CA1683 - 光/磁気ディスク、フラッシュメモリの劣化と寿命 / 大島茂樹

PDFファイルはこちら

カレントアウェアネス
No.299 2009年3月20日

 

CA1683

 

光/磁気ディスク、フラッシュメモリの劣化と寿命

 

はじめに

 今や世界中で膨大なデジタル情報が日々生産されているが、それらを保存し後世に伝えていくには、まだ数多くの不安要素が解決されず残っている。

 その中には、記録メディアの寿命の問題がある。紙の本は1,000年の時を超えて保存に耐えてきた実績があるが、デジタル情報の記録メディアは歴史が浅く、その寿命について確かなところがわかっていない。

 本稿では、現在の主な記録メディアである光ディスク、ハードディスク及びフラッシュメモリについて、構造や原理を概観した上、その劣化と寿命についてこれまでに行われてきた研究等の成果を紹介する。

 

光ディスク

 CD・DVD等の光ディスクは安価で大容量のデジタル記録メディアとして盛んに利用されてきた。反射膜がついた記録層に強いレーザー光を当てて、状態が変化した部分を作り出すことでデータを記録し、データを読み出す時はそこに弱いレーザー光を当て反射光の変化を読み取るというのが基本的な原理である。

・劣化の原因と寿命

 光ディスクの劣化原因としては、まず高温多湿な環境が挙げられる。反射膜や記録層に水分が浸入すると腐食し、データが読み出せなくなることがある。また、記録層に色素を用いているCD-R、DVD-R等の場合、一定以上の光を浴びると、色素が分解してデータが失われることがある。ゆえに、『IFLA図書館資料の予防的保存対策の原則』(CA1680参照)(1)では、光ディスクは「涼しくて(温度20℃以下),適度に乾燥した(相対湿度40%)ところで保管しなければならない」「直射日光のもとにディスクを置いてはならない」とされている。

 光ディスクは、再生時に一部正しく読み出せないビット列があったとしても、同時に記録された誤り訂正用データを用いてデータを修復することができる。ただし、この訂正能力にも限界があり、ディスクの劣化が進んで誤り発生率がある一定の値を超えると、データの訂正ができなくなる。このとき光ディスクが「寿命」を迎えることになる。

 日本記録メディア工業会のWebサイトでは、DVDに記録されたデータの寿命について「通常の使用環境で10年以上持つといわれています」としている(2) 。国内DVDメーカーのWebサイト等においては「数十年の保存に耐える」(3)、「DVD-Rディスクの耐久期間はおそらく20年~30年以上」(4)、「保証するものではありませんが100年後の寿命予測(生存確率99%以上)」(5)等の記載が見られ、保存環境にもよるが、概ね数十年程度の寿命を想定しているようである。だが、問い合わせを行うと10年と回答するメーカーが多かったとの調査(6)もあり、確かなところはわからない。

 また、書き換え可能な光ディスクはアモルファス合金に結晶相と非晶質相を作り出すことによってデータを記録しているが、書き換え可能な回数には限界があり、CD-RW、DVD-RWが1,000回程度、DVD-RAMが10万回程度といわれている(7)

・寿命に関する調査研究

 デジタルコンテンツ協会が、国内・海外メーカー製の数種類のDVD-R、DVD-RAM、DVD-RWについて、温湿度試験、耐光試験、耐ガス試験などから保存寿命を評価する一連の調査研究を行っている(8)(9)(10)(11) 。これらで用いられたのは、過酷な条件下で劣化を加速させた場合の寿命を測定し、そこから通常使用時の寿命を推定する加速劣化試験という手法である。

 温湿度試験では、85℃、80℃、75℃、65℃の4温度(湿度はいずれも80%RH)という条件下でそれぞれの温度における寿命を求め、常温における寿命の中央値及び95%生存寿命を推定している。中央値のデータによると、温度25℃、湿度80%の条件下でDVD-Rが17~157年、DVD-RWが28~27,925年、DVD-RAMが39~611年という推定寿命が得られている。

 耐光試験では、太陽光に近い光を連続照射して記録再生特性を評価している。DVD-Rは8枚のうち1枚が48時間後、もう1枚が120時間後に、記録層が褪色し測定できない程劣化した(蛍光灯の下に置いた場合に換算すると48時間は106日程度、120時間は266日程度に相当)。DVD-RWとDVD-RAMには大きな問題はなかった。

 耐ガス試験では、光ディスクに影響を与える可能性のあるガスとして温泉地の数百倍の濃度の硫化水素を用い、長時間暴露状態として評価を行った。その結果、通常の環境では問題のない耐ガス性を持つと結論付けられている。

 またこの調査では、加速劣化試験の前に全てのディスクについて初期の記録品質の評価が行われている。その結果、一部の海外製ディスクにおいて、データを記録した当初からデータ誤り率が規格値を大幅に超えている「寿命0年」のものもあった。同様に、初期品質に関する調査を行ったものに、記録ディスク(DVD-R)と記録ドライブとの組み合わせにより記録品質が悪くなる場合があることを実証した森島の研究(12)がある。

 書き換え可能なDVDの寿命については、入江らも評価を行っている(13)。これは、加速劣化試験と一般室内環境下での保管試験を組み合わせて実施したもので、結果として50~100年以上の寿命が推定されている。

 なおデジタルコンテンツ協会は、光ディスクの寿命評価法について「これから製造する光ディスクの品質を保証するための規格」と「記録済み光ディスク上のデジタルデータの品質を監視する規格」の2つの規格の国際標準化の動向を紹介している。前者はCD-RとDVD-Rの寿命推定法の規格として、2007年にECMA(欧州電子計算機工業会)の承認を経て(14)、2008年にISO規格(15)として制定されている。後者は関連するJIS規格(16)等を基に検討が重ねられ、2009年にISO規格化(17)された。3年毎にエラーチェックを行い、劣化の度合いによって媒体移行を行う基準が定められている。

 

ハードディスク(HDD)

 ハードディスク(HDD)は記録メディアの主流として、携帯オーディオプレーヤー、パソコン、録画機、大規模ストレージ等に幅広く利用されている。高密度化が急速に進み、現状では最も大容量が実現できる。その構造は、アルミニウム等の薄い円板に磁性体を塗布した磁気ディスク(プラッタ)を回転させ、磁気ヘッドによりデータの読み書きを行う、というものである。

・劣化の原因と寿命

 HDDは熱に弱く、高温がコントロールチップの暴走、プラッタの変形、磁気情報の変質、モーターの潤滑剤の化学変化といった劣化の原因を生み出す場合がある。また、HDDに衝撃が与えられたり、電源を切ったりすると磁気ヘッドとプラッタが接触し破損する可能性がある。さらに、磨耗粒子が飛散し、データ記録部分を傷つけることもある(18)

・寿命に関する調査研究

 ベンダーはHDDの仕様に関する様々なデータを公表しており、その中で一般的に寿命に相当する指標とされるのが、平均故障寿命(MTTF:Mean Time To Failure)である。だが、MTTFが100万時間(114年)となっていても、そのHDDが114年間故障しないことを保証するわけではない。MTTFはあくまで「期待値」であるためである。

 このMTTFの値については、シュローダー(Bianca Schroeder)らが調査を行っている(19)。ベンダーが公表するMTTFが100万時間以上とされている10万台のHDDについて、5年以上にわたりその年間故障率(AFR:Annualized Failure Rate)を調査したところ、AFRは約3%であったという。ここから、実際のMTTFは30万時間程度であったことが推計される。

 また、Google社のピニェイロ(Eduardo Pinheiro)らは、同社で使用する10万台を超えるHDDから、ほとんどのHDDが備えている自己監視機能のSMART(Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology)の情報をはじめとする各種データを収集し、HDDの故障予測について調査を行っている(20)。結果として、先行する研究で繰り返し指摘されてきた「高い温度と高い利用レベルが故障率を上げる」という相関関係は確認できなかったこと、SMART情報のうち4項目(Scan Error、Reallocation Count、Offline Reallocation、Probational Count)は故障率と高い関連性を持つことが確認できたが、SMART情報だけでは故障予測に限界があること等の指摘がなされた。

 このほか、HDDの劣化や寿命に関する研究としては、HDD冷却ファンの振動によるダメージに関する研究(21)やInternet ArchiveのHDD故障率に関する研究(22)等がある。

 

フラッシュメモリ

 フラッシュメモリは、書き換え・消去が可能で、不揮発性の(電源を切っても内容が消えない)半導体メモリである。主にデジタルカメラ等の記録メディアとして使われる小型メモリカードや、USBメモリ等のパソコン用の可搬記録メディアとして普及している。フラッシュメモリ内には無数の半導体素子(メモリセル)が配置され、そのメモリセルに電圧をかけることにより、電荷を出し入れして記憶・読み出し・消去を行う仕組みである。記録・再生にHDDのようなモーター機構を必要としないという特徴がある。

・劣化の原因と寿命

 メモリセルは、電荷を蓄えるために絶縁機能を持つ「トンネル酸化膜」を用いているが、電荷の移動が頻繁に行われると酸化膜が次第に劣化して電荷を蓄えることができなくなる。このため、特定のメモリセルに書き込みが集中しないように、書き込みを分散して行う等の仕組みを持っている製品もある。

 寿命に関する指標としてはデータ書き換え可能な回数があり、概ね1~10万回といわれる。また、データを保持できる期間は約10年間といわれている。これらの値は各メーカーが公表している場合もある。ただし実際には、コネクターの接触部分の磨耗や破損など寿命以外の要因により使えなくなってしまうケースが多いと考えられ、強い磁気や電気の発生源に近づけることも故障の原因となる(7)

・寿命に関する調査研究

 光ディスクのようにサンプルから寿命推定値を算出した論文や報告書等は見当たらなかった。だが、フラッシュメモリを含む半導体デバイスは製造元によって、製造から輸送及び使用期間中に受けると推定される(熱的、機械的、電気的などの)ストレスに関して、加速あるいは限界ストレスを印加し,故障なく動作することの確認及び寿命を推定するための信頼性試験を経ている(23)。各メーカーが公表している書き換え可能回数やデータ保持期間はこのような試験を基にしていると考えられる。

 このほか、Linux上で繰り返し書き込みを行うプログラムを用いmicroSDカードの書き込み耐性の調査を行っている個人のブログ(24)や、USBメモリがデータ書き換え可能回数を超え故障した場合にどのような現象が起きるかをレポートした記事(25) 、書き込み・消去方式がフラッシュメモリの信頼性に与える影響を調査した論文(26)(27)なども見られる。

 

新世代記録メディア

 これまで見てきたものよりも大容量・長寿命化を目指し、新しい記録メディアの開発・研究が行われつつある。

 例えば、米国のカリフォルニア大学サンタクルズ校のストーラー(Mark W. Storer)らは、「100年データ保存」が可能な新技術として、HDDとフラッシュメモリを組み合わせた長期保存技術「Pergamum」を開発した(28)(29)。また、京都大学の越智らは、読み出し専用の半導体メモリであるマスクROMをガラスディスクに密封し、非接触のアクセスを行う、新しい長期保存メディアの研究を行っている(30)

 また既存メディアの改良も進められている。産業技術総合研究所は、東京大学と共同で、従来のデータ書き換え可能な回数の1万倍とされる、1億回以上の書き換えが可能なメモリセルを2008年に開発している(31)。GENUSION社と東北大学が2009年の製品化を目指し共同開発したフラッシュメモリは、100万回の書き換え回数のほか、20年間の連続読み出し、150℃で10年間のデータ保持能力が確認されている(32)

 

おわりに

 デジタル情報は一度失われてしまうと復旧が難しく、その損失も大きい。記録メディアの寿命については、様々な研究が行われ、改善も図られているとはいえ、まだ紙媒体に匹敵する年月が蓄積されていない以上、試験等を基にした推定値にとどまる。新しい記録メディアや技術が登場するまでは、確実なバックアップや適切な環境での保存と利用を心がける等の対応をとることが求められる。

関西館電子図書館課:大島茂樹(おおしま しげき)

 

(1) 国立国会図書館. “資料を保存するために: IFLA図書館資料の予防的保存対策の原則”. 2003.
 http://www.ndl.go.jp/jp/aboutus/data_preserve_01.html, (参照 2009-02-20).

(2) 日本記録メディア工業会. “消費者の皆様へ: DVDって何?”.
 http://www.jria.org/personal/dvd/index.html#dvd9, (参照 2009-02-20).

(3) 日立マクセル. “「DVDの取り扱い方について」よくあるご質問”.
 http://www.maxell.co.jp/jpn/consumer/data_disc_dvd_minus_r/cdata_r16/d_mr16x_faq03.html, (参照 2009-02-20).

(4) 価格.com. “DVDディスクの“信頼性”の“秘密”を探る!”.
 http://kakaku.com/article/pr/07/mkm/p02_2.html, (参照 2009-02-20).

(5)スタート・ラボ. “サポートFAQ”.
 http://startlab.co.jp/faq/thats.html#1100_50_92, (参照 2009-02-20).

(6) オプトロニクス社. FOCAL POINT 光ディスクメディアの寿命ははたして何年?. オプトロニクス. 2007, 26(2), p. 78-80.

(7) “記録メディアの寿命はどれくらい?”. 日経TRENDYnet. 2003-10-08.
 http://trendy.nikkeibp.co.jp/article/qa/parts/20031006/106168/, (参照 2009-02-20).

(8) 機械システム振興協会. “平成15年度システム技術開発調査研究: 長期保存のための光ディスク媒体の開発に関する調査研究”. デジタルコンテンツ協会. 2004.
 http://www.dcaj.org/optdisk/opticaldisk.html, (参照 2009-02-20).

(9) 機械システム振興協会. “平成16年度システム開発: 長期保存のための光ディスク媒体の開発に関するフィージビリティスタディ”. デジタルコンテンツ協会. 2005.
 http://www.dcaj.org/optstudy/study.html, (参照 2009-02-20).

(10) 機械システム振興協会. “平成17年度システム開発: 長期保存のための光ディスク媒体の開発に関するフィージビリティスタディ”. デジタルコンテンツ協会. 2006.
 http://www.dcaj.org/h17opt/17optstudy.html, (参照 2009-02-20).

(11) 機械システム振興協会. “平成18年度システム開発: 高信頼(長寿命・高セキュリティ)光ディスク媒体の活用システムの開発に関するフィージビリティスタディ”. デジタルコンテンツ協会. 2007.
 http://www.dcaj.org/h18opt/choki.html, (参照 2009-02-20).

(12) 森島英行. DVD(CD)の劣化について(下). 月刊IM. 2008, 47(3), p. 21-24.

(13) 入江満, 沖野芳弘, 久保高啓. 電子画像保存のための光ディスクの環境信頼性評価(1)相変化光ディスクの寿命評価の検討. 日本画像学会誌. 2003, 42(3), p. 224-229.

(14) ECMA-379 2nd edition : 2008. Test Method for the Estimation of the Archival Lifetetime of Optical Media.
 http://www.ecma-international.org/publications/standards/Ecma-379.htm, (accessed 2009-02-20).

(15) ISO/IEC 29121 : 2009. Information technology -- Digitally recorded media for information interchange and storage -- Data migration method for DVD-R, DVD-RW, DVD-RAM, +R, and +RW disks.
 http://www.iso.org/iso/iso_catalogue/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=45144, (accessed 2009-02-20).

(16) JIS Z 6017 : 2006. 電子化文書の長期保存方法.

(17) ISO/IEC 10995 : 2008. Information technology -- Digitally recorded media for information interchange and storage -- Test method for the estimation of the archival lifetime of optical media.
 http://www.iso.org/iso/catalogue_detail?csnumber=46554, (accessed 2009-02-20).

(18) ミツワ電機工業. “ハードディスク大量搭載実験研究サイト ハードディスク番長”.
 http://hddbancho.co.jp/, (参照 2009-02-20).

(19) Schroeder, Bianca.; Gibson, Garth A. “Disk failures in the real world: What does an MTTF of 1,000,000 hours mean to you?”. 5th USENIX Conference on File and Storage Technologies. San Jose, USA, 2007-02-14/16, USENIX. 2007.
 http://www.cs.cmu.edu/~bianca/fast07.pdf, (accessed 2009-02-20).

(20) Pinheiro, Eduardo ; Weber, Wolf-Dietrich ; Barroso, Luiz Andre. “Failure trends in a large disk drive population”. 5th USENIX Conference on File and Storage Technologies. San Jose, USA, 2007-02-14/16, USENIX. 2007.
 http://labs.google.com/papers/disk_failures.pdf, (accessed 2009-02-20).

(21) 清水敏行, 建部修見, 工藤知宏. 2003年並列/分散/協調処理に関する『松江』サマー・ワークショップ(SWoPP松江2003)研究会・連続同時開催: クラスタノードの高密度実装における振動等の問題について. 情報処理学会研究報告. 2003, (84), p. 67-72.
 http://datafarm.apgrid.org/pdf/SWoPP2003-shimizu.pdf, (参照 2009-02-20).

(22) Schwarz, Thomas ; Baker, Mary ; Bassi, Steven et al. “Disk failure investigations at the Internet Archive”. NASA/IEEE Conference on Mass Storage Systems and Technologies (MSST2006). Maryland, USA, 2006-05-15/18, NASA. 2006.
 http://www.hpl.hp.com/personal/Mary_Baker/publications/wip.pdf, (accessed 2009-02-20).

(23) NECエレクトロニクス. 半導体 品質/信頼性ハンドブック. 2008, 255p.
 http://www.necel.com/quality/ja/download/C12769JJ7V0IF00.pdf, (参照 2009-02-20).

(24) すz. “microSDカードの書き込み耐性について”. すzのAVR研究.
 http://suz-avr.sblo.jp/article/11446033.html, (参照 2009-02-20).

(25) “数年使ったらファイル壊れる? DVD、USBメモリの寿命に注意!”. J-CASTニュース.
 http://www.j-cast.com/2008/02/12016586.html, (参照2009-02-20).

(26) 有留誠一, 白田理一郎, 遠藤哲郎ほか. フラッシュメモリの信頼性. 電子情報通信学会技術研究報告. SDM, シリコン材料・デバイス. 1993, 93(191), SDM93-77, p. 41-48.
 http://ci.nii.ac.jp/naid/110003309890/, (参照 2009-02-20).

(27) 登川一郎, 加藤剛, 中野真治. フラッシュメモリの書込/消去方法の信頼性への影響. 電子情報通信学会技術研究報告. R, 信頼性. 1999, 99(454), R99-22 , p. 25-29.
 http://ci.nii.ac.jp/naid/110003302248/, (参照 2009-02-20).

(28) “「100年データ保存」が可能な新技術―米大学が開発”. ITMedia News. 2008-4-22.
 http://www.itmedia.co.jp/news/articles/0804/22/news048.html, (参照 2009-02-20).

(29) Storer, Mark W. ; Greenan, Kevin M. ; Miller, Ethan L. et al. “Pergamum: Replacing tape with energy efficient, reliable, disk-based archival storage”. 6th USENIX Conference on File and Storage Technologies. San Jose, USA, 2007-02-26/29, USENIX. 2008.
 http://www.usenix.org/events/fast08/tech/full_papers/storer/storer_html/index.html, (accessed 2009-02-20).

(30) 越智裕之. “密封半導体メモリの可能性”. デジタル知の恒久的な保存と活用にむけて: デジタルジレンマへの挑戦. 東京, 2008-10-24, 慶應義塾大学デジタルメディア・コンテンツ研究機構. 2008.
 http://note.dmc.keio.ac.jp/topics/files/2008/10/ochi-20081024.pdf, (参照 2009-02-20).

(31) “強誘電体NANDフラッシュメモリーで書き換え回数従来比1万倍を実証”. 産業技術総合研究所.
 http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2008/pr20080519/pr20080519.html, (参照 2009-02-20).

(32) “GENUSION, 100Mバイト/秒のNOR型フラッシュの高信頼性を実証”. Tech-On!.
 http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20080519/151975/, (参照 2009-02-20).

 

Ref.

沼澤潤二, 梅本益雄, 奥田治雄ほか著. 情報ストレージ技術. コロナ社, 2007, 204p, (映像情報メディア基幹技術シリーズ, 6). 沖野芳弘. 第59回 CD-ROMは永遠ですか?(てれび・さろん~知らないわけではないけれど~). 映像情報メディア学会誌. 2002, 56(7), p. 1076-1077.

古川佳靖. ディスクの故障を予測して警告する: SMARTによるディスクの経年劣化データの取得. インターフェース. 2005, 31(11), p. 156-165.

森康裕. 計る測る量るスペック調査隊 第10回 DVD-Rメディアとドライブの相性を調べろ!. オープンソースマガジン. 2006, 15(9), p. 141-146.

高田学也, 松元英樹. 特集1, 10年とも1万年とも言われる理由: DVDは百年もつか?. 日経パソコン. 2006, (514), p. 42-59,
http://pc.nikkeibp.co.jp/article/NPC/20070720/277930/, (参照 2009-02-20).

豊後基彦. 大容量かつ高速化で普及が進む、「フラッシュメモリー」の原理を探る. 日経WinPC. 2005, 11(7), p. 182-183,
http://pc.nikkeibp.co.jp/article/NPC/20061129/255245/?P=1, (参照 2009-02-20).

 


大島茂樹. 光/磁気ディスク、フラッシュメモリの劣化と寿命. カレントアウェアネス. 2009, (299), p.7-10.
http://current.ndl.go.jp/ca1683