デスクトップPCで大容量 HDD を使いつつ、SSD 並みの速度を得たい ── そんな要望に応えるのが Linux カーネル標準の dm-cache（lvmcache） だ。本記事では、2TB HDD のルートパーティションを NVMe SSD でキャッシュし、高速化している実際の構成を紹介する。

環境

ストレージ構成

NVMe SSD (WD Blue SN550 / 465.8GB)
├─ nvme0n1p1  200MB  EFI       → /boot/efi
├─ nvme0n1p3  243GB  BitLocker → Windows
└─ nvme0n1p6  221GB  LVM       → キャッシュプール (180GB data + 2GB meta)

HDD (Seagate ST2000DM001 / 2TB)
├─ sda1       928GB  BitLocker → Windows
├─ sda2       488GB  LVM       → ルートLV のオリジン (320GB)
└─ sda3       447GB  ext4      → /mnt/backup

LVM 構成:
  VG: vg_main
  ├─ root_lv        320GB  ext4  → / （キャッシュ済み）
  ├─ root_lv_corig  320GB        → オリジンデータ（HDD sda2 上）
  └─ cache_lv_cpool              → キャッシュプール（SSD nvme0n1p6 上）
      ├─ cpool_cdata  180GB      → キャッシュデータ
      └─ cpool_cmeta    2GB      → キャッシュメタデータ

ポイント

• Windows とのデュアルブート環境で、Linux パーティションのみ LVM キャッシュを適用
• HDD の 488GB パーティション上に 320GB のルート LV を配置し、SSD の 180GB でキャッシュ
• SSD の容量は HDD の約 56% をカバーしており、高いヒット率が期待できる

LVMキャッシュ（dm-cache）の仕組み

アプリケーション
      ↓
  root_lv（320GB / ext4 / マウント: /）
      ↓
  dm-cache（カーネル層）
  ├─ キャッシュ HIT  → SSD（NVMe）から高速読み出し
  └─ キャッシュ MISS → HDD から読み出し → SSD にキャッシュ保存

dm-cache は Linux カーネルの Device Mapper サブシステムに含まれるブロックレベルのキャッシュ機構。LVM2 が lvmcache コマンドとしてフロントエンドを提供しており、LVM の論理ボリュームに対して透過的にキャッシュを追加できる。

キャッシュモード

本構成では writethrough（デフォルト）を採用。読み込みが SSD 速度になり、書き込みの安全性も確保される。

キャッシュポリシー: smq

Linux 4.2 以降のデフォルトポリシー smq（Stochastic Multiqueue） を使用。アクセス頻度に基づいてキャッシュ対象を自動選択し、メモリ消費も少ない優れたアルゴリズム。

セットアップ手順

1. 前提条件

• LVM2 がインストール済みであること
• キャッシュに使う SSD パーティションが同じ VG に属していること

sudo apt install lvm2

2. 物理ボリューム（PV）の作成

# HDD パーティション
sudo pvcreate /dev/sda2

# SSD パーティション
sudo pvcreate /dev/nvme0n1p6

3. ボリュームグループ（VG）の作成

sudo vgcreate vg_main /dev/sda2 /dev/nvme0n1p6

4. ルート論理ボリューム（LV）の作成

# HDD 上にオリジン LV を作成
sudo lvcreate -L 320G -n root_lv vg_main /dev/sda2

# ファイルシステム作成
sudo mkfs.ext4 /dev/vg_main/root_lv

5. キャッシュプールの作成とアタッチ

# SSD 上にキャッシュプール LV を作成
sudo lvcreate --type cache-pool -L 180G -n cache_lv_cpool vg_main /dev/nvme0n1p6

# キャッシュプールをルート LV にアタッチ
sudo lvconvert --type cache --cachepool vg_main/cache_lv_cpool vg_main/root_lv

これだけで root_lv へのアクセスが自動的に SSD キャッシュ経由になる。既存のマウントポイントやファイルシステムの変更は不要。

6. 確認

# キャッシュの状態確認
sudo lvs -a -o +cache_mode,cache_policy vg_main

# Device Mapper の状態確認
sudo dmsetup status vg_main-root_lv

現在の使用状況

$ df -h /
Filesystem                    Size  Used Avail Use%  Mounted on
/dev/mapper/vg_main-root_lv  315G  107G  194G  36%  /

使用量 107GB に対してキャッシュが 180GB あるため、頻繁にアクセスされるデータのほぼすべてが SSD 上にキャッシュされ、高速にアクセスできる状態にある。

Bcache との比較

同じ「SSD で HDD をキャッシュする」仕組みとして Bcache がある（Raspberry Pi 5 での Bcache 構成記事を参照）。両者の違いを整理する。

LVM を既に使っている環境であれば lvmcache が管理しやすく、Bcache は LVM を使わない構成や Raspberry Pi のような環境で手軽に導入できる利点がある。

まとめ

LVM キャッシュは既存の LVM 環境に対して lvconvert 一発でキャッシュを追加でき、ファイルシステムの変更も不要という手軽さが最大の利点だ。2TB の HDD を 500GB の NVMe SSD でキャッシュすることで、日常的なデスクトップ用途ではほぼ SSD の速度で動作する環境を実現できている。

作成日: 2026年3月

Raspberry Pi 5 は USB や SATA 接続のストレージを活用できるが、大容量 HDD は読み書き速度が遅いという課題がある。
本記事では、安価な SSD をキャッシュとして使う Linux のカーネル機能 Bcache を活用し、HDD の速度を SSD 並みに引き上げる構成を紹介する。

環境

ストレージ構成

SSD (MSI S270 240GB / SATA)  ← キャッシュデバイス
 └─ sda2 (200GB) → bcache キャッシュ

HDD1 (1.8TB / sdb)
 ├─ sdb1 (1.5TB) ─┐
 └─ sdb2 (327GB)  ─┤
                   │ RAID1 (ミラーリング)
HDD2 (3.6TB / sdc) │
 ├─ sdc1 (1.5TB) ─┤→ md2  (1.5TB RAID1) → bcache0 → /data (1.5TB)
 └─ sdc3 (336GB)  ─┘→ md127 (327GB RAID1) → bcache1 → /     (327GB)

ポイント

• 2 台の HDD を RAID1（ミラーリング） で冗長化 → 片方の HDD が壊れてもデータを保護
• SSD をキャッシュ として RAID1 ボリュームに重ねることでアクセス速度を向上
• ルートパーティション (/) とデータパーティション (/data) をそれぞれ独立した bcache デバイスとして構成

RAID1（ミラーリング）の構成

RAID1 とは

RAID1 は 2 台以上のディスクに同じデータを書き込むミラーリング方式。
片方のディスクが故障しても、もう片方から読み出し続けられるためデータを失わない。

書き込み → [HDD1] ─┐
                   ├─ 同一データ
           [HDD2] ─┘

HDD1 故障時 → HDD2 から自動的に読み続ける（無停止）

本構成での RAID1

RAID1 セットアップ手順（mdadm）

1. mdadm インストール

sudo apt install mdadm

2. RAID1 アレイ作成

# /data 用 (1.5TB × 2)
sudo mdadm --create /dev/md2 --level=1 --raid-devices=2 /dev/sdb1 /dev/sdc1

# / 用 (327GB × 2)
sudo mdadm --create /dev/md127 --level=1 --raid-devices=2 /dev/sdb2 /dev/sdc3

3. 設定を永続化

sudo mdadm --detail --scan | sudo tee -a /etc/mdadm/mdadm.conf
sudo update-initramfs -u

RAID1 の状態確認

cat /proc/mdstat

正常時の出力例：

md2 : active raid1 sdc1[1] sdb1[2]
      1610480640 blocks super 1.2 [2/2] [UU]

md127 : active raid1 sdc3[0] sdb2[1]
      342768704 blocks super 1.2 [2/2] [UU]

[UU] = 両ディスク正常稼働。[_U] や [U_] になった場合は片方が故障。

故障時の対応

# 故障ディスクを取り外す
sudo mdadm /dev/md2 --fail /dev/sdb1 --remove /dev/sdb1

# 新しいディスクを追加してリビルド
sudo mdadm /dev/md2 --add /dev/sdb1

# リビルド進捗確認
watch cat /proc/mdstat

Bcache の設定内容

bcache0（/data 用・1.5TB）

bcache1（/ 用・327GB）

キャッシュヒット率（実績）

ルートパーティションで 96% のキャッシュヒット率を達成しており、HDD 単体と比較して体感速度が大幅に向上している。

Bcache の仕組み

アプリ
  ↓
bcache（カーネル層）
  ├─ キャッシュHIT → SSD から高速読み出し（μs オーダー）
  └─ キャッシュMISS → HDD から読み出し＆SSD にキャッシュ保存（ms オーダー）

writeback モードとは

書き込みリクエストをまず SSD に書き込み、後から HDD へ非同期に反映するモード。

• メリット: 書き込み速度が SSD 速度になる
• デメリット: SSD が突然故障した場合、キャッシュ上の未書き込みデータが失われる可能性がある（本構成では RAID1 で HDD 側を保護）

Bcache セットアップ手順（概要）

1. パッケージインストール

sudo apt install bcache-tools

2. キャッシュデバイスの作成（SSD 側）

sudo make-bcache -C /dev/sda2

3. バッキングデバイスの作成（HDD/RAID 側）

sudo make-bcache -B /dev/md2
sudo make-bcache -B /dev/md127

4. キャッシュデバイスを登録・アタッチ

# キャッシュセット UUID を確認
ls /sys/fs/bcache/

# バッキングデバイスにキャッシュをアタッチ
echo <UUID> | sudo tee /sys/block/bcache0/bcache/attach
echo <UUID> | sudo tee /sys/block/bcache1/bcache/attach

5. キャッシュモードを writeback に変更

echo writeback | sudo tee /sys/block/bcache0/bcache/cache_mode
echo writeback | sudo tee /sys/block/bcache1/bcache/cache_mode

6. 設定を永続化（/etc/rc.local や udev ルールで起動時に適用）

# /etc/rc.local の例
echo writeback > /sys/block/bcache0/bcache/cache_mode
echo writeback > /sys/block/bcache1/bcache/cache_mode
echo 0 > /sys/block/bcache0/bcache/sequential_cutoff

現在の使用状況

/dev/bcache1 (/)    321GB 中 117GB 使用（39%）
/dev/bcache0 (/data) 1.5TB 中 601GB 使用（42%）

まとめ

Raspberry Pi 5 のような非力なシングルボードコンピューターでも、Bcache を組み合わせることで 実用的なファイルサーバー・ホームサーバー として活用できる。
96% というキャッシュヒット率は、日常的なワークロードではほぼ SSD の速度で動作していることを意味する。

作成日: 2026年3月

OpenAIの基本的な使い方を備忘録として記載。

Toolsを使った呼び出し例

ちなみに後で2台目のHDDを準備する場合は、以下のコマンドのようにmissingを指定すれば、
1本のHDDでRaid1(ミラー）の縮退構成としてセットアップすることができる。
mdadm --create /dev/md0 --level=1 --raid-devices=2 missing /dev/sda1

/proc/mdstatを見ると、Raidの状態を確認することができる。

ちなみに、HDDが準備できたら、以下のコマンドで組み込めばOK

mdadm /dev/md0 -a /dev/sdXX

PCとMicroSDカードが書き込める環境がること

OSの入手方法

RaspberryのサイトからインストーラーをRaspberryPIで認識させるためのSDカードを作るためのソフトウェアを入手する

OSは、以下から選択。デスクトップ（GUI）を使わなければLiteで十分。

あとは、書き込んだSDカードをRaspberryPIに差し込んで起動する

SSHの有効化

必須ではないが、RaspberryPIのコンソールからインストール作業をするのはちょっと不便なので、SSHを有効化する。
sudo raspi-config

でコンフィグ画面を起動し３を選択

次にI1を選択

I1を選択しSSHを有効化。

RaspberryPI独自のコマンドとして、サーバにSSHホスト鍵が存在しない場合に生成することができる以下のコマンドを必要に応じて実行

ssh-key-gen -A

補足説明

インターネット回線は一般家庭のフレッツ光などの回線を使っており課金して固定IPとしていないため、IPアドレスが変更されても問題とならないDDNSでドメイン登録する方法を選んだ。
私はサブドメインでもいいので無料で使えるDDNS Now(https://ddns.kuku.lu/)を利用（無料）した。
※サブドメインなのでf5.siの下にgontaを申請。IPアドレスがころころ変わるので、
　DDNS Nowに向けて定期的にIPアドレスを通知

更に、SSL用証明書は、無料のLet’s Encryptを利用を利用した。
余談だけど、今は無料でブラウザから信用されている認証局から発行される証明書を取得できるなんて便利な世の中だと思う。
このサービスで発行される証明書の有効期間は数日とかなり短いため、定期的に更新するスクリプトを実装する必要がある。

余談

Raspberry Piのボードに内蔵されているWifiユニットが不安。
※後で調べてみたところ、省電力モードをOFFにすると改善されるという事例あり。
私は無線は使っていないので未検証。
特にCPU使用率が高い際は、ノイズがでているようで頻繁にWifiが切れてしまう。そのために有線接続を実施

補足説明

インターネット回線は一般家庭のフレッツ光などの回線を使っており課金して固定IPとしていないため、IPアドレスが変更されても問題とならないDDNSでドメイン登録する方法を選んだ。
私はサブドメインでもいいので無料で使えるDDNS Now(https://ddns.kuku.lu/)を利用（無料）した。
※サブドメインなのでf5.siの下にgontaを申請。IPアドレスがころころ変わるので、
　DDNS Nowに向けて定期的にIPアドレスを通知

更に、SSL用証明書は、無料のLet’s Encryptを利用を利用した。
余談だけど、今は無料でブラウザから信用されている認証局から発行される証明書を取得できるなんて便利な世の中だと思う。
このサービスで発行される証明書の有効期間は数日とかなり短いため、定期的に更新するスクリプトを実装する必要がある。

余談

Raspberry Piのボードに内蔵されているWifiユニットが不安。
※後で調べてみたところ、省電力モードをOFFにすると改善されるという事例あり。
私は無線は使っていないので未検証。
特にCPU使用率が高い際は、ノイズがでているようで頻繁にWifiが切れてしまう。そのために有線接続を実施