ガーベジコレクション

2025年10月26日

ガーベジコレクション

英語表記: Garbage Collection

概要

ガーベジコレクション（Garbage Collection, GC）とは、SSD（Solid State Drive）のコントローラが、ユーザーからの書き込み要求がないアイドル時間などを利用して、NANDフラッシュメモリ内部を整理整頓するために自動的に実行する重要なバックグラウンド処理です。この機能は、特に「ストレージデバイス（HDD, SSD, NVMe） → SSD 技術 → コントローラ機能」という文脈において、SSDの性能維持と寿命延長に欠かせない、まさに縁の下の力持ちのような役割を果たしています。具体的には、すでに無効となった古いデータ（ごみ）が残るデータブロックを効率的に消去し、新しいデータを書き込むための空き領域を確保することを主な目的としています。

詳細解説

動作の必要性と目的

SSDで使用されるNANDフラッシュメモリには、HDDにはない決定的な制約があります。それは、「データの書き込みはページ単位で行えるが、データの消去は、そのページを含む大きな単位であるブロック単位でしか行えない」という点です。私たちがファイルを更新したり削除したりしても、実際には古いデータが書き込まれていた場所はすぐには消去されず、「無効なデータ」として残ってしまいます。

もしガーベジコレクションがなければ、新しいデータを書き込むたびに、コントローラはデータを保存するために完全に空のブロックを見つけなければなりません。しかし、SSDを使い続けると、有効なデータと無効なデータが混在した「ごみだらけ」のブロックが増えていきます。この状態では、新しいデータを書き込むために「有効なデータだけを別の空きブロックにコピーし、元のブロック全体を消去する」という非常に非効率な作業を、ホストOSからの書き込み要求の最中に行う必要が出てきます。

ガーベジコレクションの最大の目的は、この非効率性を解消することにあります。コントローラは、ホストからの要求が少ないタイミングを見計らって、この「データの整理と消去」を事前に済ませておくのです。これにより、SSDは常に「すぐに書き込めるきれいな空きブロック」を潤沢に用意しておくことができ、結果としてユーザー体験としての書き込み速度の低下を防ぎます。

コントローラ機能としての役割

このガーベジコレクションは、SSDの「コントローラ機能」の核心の一つです。コントローラは、NANDフラッシュメモリとホストシステム（PCなど）の間でデータのやり取りを仲介するCPUのようなものです。

ガーベジコレクションのプロセスは、以下のステップで実行されます。

無効データの識別: コントローラは、どのページに有効なデータが残っており、どのページが無効（削除済み、または上書き済み）になっているかを管理するマッピングテーブルを参照します。
データの移動（マージ）: 無効なデータが多く混在しているブロックを選びます。そのブロック内に残っている、まだ必要な有効なデータだけを抽出し、別の完全に空いているブロック、または他の有効データが少ないブロックに移動（コピー）します。
ブロックの消去: 有効なデータがすべて移動し、完全に無効なデータのみになった元のブロック全体を、まとめて消去します。この「ブロック消去」操作は時間がかかるため、バックグラウンドで処理することが非常に重要です。

この一連の作業をホストOSに意識させることなく、SSD側が自律的に行うことで、SSDの性能低下を防ぎ、さらにSSDの寿命（耐久性）を示す指標である書き込み増幅率（Write Amplification Factor: WAF）を低く保つことができます。WAFが低いほど、実際にNANDに書き込まれるデータ量が少なくなり、SSDは長持ちする、というわけです。これは、SSD技術がユーザーに高性能を提供する上で、コントローラが担う非常に重要な責務と言えますね。

具体例・活用シーン

倉庫の整理整頓という比喩

ガーベジコレクションの動作を理解するために、ある倉庫の管理を想像してみてください。この倉庫（SSD）は、大きな棚（ブロック）に区切られており、各棚には小さな箱（ページ）が入っています。

あなたは日々、この倉庫に様々な荷物（データ）を出し入れしていますが、この倉庫のルールは「棚を空にするには、棚に入っているすべての箱を一度に出して、棚全体を掃除しなければならない」という厳しいものです。

ある日、あなたは古い資料を捨てて、新しい資料を同じ場所に置いたとします。しかし、古い資料は実際には棚の中に「使わないけど残っている状態」のままです。新しい荷物を入れるスペースが少なくなってくると、倉庫の管理人（SSDコントローラ）は困り始めます。

ここでガーベジコレクションが発動します。

管理人は、営業時間が終わった後の静かな時間（アイドル時間）を見計らい、「この棚は古い荷物が多いな」と判断します。そして、まだ必要とされている数少ない荷物（有効データ）だけを、手際よく別の空いているきれいな棚に移動させます。すべての有効な荷物が移動したら、残った古い荷物（無効データ）と一緒に棚全体をきれいに掃除（ブロック消去）して、新しい荷物をすぐに受け入れられる状態にするのです。

もし管理人がこの作業を怠ると、新しい荷物が届いた瞬間に「ちょっと待って！今からこの棚の掃除をするから！」と作業を中断させ、結果として荷物の受け入れ（書き込み）が遅くなってしまいます。SSDコントローラは、この「アイドルタイムの整理」によって、常に最高のパフォーマンスを発揮できるように備えているのです。

TRIMコマンドとの連携

現代のSSDでは、ガーベジコレクションの効率を向上させるために「TRIMコマンド」が活用されています。TRIMコマンドは、ホストOSがファイルを完全に削除した際に、「このデータの場所はもう必要ありませんよ」という情報をコントローラに明示的に伝える指示です。これにより、コントローラはどれが無効データなのかを迅速に把握でき、ガーベジコレクションの対象ブロックをより正確かつ効率的に選定することが可能になります。これもまた、コントローラ機能がOSと連携して性能を高める好例と言えるでしょう。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート、基本情報技術者、応用情報技術者などの資格試験において、ガーベジコレクションはSSDの基本原理として頻出します。特に「ストレージデバイス」の分野で、HDDとの違いを問う問題の中で重要になります。

定義と目的:
- GCの定義: SSDのコントローラが実行する、無効なデータを消去し、空きブロックを確保するバックグラウンド処理である、と理解しておきましょう。
- 目的: 書き込み性能の維持、およびSSDの寿命（耐久性）を延ばすこと（WAFの低減）が主目的です。
動作原理:
- ブロック消去の制約: NANDフラッシュメモリは「書き込みはページ単位、消去はブロック単位」で行うという制約がGCの必要性を生んでいる、という点を必ず覚えてください。
- データ分類: 有効データ（Valid Data）を移動させ、無効データ（Invalid Data）が残ったブロックを消去する、という流れを理解することが重要です。
関連技術との区別:
- ウェアレベリング（Wear Leveling）: GCと並んでコントローラ機能の二大巨頭です。GCが「ごみ掃除」なら、ウェアレベリングは「均等利用」です。GCは空き領域を作る作業ですが、ウェアレベリングは特定のブロックに書き込みが集中しないよう、書き込み回数を平準化する作業です。この違いはよく問われます。
- TRIM: GCの効率を上げるために、OS側からコントローラへ無効データを通知するコマンドである、という関係性を把握してください。
性能への影響:
- GCは通常、アイドル時間に行われますが、空き容量が極端に少ない場合や負荷が高い場合、書き込み処理と競合し、一時的にSSDの書き込み速度が低下する原因となることがあります。この「性能低下」の可能性も、応用情報技術者試験などで問われる論点です。