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｜はじめに
コンピュータシステムの補助記憶装置とは、主記憶装置に比べて容量が大きく、アクセス速度が遅い記憶装置のことです。補助記憶装置には、ハードディスクや光ディスクなどがあります。補助記憶装置は、コンピュータシステムの性能や機能に大きな影響を与えます。
ここでは、補助記憶装置の種類や特徴、役割について解説します。
１．補助記憶装置の役割
コンピュータシステムの補助記憶装置の役割は、主記憶装置に収まらないデータやプログラムを保存したり、一時的に退避させたりすることです。
補助記憶装置には、ハードディスクやSSDなどの内部ストレージと、USBメモリやSDカードなどの外部ストレージがあり、主記憶装置よりも大容量で低速なのが特徴です。
補助記憶装置は、コンピュータシステムの性能や安全性に大きく影響する重要な部分です。
２．光ディスクの種類
光ディスクとは、コンピュータシステムの補助記憶装置の一種で、レーザー光を使ってデータを読み書きする円盤状のメディアです。
光ディスクには、CD-ROMやDVD-ROMなどの読み取り専用のものや、CD-RやDVD-Rなどの書き込み可能なもの、さらにはBD-ROMやBD-Rなどの高容量なものがあり、磁気ディスクに比べて耐久性が高く、安価で大量に製造できるという利点があります。しかし、アクセス速度が遅く、書き込み回数に制限があるという欠点もあります。
①CD
CDはCompact Discの略で、音楽やデータを保存するために広く使われていて、書き込みができるものとできないものがあります。
・書き込みができないものはCD-ROMと呼ばれ、製造時にデータがプレスされています。
・書き込みができるものはCD-RとCD-RWと呼ばれ、ユーザーが自分でデータを書き込んだり消したりできます。CD-Rは一度だけ書き込みができるもので、CD-RWは何度も書き込みができるものです。
コンピュータシステムの補助記憶装置の光ディスク「CD」とは、デジタルデータを光学的に読み書きする円盤状のメディアです。CDの表面には、データを記録するための細かな溝が螺旋状に刻まれており、裏面には反射層と保護層が塗られていて、再生するときはレーザー光をCDの表面に当てて、溝の有無によって反射される光の強弱を読み取ります。
主に、音楽やソフトウェアなどの情報を高品質で保存・再生することができ、CDの直径は約12センチメートルで、中央に小さな穴が開いています。
②DVD
DVDはデジタルビデオディスクとも呼ばれ、CDに似た円盤状のメディアです。DVDには様々な種類がありますが、主なものは以下の通りです。
・DVD-ROM：読み取り専用のDVDで、映画やソフトウェアなどが収録されています。書き込みはできません。
・DVD-R：一度だけ書き込みができるDVDで、パソコンやレコーダーで作成できます。書き込んだ後は読み取り専用になります。
・DVD-RW：何度も書き込みと消去ができるDVDで、パソコンやレコーダーで作成できます。CD-RWと同じく、再生機器によっては読み取れない場合があります。
・DVD+R：DVD-Rと同じく一度だけ書き込みができるDVDですが、記録方式が異なります。DVD+RはDVD-Rよりも高速に書き込めるという特徴があります。
・DVD+RW：DVD-RWと同じく何度も書き込みと消去ができるDVDですが、記録方式が異なります。DVD+RWはDVD-RWよりも高品質に記録できるという特徴があります。
③BD
BD（ブルーレイディスク）は、青紫色のレーザー光を使うことで、高密度で大容量のデータを記録できるものです。BDには、主に以下の3種類があります。
・BD-ROM：読み出し専用メモリ。映画やゲームなどのコンテンツが収録されたもので、一度記録されたデータは変更できません。
・BD-R：記録型。パソコンやレコーダーなどで、一度だけデータを書き込むことができます。書き込んだ後は変更できません。
・BD-RE：再記録型。パソコンやレコーダーなどで、何度もデータを消去して書き込むことができます。
BDの容量は、片面1層で約25GB、片面2層で約50GBです。DVDやCDに比べて、約5倍から10倍の容量を持った記憶装置で、高画質な映像や音声を楽しむことができるほか、大量のデータをバックアップすることにも適しています。
３．半導体による補助記憶装置の種類
コンピュータシステムの補助記憶装置の半導体による補助記憶装置の種類には、主にフラッシュメモリとDRAMがあります。
フラッシュメモリは電源を切ってもデータを保持できる非揮発性のメモリで、USBメモリやSSDなどに使われています。DRAMは電源を供給しないとデータが消える揮発性のメモリで、高速なアクセスが可能ですが、消費電力が高いという欠点があります。コンピュータのメインメモリやキャッシュメモリなどに使われています。
①ハードディスク
ハードディスクは、高速で大容量のデータアクセスが可能で、コンピュータの起動やプログラムの実行に必要な情報を保存するのに適しています。円盤状のプラッタと呼ばれる部品に磁性体を塗布したもので構成されており、プラッタの表面には細かい磁気パターンが記録されています。プラッタは高速で回転し、その上をヘッドと呼ばれる部品が移動してデータを読み書きします。ヘッドはプラッタと非常に近い距離にあるため、衝突や振動に弱いという欠点があります。また、ハードディスクは消費電力が高く、発熱や騒音も発生します。そのため、近年ではより小型で低消費電力のフラッシュメモリやソリッドステートドライブなどの半導体補助記憶装置が普及してきています。
②SSD
コンピュータシステムの補助記憶装置として、半導体による補助記憶装置のSSDが広く利用されています。SSDは、ハードディスクドライブ（HDD）と比べて、高速な読み書き性能、低消費電力、耐衝撃性などの特徴を持ち、フラッシュメモリと呼ばれる半導体素子を用いてデータを記録します。SSDは、フラッシュメモリの種類や制御方法によって、さまざまな形態や規格があります。例えば、SATAやPCIeなどのインターフェースや、2.5インチやM.2などのサイズがあります。また、SLCやMLCなどのセルタイプや、TLCやQLCなどのレイヤー数によっても、SSDの性能や耐久性が異なります。SSDは、コンピュータシステムの性能向上や省エネ化に貢献する補助記憶装置です。
③フラッシュメモリ
フラッシュメモリは、電源を切ってもデータを保持できる不揮発性のメモリで、高速に読み書きできるという特徴があります。フラッシュメモリは、NAND型とNOR型という二種類の構造がありますが、一般的にはNAND型の方が高密度で安価に製造できるため、大容量のデータストレージに適しています。一方、NOR型はランダムアクセスが可能で、低容量のコードストレージに適しています。ハードディスクドライブや光ディスクなどの従来の補助記憶装置に比べて、耐衝撃性や消費電力などの面で優れていますが、書き込み回数に制限があったり、データ消去に時間がかかったりするという欠点もあります。
４．磁気テープによる補助記憶装置の種類
磁気テープは、プラスチックや金属などの素材に磁性体を塗布したテープ状の媒体です。
磁気テープには、カセットテープやビデオテープなどのように、カートリッジやカセットに収納されたものと、リールに巻かれたものがあり、シーケンシャルアクセスと呼ばれる方法でデータを読み書きします。つまり、データはテープの先頭から順番にアクセスされ、ランダムにアクセスすることはできません。そのため、磁気テープは、バックアップやアーカイブなどの目的で、大量のデータを長期間保存する場合に適しています。
①ストリーマ
ストリーマは、磁気テープを巻き取りながらデータを読み書きする装置で、大容量のデータを長期間保存するのに適していて、バックアップやアーカイブなどの用途で利用されます。ストリーマの特徴は、低コスト、高信頼性、低消費電力などです。しかし、ストリーマの欠点は、ランダムアクセスができないことや、アクセス速度が遅いことです。
②DAT（Digtal Audio Tape）
DATは、音声信号をデジタル化して磁気テープに記録する技術です。DATの特徴は、高い音質、高い信頼性、低いコスト、長い保存期間などです。DATは、主に音楽や放送などの分野で利用されていますが、コンピュータシステムでは、バックアップやアーカイブなどの目的で使用されています。DATは、磁気テープの幅が4mmで、カセット型の小型のメディアで、DATの容量は最大で40GBに達することができます。DATは、磁気テープによる補助記憶装置の中でも、高速で大容量のデータを扱える優れた装置です。
５．補助記憶装置の性能指標
補助記憶装置の性能指標とは、補助記憶装置の性能を評価するための基準のことです。一般的な性能指標には、容量、アクセス時間、転送速度、信頼性などがあります。
①記憶容量
補助記憶装置の性能指標の一つが記憶容量です。
記憶容量とは、補助記憶装置に格納できるデータの量を表す指標で、単位はバイトやキロバイト、メガバイトなどです。補助記憶装置の種類によって、記憶容量は大きく異なります。
例えば、ハードディスクやSSDは数百GBから数TBの記憶容量を持ちますが、フロッピーディスクやCD-ROMは数MBから数GBの記憶容量しか持ちません。補助記憶装置の記憶容量は、コンピュータシステムの性能や応用範囲に影響を与えます。記憶容量が大きいほど、多くのデータやプログラムを保存できますが、コストやアクセス時間も増加します。したがって、補助記憶装置を選択する際には、必要な記憶容量とその他の性能指標をバランスよく考慮する必要があります。
②アクセス速度
補助記憶装置の性能指標の一つがアクセス速度で、補助記憶装置からデータを読み出すためにかかる時間のことです。アクセス速度は、以下の要素によって決まります。
・シーク時間：補助記憶装置の読み書きヘッドを目的のデータがある位置に移動させるためにかかる時間です。
・回転遅延時間：目的のデータが読み書きヘッドの下に来るまでにかかる時間です。
・転送時間：目的のデータを読み書きヘッドから主記憶装置に送るためにかかる時間です。
アクセス速度は、これらの要素の合計で表され、アクセス速度が高いほど補助記憶装置の性能が高いと言えます。
③フラグメンテーションとデフラグメンテーション
補助記憶装置にデータを書き込んだり読み出したりする際には、データの配置や管理に関するソフトウェア的な要因も重要な役割を果たすソフトウェア的な要因の一つが、フラグメンテーションとデフラグメンテーションです。
・フラグメンテーションとは、補助記憶装置上に保存されたデータが断片化されている状態のことを言います。断片化とは、一つのファイルやプログラムが複数の小さな部分に分割されて、補助記憶装置上の離れた場所に散らばって保存されていることを意味します。
断片化が起こる原因は、ファイルやプログラムの作成や削除を繰り返すことで、補助記憶装置上に空き領域が不連続に分散してしまうことと、ファイルやプログラムのサイズが変化することで、元々保存されていた領域に収まらなくなり、別の場所に移動したり分割されたりすることです。
フラグメンテーションが起こると、補助記憶装置からデータを読み出す際に、断片化されたデータを探したり結合したりする必要が生じるので、アクセス時間や転送速度が低下し、補助記憶装置の性能が低下します。また、断片化されたデータは、補助記憶装置上の空き領域を無駄に占有し、新しいデータを保存するスペースを減らします。
・デフラグメンテーションとは、フラグメンテーションを解消するために行われる作業のことを言います。デフラグメンテーションでは、補助記憶装置上の断片化されたデータを再配置し、連続した領域にまとめることで、アクセス時間や転送速度を向上させます。また、空き領域を一箇所に集めることで、新しいデータを保存するスペースを増やします。デフラグメンテーションは、専用のソフトウェアやオペレーティングシステムの機能を利用して行うことができる。
④ブロック化とブロック化因数
補助記憶装置の性能指標の一つであるブロック化とは、補助記憶装置にデータを書き込むときや読み出すときに、一定の単位でまとめて処理することです。
ブロック化を行うことで、アクセス時間や転送速度を改善することができます。
ブロック化因数とは、ブロック化を行う際に、一つのブロックに含めるデータの個数を表す因数のことです。ブロック化因数を大きくすることで、一回のアクセスで多くのデータを処理することができますが、必要なデータ以外も読み出してしまう可能性が高くなります。したがって、ブロック化因数は、補助記憶装置の性能や利用目的に応じて適切に設定する必要があります。
｜まとめ
補助記憶装置とは、コンピュータシステムでデータやプログラムを保存するための装置です。
補助記憶装置には、ハードディスクやSSDなどの内部記憶装置と、USBメモリやSDカードなどの外部記憶装置があります。
補助記憶装置の特徴は、主記憶装置（RAM）と比べて容量が大きく、電源を切ってもデータが消えないことです。しかし、アクセス速度は主記憶装置よりも遅いです。
補助記憶装置は、コンピュータシステムの性能や用途に応じて適切に選択する必要があります。
