SSD 周りの用語まとめ（M.2，PCIe，SATA，AHCI，NVMe）
SSD 関連の用語で違いがよく分からなかったりしませんか？ 特に，M.2，PCIe（PCI Express），SATA（Serial ATA），AHCI，NVMe（NVM Express）などの用語が飛び交っていて，筆者も少しあいまいだったので，今回調査してまとめてみました．
概要
- M.2 は「フォームファクタ」と言って，コネクタの物理的な形の規格名です．
- PCIe と SATA はどちらもシリアル通信を用いる周辺機器のインターフェース規格です．
- AHCI と NVMe はどちらもホストが SSD を制御するためのコントローラの規格です．
簡単にまとめると上記の通りです．以下，もう少し詳細に説明していきます．
M.2
M.2 は SSD などの周辺機器をマザーボードに取り付けるためのコネクタ形状の規格です． 単なるコネクタ形状の規格であり，ホスト側との通信インターフェースは M.2 規格のスコープ外です． 現在のところ PCIe や SATA，USB，I2C などの，シリアル通信インターフェースがいくつかサポートされています（M.2 の切り欠きの位置で，どれに対応する製品なのかを見分けることになっているらしい）．
PCIe と SATA
どちらもシリアル通信の規格です． 通信路自体の規格であり，また機器のインターフェースについての規格でもあります． ですから，「この機器のインターフェースは PCIe（もしくは SATA）である」と表現できます．
PCIe は汎用的なバス規格であり，SSD に限らずさまざまな機器が PCIe 規格に準拠しています．
PCIe は 1 レーンあたりの通信帯域が決められていて，それをいくつか束ねることにより，最大 x16 まで通信帯域を稼ぐことができる仕様です． 最近の SSD は 4GB/s（約 40Gbps）程度の読み取り速度がある製品も存在します． 最新規格の PCI Express 4.0 であっても複数のレーンを必要とする程度には SSD の性能が高くなってきています．
一方で SATA はもともと，HDD を接続するための ATA という規格を引き継いで生まれた規格です． SATA の最新規格でも通信帯域は 6Gbps であり，PCIe に比べると遅めの規格です． さらに SATA は PCIe のように複数本束ねることはありません（SATA Express という規格では 2 本束ねることで増速していますが，PCIe のように自由に本数を増やすことはできません）ので，PCIe に比べて速度面では不利です．
HDD の時代は HDD が低速な機器だったため，6Gbps も速度が出る SATA で何も問題はありませんでした． これは SSD が出て間もないころも同じ状況でした．
しかし SSD の性能が飛躍的に上がったことで，すぐに 6Gbps では帯域が足りなくなりました． このことが，SSD を選ぼうとしたときに SATA や PCIe といった似たような用語が登場する要因となっています．
AHCI と NVMe
どちらもホスト側と SSD（や HDD）の橋渡しを行う，ホストコントローラの規格です．
AHCI はコントローラと機器を SATA で接続することを前提とした規格です． 混乱しやすいですが，AHCI とホストコントローラ間は PCIe で接続されます．
ホスト（パソコン） --[PCIe]--> AHCI ホストコントローラ --[SATA]--> SSD1
|--[SATA]--> SSD2
AHCI は SATA を利用する関係で，規格上の最大通信速度は 6Gbps です． 規格上の，というのは，AHCI にはそのホストコントローラが対応する最大の速度を表示する読み取り専用のレジスタ（Interface Speed Support）があり，そこに設定できる値として Gen 1，Gen 2，Gen 3 しか決められていないのです． 最も速い Gen 3 が 6Gbps ですので，AHCI の規格上の最大通信速度は 6Gbps だ，と言えます．
一方で NVMe は，コントローラが機器に直接乗った構造になっています．
ホスト（パソコン） --[PCIe]--> SSD（NVMe コントローラ付き）
NVMe コントローラと SSD 間は内部的な配線で接続されているため，コントローラと SSD 間の通信速度には上限がなく，SSD の性能と PCIe の性能の遅い方に律速されます．
AHCI で 6Gbps を超える謎
AHCI は実績があり多くの OS がサポートしていますから，互換性の面では有利です． 少なくとも，2016 年の段階では有利だったようです．
NVMeとAHCIの違いを理解する ～SSDのインターフェースを理解する 3～ では， 「Samsung SM951（512GBモデル）のNVMe版とAHCI版のスペックの違い」として，同じ半導体メモリを使っていながらコントローラが異なる製品を紹介しています． スペックを比較した表を見ると，NVMe 版，AHCI 版ともにシーケンシャルリードが 2150MB/s となっています．ビットレートにすると大体 20Gbps 程度ですね．
NVMe 版は理解ができます．PCIe は何レーンか束ねることで 20Gbps 以上の速度を稼ぐことができます． 一方，AHCI 版は規格上の上限値よりだいぶ速い値が出ており，謎です． SATA を使う以上 6Gbps を超えることはできないはずです．
そのような製品の構成を推測してみると，おそらく次のようになっていると考えられます．
ホスト（パソコン） --[PCIe]--> SSD（AHCI ホストコントローラ付き）
AHCI ホストコントローラを SSD 機器に乗せてしまう，というのがミソです． そうすれば SATA ケーブルを使わず AHCI と SSD を直接配線できますから，物理的な通信速度が 6Gbps に制限されることはありません． AHCI の最大通信速度の表示はとりあえず「6Gbps」ということにしておいて，実際にはそれより速い速度で通信してしまえばいいのです．
私が検証したわけではありませんが，記憶装置用のベンチマークソフトを長年開発している hiyohiyo 氏によると， 実際には 6Gbps を大きく超える速度で読み書きができるが，機器に問い合わせを行うと「SATA/600」（6Gbps のこと）と返答が来るのだそうです．
AHCI で制御できるにも関わらず 6Gbps より速い読み書きができる SSD は，NVMe コントローラ用のドライバが普及していない過渡期には重宝したようですね． ただ，AHCI は互換性で有利だったのですが，AHCI の設計がレイテンシの大きな HDD に最適化されており，並列処理をすることで速度を稼ぐ NVMe には合わなかったため，2018 年現在では NVMe が普及しています．
