を供給します。 このわずかな時間に、コントローラは DRAM または SRAM から不揮発性データを消去し、ドライブの電源が切れる前にフラッシュ変換レイヤーの重要な更新を完了します。これらの操作は電源喪失時に発生するため、ハードウェア PLP はデータ喪失とメタデータ破損に対する最初の強力な防御を提供します。

一方、ファームウェアベースの PLP は復元機能として動作します。未完了の操作を保存する代わりに、ファームウェアベースの PLP は復旧に焦点を当てています。不適切なシャットダウン後に SSD が起動する際、ファームウェアのルーチンにより、FTL などの重要なメタデータ構造が検証、再構築され、ドライブが一貫性のある使用可能な状態に復元されます。これは、ハードウェアのメカニズムがタスクを完了できないほど電源障害が急に発生し場合、またはドライブ設計がファームウェア保護に大きく依存している場合に、特に有益です。

これらの 2 つの層を組み合わせることで、包括的な保護戦略が形成されます。

• ハードウェア PLP は SSD が転送操作を完了させるために十分な時間を利用できるようにします。
• ファームウェア PLP は未完了の操作がある場合、ドライブが適切に復旧できるようにします。

また、これらの PLP は、突然の電源喪失後のデータ喪失、破損、またはドライブの障害が発生するリスクを大幅に低減します。

実際の使用例:Kingston による PLP の実装

Kingston は、標準認定プロセスの一部として、その SSD (クライアントおよびエンタープライズ) を、非常に激しいエンジニアリング電源サイクル試験にかけています。互換性、性能および耐久性試験に加えて、Kingston 製 SSD は多数の危険な電源喪失イベント、ブートアップ、および認定プロセスに合格するための機能の完全性に関する試験に合格しなければなりません。電源喪失試験の時に SSD に「異常」が起こった場合、エンジニアリング認定試験は停止され、問題の原因が解決した後、再び認定プロセスが開始されます。

当社のサーバー SSD の電源喪失保護への対応方法では、綿密なハードウェア設計とファームウェアのインテリジェンスを組み合わせることで、SSD が突然の電源喪失時でも稼働し続けることができるようにします。ハードウェアレベルで、Kingston は超コンデンサやタンタルポリマーコンデンサをエンタープライズ SSD に統合して、短時間のホールドアップ電源を供給します。 突然の電源喪失が検出されると、これらのコンデンサはコントローラに十分な電力を供給し、キャッシュからの送信中のデータの消去や、フラッシュ変換レイヤーの更新などの重要なタスクを完了できるようにします。

このハードウェア設計は、PLP のファームウェアのルーチンで補完され、ドライブのマッピングテーブルとメタデータが確実に一貫性を維持できるようにします。電源が喪失している間に更新が中断していた場合、ファームウェアが再起動時に必要な構造の再構成を支援し、SSD が適切に再初期化されるようにします。これらのメカニズムが組み合わされることで、データ破損の可能性を最小限に抑え、突然のシャットダウン後の信頼性の高い復旧をサポートします。

Kingston の PLP 実装は、ハードウェアとファームウェアが連携した戦略により、突然の電源喪失に伴うリスクを大幅に低減できることを示しており、要求の厳しいエンタープライズ環境やデータセンター環境で、予測可能なパフォーマンスとドライブの整合性を維持することができます。

PLP が SSD の信頼性とデータ整合性にとって重要な理由

電源喪失保護 (PLP) は、SSD 突然の電源障害に耐え、データの損失や破損リスクを回避することを保証する上で重要な役割を果たしています。送信中のデータを保護したり、フラッシュ変換レイヤー (FTL) の一貫性を保存したりすることで、PLP は SSD が想定どおりに復旧し、突然のシャットダウン後も完全に動作できるようにします。 最新の実装では、ハードウェアベースのホールドアップコンデンサと、メタデータの検証と再構築用に設計されたファームウェアルーチンを組み合わせており、突然の電源喪失に対して多層的な防御が提供されます。

稼働時間、一貫性、データ整合性が不可欠なエンタープライズ環境やデータセンター環境の場合、これらの保護機能により、悪条件でもストレージシステムが常に信頼性を維持できるようにします。 PLP は最終的に、SSD が短時間の変動から完全な停止まで、要求の厳しいインフラストラクチャの問題に対応し、業務の継続性を侵害することなく運用できるという確信を組織に与えることができます。

各アプリケーションと環境は固有であり、お使いの環境でいずれのタイプの PLP が最適かどうかを判断する場合、特定の考慮事項を策定する必要があります。この場合、当社の専門家がお手伝いいたします。技術的な問題やお使いの環境に適切なSSD を選択する際にガイダンスが必要な場合、Kingstonの Ask an Expert（エキスパートに照会） サービスと KingstonCare サポートプログラムを利用すると、お客様の意思決定プロセス全体を通して、パーソナライズされたサポートを受け、安心して作業することができます。