PCのボトルネック、転送速度や処理速度の実測値や考え方

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ボトルネック(bottleneck)とは、ボトルの首の部分だけ細くなっているように、移動量に妨げのある部分を指す。そして、AtomやFsuionにボトルネックは感じない、音楽を聴いて、動画を高画質で見て、ブログを書き換える程度の操作には。

情報の移動経路ーおおまかな説明

一般的にHDD(ハードディスクどらいぶ)からデータと命令(あるいはプログラム)を取ってきて、容量は少ないけど移動速度の速いいくつかのキャッシュ(一時保存場所)にそれらをコピーして置いておき、CPU(しーぴーゆー、Centralなんとかの略、中央演算装置)で処理し、GPU(じー-、Graphicsなんとかの略、モニタに映し出すための映像を処理するCPU的なもの)に渡し、ユーザーインターフェース(UI)のモニタに出力する。表示され、UIのマウスからクリックされたりキーボードから入力があると、入力された命令を反映するため、どこかのキャッシュにデータを取りに行く。キャッシュの容量内に収まらないときは、HDDまでデータを取りに行き処理する、ということを繰り返す。

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画像のボトルネックはペットボトルの首。
転送口をペットボトルの首の規格に最適化し
お米や液体を移動する処理を高速化する。

モニタ。

GPU。処理速度850MHz(-めがへるつ)など。文字だけだと、高速な処理速度は必要ない。高精細度動画(HD品質)とか、3Dに立体化させるなどすると、早い処理速度が必要とされる。

CPU。L1キャッシュに入ったデータと命令を処理する。処理速度1.6GHz(いってんろくぎが)など。

CPUに直結した、L1キャッシュ(level1 cache)。データ容量32KB(-きろばいと)など。

CPUに直結した、L2キャッシュ(level2 cache)。512KB~2MB(-めがばいと)など。

メモリ。これもキャッシュで、L3キャッシュがなければ3個目のキャッシュ。128MB(いちにっぱ)、256MB(にごろ)、512MB(ごーいちに)、1GB(いちぎがばいと)、8GBなど。DDR3メモリが主流。

ドライブ。しばしばHDD。500GB(ごひゃくぎが-)。1TB(いちてら-、1024GB、約1000GB)など。HDDは。ガラスのようなもので、衝撃で割れてしまう。技術が向上し、量産価格が下がり次第、さらに高速で、3階から落としても壊れない[1]SSD(えすえすでぃー、そりっどすてーとどらいぶ)に移行する。

チップセット

チップセットは、CPUからドライブまでに、どれくらいのデータの処理速度のものが、あるいは、どれくらいのデータの転送速度と容量が接続できるかが、ある程度決まったチップのセットのこと。チップセットをGPUまで含み、CPUやメモリの容量まで固定した設計にして、部品を減らして消費電力を減らす。すると、携帯電話のよう小型で持ち運べるようになる。PC用途で、ある程度の性能と省電力を兼ねたチップセットがあり、省電力CPUと省電力のGPUの製品に、CPUのAtomやGPUのION、CPUとGPUを統合したFUSIONがあります。

転送速度

1秒あたり何MB転送できるかを、何MB/s(sは、1sec、1 second、1秒)と表します。計測にCrystalDiskMark[2]といったソフトが使えます。以下、何MB/sは大きなファイルの読み込み速度(シーケンシャルアクセス)を書いています。

HDD

HDDは、プラッターのサイズと回転速度(7200rpmか5400rpmか)だいたいの転送速度の限界が分かります。現時点の500GBプラッター(回転速度7200rpm)、667GBプラッター[3](回転速度5400rpm)で、145MB/sぐらいがHDDの転送速度の限界です。ただし、非常に安く、日立の品番「0S02600」だと500GBで3000円台で買えます。日立の3TBのHDD、600GBプラッター(回転速度は7,200rpm)を5枚のものが160MB/sで最速です[4]
・HDD、100GB前後:30MB/s。
・HDD、500GB~2TB:100~145MB/s。
HDDやSSDをつなぐ規格のシリアルATA(しりあるえーてぃーえー、SATA)1.0では、理論上1.5Gbps(187.5MB/s、bpsはビット毎秒、8ビットは1バイトのこと。)が最大転送速度として定められていました。SATA2.0では、読み書き命令を最適化するNCQをサポートし、NCQが有効になるAHCIモードで動作させると10%ぐらい転送速度が上がります。

SSD

このサイトでは省電力化も狙ってるので、プラッター1枚のHDDを考えます。プラッター1枚のHDDは、現在500GBプラッターまで製品化しています。
東芝が512GBのSSD「THNS512GG8BB」は220MB/s、トランセンド社の「TS512GSSD25S-M」が260MB/s、価格は10万円前後。HDDの20倍の価格。SATA2.0では、理論上3Gbps(375MB/s)が最大の転送速度として定められました。
SSDはHDDと違い、ランダムアクセス(小さなファイルへのアクセス)の速度が早いので、大量の小さなファイルを読み込む処理、たとえばWindowsなどのOSを起動するといった処理が早くなります。OSをインストールするだけなら、64GBもあれば十分でそれだと1万円ぐらいの製品があり、200MB/sを超えます。SSDの容量を超えてディスクを使っている場合、データ保存用にHDDが必要になり、2個のディスクとなると省電力化と相反するので筆者はHDDで済ませています。
・SSD、古いもの:70MB/s。
・SSD、だいたい:100~220MB/s。
・SSD、早いもの:480MB/s[5]
最新のSATA3.0では、6Gbps(750MB/s)が最大の転送速度として定められています。チップセットがどのバージョンのSATAをサポートするのかによって、最大の転送速度にボトルネックが来ます。たとえば、480MB/sのSSDをSATA2.0対応のチップに接続しても、転送速度は理論上375MB/sが限界で、実測値としてはもう少し落ちるでしょう。

HDD・SSDのRAID

2台以上のディスクで、RAID(れいど)を組むと、簡単に言えば掛け算式に転送速度が上がります。240MB/sのSSD4台で800~900MB/sの転送速度が出ています、Windowsの起動時間は掛け算式に早くなっていません[6]。16台で3.4GB/sというのもあります[7]

USBメモリ

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前シリーズが防水世界最小サイズで登場したが弱くて割れた。転送速度も遅い。
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まず、USB2.0の規格として480Mbps(60MB/s)が理論上の限界と定められていて、実際のUSBメモリになると25MB/sぐらいが平均だと思います。
・USBメモリ、USB2.0対応、古いもの:5MB/s。
・USBメモリ、USB2.0対応、最近のもの:25MB/s。
2010年にUSB3.0に対応した製品が発売されました。USB3.0の規格は理論上の5Gbps(625MB/s)が限界です。USBポートのほうも3.0に対応している必要があります。
・USBメモリ、USB3.0対応:50~70MB/s。

SSDをUSB3.0でつなぐ

SATA接続で253.1MB/sのSSDを、USB.3.0で接続したところ、134.7MB/sに転送速度が落ち、USB2.0では37.7MB/sに落ちたので、USBの理論上の限界値より大分遅い速度が[8]、技術的にボトルネックになっています。

メモリを使ったRAMディスク

メモリは、上述のようなディスクドライブより上位にあるキャッシュなので、これをディスクドライブとして利用しようと猛者(もさ)による死闘(しとう)が繰り広げられています。

i-RAM、2005~2008年。

2005年には、日本ギガバイト社から「i-RAM」という、メモリをHDDのように使う商品が発売されました。DDR-400のメモリ4枚でRAIDし、SATA1.0で接続し、i-RAMは133MB/s、比較対象のHDDは50MB/sでした[9]。i-RAMを2台RAIDし268.4MB/s[10]、4台RAIDし390.9~516MB/s[11]、6台RAIDし691MB/s[12]出ました。
2008年には、1つの製品でSATA接続2つでRAIDできるACARD社の「ANS-9010」では、338.3MB/s[13]、368.7MB/s[14]出て、比較対象に240MB/sのSSDが挙がっています。「ANS-9010」4台のRAIDで1048MB/sに達した[15]。そして、SSDに座は奪われていくのか?

RAMディスクを作るソフト

メモリの価格が下がり、チップセットも4GB以上のメモリを認識するようになりました。Windows(32bit)では3.2GBまでしかメモリを認識しないので、認識されていない部分を使うソフト、「VSuite Ramdisk」などが登場します[16]。メモリの種類によって250~5000MB/s程度[17]。メモリは電源が入っている時にだけ、読み書き可能で保存処理をしなければ、データは消える。「インターネット一時ファイル」の保存先にすれば、セキュリティも安心です。

ケーブル

SATAケーブル、USBケーブル、LANケーブル、など各ケーブルも規格が合っていなければ、下位のバージョンで接続されるので理論値が落ち、ボトルネックに。ハブも同じく。

記録メディア、光学メディア

基本的に、読み込み・書き換えがHDDより遅い。容量が少ないか、コストが高い。品質の高い記録メディアはデータの保存に向く。

  • CD:650MBないし、700MB。1回書き込み型のCD-Rと、1000回書き換え可能なCD-RWがある。
  • DVD:4.7GBか片面二層で8.5GB。共にRとRW。
  • BD(Blu-ray Disk):23.3GB、BD-R XL四層で128GB。

ネットワーク

LAN

LANの規格と転送速度
有線/無線 規格名 規格上の速度 実効速度[18] 転送速度
有線LAN 10GBASE-T 10Gbps   210.9MB/s[19]
1000BaseT 1000Mbps   50MB/s[20]
100BaseTX 100Mbps 60Mbps 7.5MB/s(理論値で12.5以下)
PLC 190Mbps 40Mbps 5MB/s
無線LAN 802.11n 300Mbps 120Mbps 15MB/s
802.11n ドラフト 100Mbps 50Mbps 6MB/s
802.11g 54Mbps 20Mbps 2.5MB/s
802.11a 54Mbps 20Mbps 2.5MB/s
802.11b 11Mbps 5Mbps 0.6MB/s

ネット接続

  • 1Gbps(125MB/s):光、ギガ
  • 100Mbps(12.5MB/s):光、光ファイバーは理論値に近い速度も出やすい
  • 640K~50Mbps(6.25MB/s):ADSL、ADSLは理論値よりかなり低くなることも
  • 下り40Mbps(5MB/s):UQ WiMAX
  • 下り7.2Mbps(0.9MB/s):Pocket WiFi
  • 下り7.2Mbps(0.9MB/s):FOMAハイスピード、NTT DoCoMo
  • 下り9.2Mbps(1.1MB/s):WIN HIGH SPEED、au

7、8年前はインターネットの接続速度がボトルネックで、56Kbps程度に最適化された、文字が中心のサービスが流行っていました。

  • 384Kbps:FOMA、NTT DoCoMo
  • 下り30Mbps:iTSCOM、かっとびワイド[21]
  • 640kbps~1.5Mbps:ADSL、東京めたりっく通信[22]
  • 理論値56Kbps(8KB/s):テレホーダイ、実行速度48Kbpsとか出た。

サーバー

ネットワークの向こうのコンピューター。サーバー側にボトルネックがあることも。Twitterのサーバーに負荷がかかりすぎて反応が無いとか。

プログラム

プログラムはCPUへの命令のセット。上手なプログラムは少ない命令で多くのことをこなす。

Windows XPの設定

動く視覚効果を切ります。「システムのプロパティ」の「詳細設定」の「パフォーマンス」の「設定」で、「パフォーマンスを優先にする」を選択し、すべてOFFにしてから「カスタム」を選択。上から、「ウイ」「スク」「デス」「ドラ」「マウ」にチェック。パソコンのライトユーザーには「ウイ」は2回で最大化と最小化の視覚エフェクトを残します。

ブラウザ

googleクロームは、高速な描画、直観的な操作、自動で次のページを表示するAutoPagerizeで便利です。Flash PlayerもPDF Readerも内蔵されていて、自動更新されます。

ショートカット、ランチャー。ショートカットキー、マウスジェスチャー。

よく使うプログラムは、使いやすい場所にショートカットを作ります。あるいは、ランチャーごといろんなプログラムをUSBメモリに入れておけば、パソコンもあまり関係なくなる。ショートカットキーを覚えておくと便利です。マウスジェスチャーソフトに「右クリックしながら左ドラッグ」で、「戻る」操作である「Altを押しながら←キー」を割り当てておく。ファイラーもIEもChromeもFireFoxも「右クリックしながら左ドラッグ」で、「戻る」とか。

あるパソコンの分析

90nm(なのみり、nmが小さくなるほど、高速大容量で低消費電力化する)で作られた1.5GhzのCPU、L1キャッシュがデータ・命令ともに32KBで、L2が1MB、200Mhzで動作するDDR2メモリが2GB、SATA2.0のHDDが接続されており、実行速度がシーケンシャルで30MB/s程度、無線LANは54Mbpsで接続され、インターネットにはADSLが使われていると思われる。実行速度20MB/s前後のUSB2.0のUSBメモリを挿し、音楽を聞きランチャーを立ち上げる、ランチャーからUSBメモリに入れたFireFoxを立ち上げるのに時間がかかるので、クロームをインストールした。FireFoxは、Twitterに安全に暗号化通信をするために、電子フロンティア財団(EFF)のhttps everywhereが使えるので、そのためにだけ使う(2011年3月15日に、Twitter自体が暗号化通信に対応したためTwitterがChromeよりも軽快に動作しないFireFoxの使用頻度は減っている[23])。ADSLの速度が遅いので動画のダウンロードの遅延がボトルネック、HDDの読み込み速度がボトルネックでLibreOfficeの起動が遅いが、LibreOffice Calcでグラフを書いたあとにHTMLで書くんだからTABLEタグでいいと気づいたのでどうでもいい、チップセットが古くHDDの並列処理に適さないためかCPUが1つのためかソフトウェアを立ち上げるときに少し固まる。

外部リンク

脚注

  1. [^]「SSDを3階から落とす実験」動画:起動は大丈夫?(WIRED VISION、2008年10月2日)
  2. [^]CrystalDiskMark – (Crystal Dew World)
  3. [^]1プラッタ667GBのHDDが初登場、2TBのWD製実売価格は1万円強(AKIBA PC Hotline!、2010年5月29日号 )
  4. [^]■平澤寿康の周辺機器レビュー■日立グローバルストレージテクノロジーズ「Deskstar 7K3000」~SATA 6Gbps対応の3TB HDD(PC Watch、2011年2月15日)
  5. [^]CORSAIR、容量256GB、読み込み480MB/sec、書き込み320MB/secのSSD(PC Watch、2011年2月4日)
  6. [^]久保勇 実測1GB/sオーバー、6Gbps対応の最速RAIDカードを試す(AKIBA PC Hotline!、2009年11月14日号)
  7. [^]
    [不定期連載]PCパーツ最前線:LSIロジックに聞く「6Gbps RAIDカード」~公称2,500MB/s、コンシューマーにも本格参入~(AKIBA PC Hotline!、2010年2月27日号)
  8. [^]編集部 南田 USB3.0の転送速度を試す!(週刊アスキーPLUS:編集者ブログ、2009年10月26日)
  9. [^]wakasugi ギガバイト「i-RAM」ファーストインプレッション~読み込み速度133MB/secを確認(PC Watch、2005年8月19日)
  10. [^]久保@i i-RAM BOXを初代i-RAMと比べてみた(AKIBA PC Hotline! Junk Blog、2008年4月19日)
  11. [^]久保@i i-RAM4枚でRAIDカードを比べてみた(AKIBA PC Hotline! Junk Blog、2007年12月31日)
  12. [^]久保@i i-RAM×6台を使ったRAID 0の動作デモ開始(AKIBA PC Hotline! Junk Blog、2008年4月19日)
  13. [^]DDR2対応のRAMディスクデバイスがデモ、ACARD製デモではリード338MB/sも(AKIBA PC Hotline!、2008年8月9日号)
  14. [^]久保勇 DDR2対応RAMディスク「ANS-9010」を試す(AKIBA PC Hotline!、2008年11月8日号)
  15. [^]ANS-9010 の Adaptec RAID 5805 を用いた RAID実験
  16. [^]OS管理外メモリ領域へRAMディスクを構築できるフリーソフト「VSuite Ramdisk」(窓の杜、2009年6月11日)
  17. [^]RAMディスク MB/s(Google 検索)
  18. [^]過去に計測したものなど適当に
  19. [^]RJ-45対応の10GbpsLANカードが店頭発売、動作デモ中(AKIBA PC Hotline!、2009年11月21日号)
  20. [^]1000BASE-T対応HUB導入で、ネット環境を快適化(ドスパラ – 製品レビュー)
  21. [^]iTSCOM、CATVインターネットに最大下り30Mbps、上り10Mbpsの接続サービス(BB Watch、2001年10月24日)
  22. [^]nagasawa 東京めたりっく通信、ADSLによる月額5,500円の常時接続サービス(INTERNET Watch、1999年10月18日)
  23. [^]永沢茂 Twitter.com、常時HTTPS接続にする設定オプションを追加(INTERNET Watch、2011年3月16日14:45)

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