HDDの記憶方式とは？CMRとSMRの違いや次世代の記録方式について

HDDの記録方式は、HDDにどのようにデータを記録するかを決定する技術のことで、主に「CMR」と「SMR」があります。

さらに近年では「HAMR」や「MAMR」といった新しい技術も登場していて、さらなる容量の向上も目指しています。

これらの方式は、それぞれ異なる特徴や用途に応じた最適化が施されており、HDDの用途や性能に大きく影響を与えています。

現在のコンシューマー向けの主流としてはCMRですが、エンタープライズやデータセンター向けには、さらに大容量化を可能にするHAMRやMAMRといった次世代技術も採用され始めています。

この記事の重要なポイント

記録方式はHDDの磁気記録層にどのようにデータを記録するかの技術
HDDの記録方式には主に”CMR”と”SMR”が使われている
CMRは信頼性と読み書き性能が高く、主流の記録方式
SMRは記録密度が高いが、書き込み速度が遅いため需要は少ない
PMRはCMRやSMRの基盤技術で、HDDの高密度化を支えている。
HAMRはレーザー加熱で高密度記録を可能にする次世代技術
MAMRはマイクロ波を利用した低コストの高密度記録技術
TDMRは複数ヘッドでデータを読み取る次世代技術
現在、コンシューマー向けではCMR製品が9割以上を占めている
次世代技術はエンタープライズやデータセンター向けに進化中

PCパーツと通販サイトを選ぶだけで、見積もり、互換性チェック、電源容量計算ができるツールも開発したのでぜひ活用してください。最大5つの構成を保存できるので色々な構成を試せます。

≫ ツール：自作PCパーツの見積もり・互換性チェックツール

HDDの記録方式について

HDDの記録方式の基本的なところから見ていきましょう。

HDDの記録方式について

HDDの記録方式とは？
CMRとSMRの違い
HDDの記録方式の主流について

HDDの記録方式とは？

HDDの記録方式とは、ハードディスクドライブ（HDD）にデータを保存する際、磁気記録層にどのようにデータを記録するかを決定する技術のことです。

この記録方式によって、HDDの容量、読み書き速度、信頼性、製造コスト（価格）などが左右されます。

最近のHDDに採用されている記録方式は、主に次の2つがあります。

CMR
トラック同士が重ならないようにデータを記録する一般的な方式
SMR
隣接するトラックを一部重ねる（重ね書きする）ことで、同じ物理サイズでより多くのデータを保存できるようにした方式

さらに、磁気ディスク上にデータを垂直に記録するPMR方式をCMRやSMRに組み込むことで、より高密度なデータ保存を可能にしています。

このように他の技術と組み合わさってHDDの容量などの性能向上が図られることもあります。

さらに近年では「HAMR」「MAMR」「TDMR」といった新しい技術も開発されたり、エンタープライズ向けとして一部導入され始めたりしています。

それぞれ、レーザーやマイクロ波、複数の磁気ヘッドと様々な方法を使って、より高密度なデータ保存（容量の向上）を目指しています。

ケンさん

HDD界隈っていつも「HDD容量の限界だ！」って言われるんやけど、何やかんや限界を超えてくるねんな（笑）

HDDの記録方式については後程解説していきます。

CMRとSMRの違い

CMRはトラック同士が重ならないようにデータを記録する方式に対して、SMRは隣接するトラックを一部重ねる方式です。

トラックという言葉が出てきましたが、ここでHDDの構造について簡単に触れておきます。

HDDの構造は、データを磁気的に記録するためのディスクとそれを読み書きするためのヘッドから成り立っています。

上の画像で言うと、銀色の円盤がディスクで、ディスクと重なった形である細長い三角形のものがヘッドです。

ディスクは通常、金属やガラスの基板に磁性体を塗布したプラッタと呼ばれる円盤で構成されており、これが高速で回転します。

1つのHDDに対して、複数枚のプラッタが搭載されるのが一般的です。

画像の例では4枚のプラッタが搭載されています。

プラッタの表面には、データを記録するためのトラックとセクタが細かく配置されています。

トラックは、プラッタの表面を中心から外周に向かって同心円状に配置されているドーナツ状の記録領域のことです。

セクタは、トラックを分割して作られる扇形のエリアのことです。

ここで、CMRとSMRの違いに戻りますが、この隣接するトラックが一部重なっているのがSMRで、重なっていないのがCMRです。

一部重ねることで、面積当たりのデータ容量が25％〜30％ほど向上するらしいです。

HDDの記録方式の主流について

現在、自作PC向け・コンシューマー向けHDDに採用されている記録方式は、CMRとSMRの2つです。

製品数としては、全体の約9割がCMR、約1割がSMRなのでCMRの方が圧倒的に多いです。

そのため、実際にHDDを選ぶ時もほとんどの場合でCMRになると思います。

SMRの方が、一見データ容量が増えるので良いように思えますが、書き込み速度の遅さや需要の少なさから、現在ではあまり使われていません。

SMRでの大容量化は、データの書き込みや再配置の遅さから現状では限界があり、10TB以上のような大容量HDDではCMRが採用されています。

また、多くのユーザーは、読み書き性能や信頼性を重視してCMRを選ぶ傾向があり、特にエンタープライズ向け製品やNAS向けHDDでは、信頼性の観点からCMRの需要が圧倒的に高いため、メーカーもCMRのラインナップを充実させています。

結果として、SMR製品の割合が少なく、需要がないため技術開発がされないのか書き込み速度の遅さを克服できないため、1〜8TB程度の容量に限られているのが現状です。

ケンさん

データ容量重視と言いつつも技術や需要の観点から伸び悩んだ感じやな！

HDDの記録方式の種類

HDDの記録方式として主要な「CMR」「SMR」について簡単に触れましたが、それ以外にもいくつか種類があるので詳しく解説していきます。

記録方式	登場時期	特徴	用途	主流かどうか
CMR	1980年代	・従来の方式でトラックが重ならない・安定した書き込み性能・信頼性が高い	一般的な用途 NAS データセンター	主流
SMR	2010年代	・トラックが重なって記録密度を高める（25～30%ほど向上）・書き込み速度が遅い・読み出しが多い用途に適する	バックアップアーカイブ	一部用途で主流
PMR	2000年代初頭	・磁性体を垂直に配置し記録密度を向上・CMRやSMRの基盤技術・信頼性がある	一般的な用途コンシューマー	主流
HAMR	2010年代後半	・レーザー加熱で高密度記録を実現・コストが高い・エンタープライズ向け大容量ドライブ	データセンター企業向け	特定用途で普及中
MAMR	2020年代	・マイクロ波で記録密度を向上・HAMRより低コスト・大容量HDDの実現に貢献	データセンター企業向け	特定用途で普及中
TDMR	2020年代	・トラック幅を狭めて高密度化・複数のヘッドでデータを読み取る・精度が高い	データセンター企業向け	限定的

CMR

CMR（Conventional Magnetic Recording / 従来型磁気記録方式）は、1980年代に初めて導入された従来からのHDD記録方式で、トラック同士が重ならないようにデータを記録する方式です。

HDD技術の基本として長年にわたり安定した性能と高い信頼性を提供しており、現在でも一般的な用途から信頼性と安定したパフォーマンスが求められるシステムでも利用されています。

古いからと言って他の方式に置き換えられたわけではなく、現在でも主流の方式となっています。

CMRはトラック同士が重ならないようにデータを記録する方式で、以下のような特徴があります。

安定した読み書き性能
トラックの間隔が均等であるため、読み書き速度が安定しています。
高い信頼性
データの上書きや更新が頻繁に行われても性能が劣化しにくいため、サーバーやNASなどの環境で信頼性が求められる用途に適しています。
書き込み速度
トラックが重ならないため、データの上書きや追記が容易で、書き込み速度が遅くなることがありません。
密度の制限
SMRなどと比べて、同じ物理的サイズでの記録密度が低くなる傾向がありますが、安定性と速度を重視した構造です。

CMRは信頼性が重要視される用途で多く使われます。

一般的なパソコン / ワークステーション
一般的な用途から高い信頼性を求めるビジネス用途も利用され、動画編集や設計作業など安定したパフォーマンスが求められる用途に適しています。
NAS
複数ユーザーが同時にアクセスすることが多く、安定した書き込み性能が求められるため、CMR方式が適しています。
サーバーやデータセンター
頻繁なデータ更新が必要な環境で、信頼性と安定性を保つためにCMRが選ばれることが多いです。

SMR

SMR（Shingled Magnetic Recording / シングル磁気記録方式）は、隣接するトラックを一部重ねる（重ね書きする）ことで、同じ物理サイズでより多くのデータを保存できるようにした方式です。

2010年代に登場し、HDDの記録密度を向上させるために開発された記録方式です。

先述した通り、データ容量が増えるので良いように思えますが、書き込み速度の遅さや需要の少なさから、現在ではあまり使われていません。

主な特徴は以下の通りです。

高い記録密度
トラックを重ねることでデータ密度を高めており、同じディスクサイズでより多くのデータを記録できます。
コスト効率が良い
記録密度が向上したことで、大容量を低コストで実現できます。
書き込み速度が低下する傾向
トラックを重ねて書き込むため、一部データの上書きが必要になる際に再配置（リロケーション）を伴い、書き込み速度が遅くなることがあります。
頻繁な書き換えが必要な環境には不向きです。
アーカイブ用途に適している
データの書き込みが少なく、読み出しが中心となる用途で、特に大容量のストレージが必要な場面で効果を発揮します。

SMRは、主に書き込み頻度が低く、容量が求められる用途で使用されます。

バックアップやアーカイブ
データの保存が主で頻繁な書き換えを必要としないため、SMRの高密度記録が最適です。
コールドストレージ
アクセス頻度が低く、大容量が求められる環境で、SMRのコスト効率の良さが活かされます。

PMR

PMR（Perpendicular Magnetic Recording / 垂直磁気記録方式）は、磁気ディスク上にデータを垂直に記録することで、より高密度なデータ保存を可能にした方式です。

2000年代初頭に登場し、HDDの記録密度を向上させるために開発された記録方式です。

磁性体をディスクの表面に水平に並べてデータを記録していた従来の水平磁気記録方式（LMR）に比べて記録密度が大幅に向上しており、これによりHDDの容量を大きく増やすことができました。

PMR自体は、CMRやSMRに対する別の記録方式というわけではなく、CMRとSMRの両方に組み込まれた磁気記録の基本技術です。

PMRの特徴を以下に挙げます。

記録密度の向上
磁性体を垂直に並べることで、トラック幅を小さくでき、同じ物理サイズのディスクにより多くのデータを記録できるようになりました。
信頼性の向上
高密度化の実現によって、安定した読み書き性能を確保しながら容量を増やすことが可能です。
CMRやSMRの基盤技術
現在主流のCMRやSMRの基盤となっている技術であり、これらの方式もPMRをベースにしています。

HAMR

HAMR（Heat-Assisted Magnetic Recording / 熱補助磁気記録方式）は、データを記録する際にレーザーを使ってディスクの表面を局所的に加熱し、磁気の特性を一時的に変化させることで、より小さな領域にデータを記録できるようにした方式です。

この技術は、2010年代後半に登場した比較的新しい技術で、HDDの記録密度を大幅に向上させる次世代技術として注目されています。

従来の技術では難しかった高密度なデータ記録が可能となり、記録密度を大幅に向上させることができます。

HAMRの特徴は以下の通りです。

高密度なデータ記録
レーザーで加熱することで磁性体が記録しやすくなり、より狭いトラック幅にデータを記録できます。
これにより、従来のPMRやSMRでは達成できない非常に高い記録密度が可能になります。
大容量化が可能
HAMRは、数十TB以上の大容量HDDの実現に向けて注目されており、記録密度の限界を押し広げています。
技術的な複雑さ
ディスク表面の加熱を正確に制御する必要があるため、従来の技術よりも高度で複雑な技術が必要です。
また、製造コストも高くなる傾向があります。

HAMRは、主に大容量と高密度が求められるエンタープライズやデータセンター向けに採用が進められています。

例えば以下のような用途です。

データセンターやクラウドストレージ
膨大なデータを保存するため、大容量かつ信頼性の高い記録技術が求められます。
アーカイブストレージ
ビッグデータのバックアップやアーカイブ用途で、低コストで大容量を提供する必要がある環境に適しています。
エンタープライズ向けサーバー
高密度ストレージでの性能と耐久性が重視される企業向けのサーバー環境で、将来的に導入が期待されています。

現在のところ、HAMRはまだ主流とは言えませんが、ストレージ業界では次世代の大容量ストレージソリューションとして期待されており、将来的には大容量HDDの標準技術となる可能性があります。

企業向けやデータセンターなど大容量が求められる分野で試験的に導入が進んでおり、今後のHDD市場での拡大が期待されています。

Seagate Technologyでは、この方式を採用したHDDを2024年3月末までに量産化を開始し、第一弾として30TBを発売、2025～2028年頃に、40TB、50TBのHDDを発売する予定見たいですね。

≫ 外部リンク：レーザー加熱型HDDの核心、米シーゲート技術トップが語る苦節20年（XTECH）

MAMR

MAMR（Microwave-Assisted Magnetic Recording / マイクロ波補助磁気記録方式）は、HAMRと同様に次世代の高密度記録技術ですが、レーザー加熱を必要とするHAMRとは異なり、マイクロ波を使って磁気ヘッドに働きかけて磁気抵抗を低減することで、より高密度にデータを記録する方式です。

HAMRと同様に2020年代に登場した比較的新しい技術で、HDDの記録密度を大幅に向上させる次世代技術として注目されています。

MAMRの特徴は以下の通りです。

マイクロ波で磁化を緩める
データを記録する際、磁性体の領域をマイクロ波で一時的に緩めて記録しやすくします。
これにより、トラック幅を小さくでき、記録密度を上げられます。
高い信頼性
HAMRと比較して加熱を必要としないため、磁気ヘッドやメディアの寿命を長く保てる利点があります。
また、HAMRと比較して製造や運用における技術的な負担が少なく、コストも低い傾向があります。
大容量化
PMRやSMRよりもさらに高密度での記録が可能で、大容量のHDDに適しています。

MAMRは、大容量ストレージが必要なエンタープライズやデータセンター向けに採用が進められています。

具体的な用途は以下の通りです。

データセンターやクラウドサービス
大規模なデータを扱うデータセンターで、大容量ストレージを実現するための技術として注目されています。
エンタープライズ向けストレージ
企業向けの高密度ストレージとして、信頼性を重視する環境での利用が進んでいます。
アーカイブおよびバックアップ用途
低コストで大容量化が可能であるため、頻繁にアクセスするデータよりも、長期間の保存が必要なデータのバックアップやアーカイブに適しています。

MAMRは、HAMRのように次世代の大容量記録技術として注目されていますが、HAMRに比べて技術の複雑さが少ないため、製品化しやすいという利点があります。

そのため、HAMRと並んでエンタープライズ向けの高密度HDDとして導入が進んでおり、今後の大容量ストレージ市場での採用拡大が期待されています。

しかし、MAMRが市場で主流となるかどうかは、他の技術との競争やコスト、技術的な課題の解決に依存しています。

例えば、HAMRも同様に高密度記録を目指しており、どちらが主流となるかは今後の技術開発や市場の動向によって変わる可能性があります。

現時点では、MAMRは一部のHDDで採用されているものの、まだ広く普及しているとは言えませんが、将来的には重要な技術の一つとなる可能性があります。

東芝では、この方式を採用した22TBのHDDを第一世代として2021年に発売しています。その後、2025年には32TBのHDDを発売予定のようです。

≫ 外部リンク：30TB超の大容量ニアラインHDDの実証に成功（TOSHIBA）

TDMR

TDMR（Two-Dimensional Magnetic Recording / 二次元磁気記録方式）は、隣接するトラックとの干渉を抑えながら記録密度を向上させる方法で、複数の磁気ヘッドを使ってデータを同時に読み取ることで、より高密度なデータ記録を可能にした方式です。

従来の記録方式では、トラック間の干渉が問題となり、記録密度の向上に限界がありましたが、TDMRはトラックをより密に配置し、複数の読み取りヘッドを使用してデータを読み取ることで、この問題を解決しようとしています。

これにより、同じ物理サイズのディスクにより多くのデータを保存することが可能になります。

この技術も、2020年代に登場した比較的新しい技術で、HDDの記録密度を大幅に向上させる次世代技術として注目されています。

しかし、まだ広く普及しているわけではなく、実用化には技術的な課題が残っています。

TDMRの特徴は以下の通りです。

複数ヘッドでの読み取り
TDMRでは、1つのトラックだけでなく、複数のトラックからのデータを同時に読み取るためのヘッドが配置されています。
これにより、データの読み取り精度が向上し、高密度な記録でも正確なデータ取得が可能です。
高密度記録の実現
トラックの幅をさらに狭くできるため、限られたディスク面積により多くのデータを記録できます。
これにより、物理的なスペースの限界を超えて容量を向上させることが可能です。
隣接トラック干渉（ITI）対策
データ密度が高まると、隣接するトラックからの干渉（ITI: Inter-track Interference）が問題となりますが、TDMRでは複数のヘッドを使うことで干渉の影響を抑えています。

TDMRは、主に高密度でのデータ保存が必要なエンタープライズやデータセンター向けに開発が進められています。具体的な用途は以下の通りです。