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公開 October 10, 2023

著者 Yuyang Sun

記事

QLC をメインストリームで採用するための考慮事項

QLC SSDが、より広範なデータセンター・ストレージのコスト削減と成果を向上させる方法

Depiction of QLC SSDs using large datasets for zoned namespace or flexible data placement.
Depiction of QLC SSDs using large datasets for zoned namespace or flexible data placement.

指数関数的な成長と、より経済的で高密度なストレージ・ソリューションの必要性により、フラッシュ・テクノロジーは、2D から 3D アーキテクチャー、数十層から 数百層、SLC や MLC から TLC や QLC へと進化しました。

3D QLC NAND は、進化するにつれて着実に牽引力を獲得し、消費者や拡大するエコシステムから大きな支持を獲得した結果、現在では主要なフラッシュ NAND テクノロジーとして位置づけられています。 QLC ベースの SSD は、市場で利用可能な選択肢と比較して、環境の持続可能性、スケーラビリティ、コスト効率、ストレージ容量に優れています。 この記事では、QLC テクノロジーの需要が継続的に増加している理由を掘り下げ、QLC SSD と確立されたストレージ・デバイスオプションを包括的に比較しています。 この比較は、データセンター・アーキテクトが、ストレージのニーズに最適な選択を行うために必要な知識をつけることを目的としています。 QLC がメインストリームに受け入れられる準備が整っているかどうかの調査に着手する前に、QLC の定義と業界標準を簡単に説明します。 QLC とは  QLC は、各 NAND セルが 4 ビットのデータを格納するクアッドレベル・セルを表します。. 数字が示すように、この1つ多いビットにより今日出荷されている最も一般的な NAND フラッシュであるトリプルレベル・セル (TLC) よりも高い密度を実現します。 この第 4 のビットは、粗い IU による DRAM の削減など、SSD レベルでのその他のコスト削減を考慮しなくても、コスト削減とともに面積密度が瞬時に増加します。 この利点により、ソリダイム 192L QLC の面積密度 (18.6 Gb/mm sq) は、少ない層であっても、同等の TLC NAND よりもはるかに優れています。 [1] 4ビットを格納するには、QLC セルは、TLC の2倍の 16 電圧レベルのライトとリードを行う必要があり、NAND レベルで TLC よりも比較的低いプログラム/消去 (P/E) サイクルと入出力 (I/O) 速度につながります。   ただし、SSD のパフォーマンスと耐久性は、ドライブレベルでのさまざまな要因の影響を受けます。 これらは、I/O インターフェイスの速度、ファームウェアの最適化とチューニング、オーバープロビジョニング、コントローラーとチャネル構成を網羅しており、これらすべてが、NAND コンポーネント単独の固有の特性を補完します。

同様に、NAND コンポーネント自体以外にも、SSD の品質と信頼性は、運用環境、多様なアプリケーションにわたるファームウェアとハードウェアの全体的な回復力と整合性、製造プロセスの精度、データ保護メカニズムの有効性に大きく依存しています。

ソリダイム QLC NAND テクノロジーは、2017年の創業以来、4世代にわたる開発で進化し、耐久性、パフォーマンス、ストレージ密度の面で大幅な改善につながりました。 

QLC の世代とワークロードは、64 ~ 144 ~ 192 のレイヤーで、TLC および QLC に適合しています。

図 1. ソリダイム QLC NAND の進化

この記事の今後のセクションでは例としてソリダイム D5-P5336D5-P5430 を使用し、QLC ドライブが達成できる総保有コスト (TCO) とパフォーマンスを挙げていきます。

QLC に備わる広範囲採用に向いた特性

QLC の幅広い採用に向けた準備を分析するにあたり、ベンダーの準備、データアクセス・パターンの調整、エコシステム、コストという4つの重要な側面に焦点を当てていきます。 では、それぞれ見ていきましょう。

ベンダー準備

大手 NAND および SSD メーカーは、クライアントとエンタープライズ向けの QLC ベースの NAND および QLC SSD の大量生産をすでに開始しています。 とりわけ、Forward Insights は、QLCの市場シェアは2025年までに30%に成長すると予測しています。[2] その代表的な例として、ソリダイムは、第 4世代のデータセンター QLC SSD にすでに進化しています。 ソリダイム QLC シリーズ D5-P5336 の最新世代は、シーケンシャル・ライトでは最大 213 PBW 、ランダムライトでは最大 65 PBW の書き込み (PBW) という素晴らしい書き込み (PBW) を誇っており、1 日あたりのランダムドライブ・ライト (DWPD) は 0.58 に匹敵します。業界全体にわたる投資と現在進行形で進められている QLC テクノロジーの強化に対する持続的な取り組みは、その継続的な成長の要となります。

データアクセス・パターンのアライメント

データセンター・ストレージ・ソリューション向けのデータ転送サイズとリードの主導ワークロード・ゾーンのグラフィック。

図 2. データセンターのワークロード

今日のデータセンターでは、主要なワークロードは、より大きなデータ転送サイズを持つリード集約型のオペレーションで構成されています。 ストレージ・アーキテクトは、コストを削減して、より迅速で一貫したデータリードアクセスを容易にするシステムの設計に力を入れています。 同時に、ファイルシステムとストレージ・エンジンは、パフォーマンスを最適化するためにライト・IOを形作り、ライト帯域幅を効果的に最大化し、フラッシュ・ドライブの寿命を延ばします。 さらに、ドライブの容量が増加するにつれて、DWPD (ドライブ・ライト/デイ) 評価で示されるドライブの耐久性に対する要件は、同じペタバイト数ライト (PBW) で減少します。 (PBW).

QLC と TLC SSD のリード / ライト・ワークロードと耐久性について詳しく説明した表

表 1. パフォーマンスと耐久性の面での QLC SSD と TLC SSD との比較

ソリダイム D5-P5536 シリーズのパフォーマンスに裏打ちされた、QLC ベースのフラッシュ・ドライブは、ランダムライト集約型でないユースケースで大きな価値を生み出し、最新のデータセンターに非常に適した選択肢であることが証明されています。 OPEX (運用支出) を減らすだけでなく、パフォーマンスに最小限の妥協なく、TLC の代替品と対照的に、従来の SATA/SAS ハードディスク・ドライブと比較して、ギガバイトあたり、および金額あたりのIO のメトリックを上昇させ、CAPEX (設備投資) のコストを大幅に削減します。 エコシステム ストレージ・ハードウェアとソフトウェア・プロバイダーは、QLC テクノロジーに合わせたソリューションとサービスを積極的に開発しています。 VAST Data、Dell Powerscale、Pure Storage、IBM、DDN、NetApp、その他多くの企業は、QLC ベースのアプリケーションを自社の製品に統合しています。   さらに、Alibaba を含む多数のクラウド・サービス・プロバイダーは、ビッグデータローカルディスク・インスタンス向けの Elastic Compute Service (ECS) などのサービスですでに QLC を採用しています。 ショートストローク型 HDD の代替として QLC SSD が導入されると、パフォーマンス、容量、レイテンシー、TCO の全体にわたって著しい改善がもたらされます。 エコシステムが進化し続けるにつれて、革新的なユースケースが浮上し、幅広い採用者グループに追随するユーザーを引き付けるでしょう。

コスト

HDD と比較したフラッシュの価格の加速的な低下により、HDD とフラッシュ・ストレージのギガバイト当たりの価格とのギャップは急速に狭くなっています。 この継続的なトレンドは、超高面積密度によって推進される総保有コスト (TCO) の優れた利点により、フラッシュ・テクノロジー、特にQLC フラッシュの採用を加速すると予想されています。 この流れを支持するものとして、Wikibon Research が実施した TCO 分析では、10PB QLC SSD ベースのクラスターは従来の HDD ソリューションと比較して、10年間で3,030万ドル相当の大幅な節約が可能であることが明らかになりました。 [8]

QLC D5-P5336 とオール HDD アレイの総保有コストの比較

表 2. 100PB オブジェクト・ストレージ・クラスターの運用に求められる TCO 値

表 2 は TCO のコストベネフィット分析で、5 年間にわたっての QLC と HDD の運用コストを比較すると、TCO を 47% 節約できるという驚くべき数値を示しています。 これらの節約は、ラックスペース、エネルギー消費、人件費の削減、廃棄物のフットプリントを大幅に削減する利点などを網羅しており、持続可能性の強化に貢献しています。 QLC をメインストリームへと導くソリダイム 図 3 に示すイノベーションの採用ライフサイクルは、 『イノベーションの普及』 の著者であるエベレット・ロジャーズの言うところの「イノベーションカーブ」として知られています。彼は採用者を5つのカテゴリーに分類し、イノベーション・ライフサイクルに関するこの基礎的な理解を活用することで、ストレージ・ソリューションの一部としてQLC を採用するデータセンターをこの曲線に沿って描写することができます。 QLC の採用率に関する Forward Insights’ の推定によると、2025年までに、イノベーターからアーリーアダプターおよびアーリーマジョリティーへとフェーズが移行すると予想されています。

QLC の市場規模が全体としてデータストレージのより大きな部分になりつつあることのグラフィック。

図 3. QLC 市場のメインストリームへの拡大

QLC ストレージ・ソリューションのパイオニアでありリーダーであるソリダイムは、信頼性、耐久性、パフォーマンスに対するエンドユーザーの要求に正確に一致する高品質の製品を構築するために必要な専門知識と経験を誇っています。 何年もの専用製品改良を経て、ソリダイムのデータセンターQLC SSD は、年間故障率 (AFR) が著しく低いことを実証しています。 [9] QLC ベースのソリューションはアクティブアーカイブ、大規模 NAS、ソフトウェア定義のスケールアウト・ストレージ、クラウドや仮想マシン環境などのさまざまなアプリケーションで、既にパフォーマンスとニアライン (NL) HDDだけでなく TLC ベースの SSD を置き換えるなど、進歩し続けています。 広範囲での採用の兆しはすぐそこまでに迫っています。 終わりに QLC 自体は市場全体を支配しているわけではないものの、メインストリームにおける地位を徐々に強化しています。 動機となるものには、SLC SSD などの粗い IO ブロックや補完製品でのソフトウェアとファイルシステムのサポートが含まれます。 QLC のパフォーマンスと QLC の耐久性を改善するコンピューテーショナル、またはアクセラレーション・ソフトウェアとハードウェアもまた、規模の経済から生じる QLC NAND の 生産におけるコスト削減と同様に影響を与えます。

 

[1] Samsung https://semiconductor.samsung.com/news-events/tech-blog/expanding-storage-solutions-with-nand-flash-technology/

[2] http://www.forward-insights.com/reportslist.html

[3] ソリダイム、  D5-P5336 の暫定的な製品仕様と現時点の 5 四半期のロードマップ。 100% 16K RW @ 61.44TBの容量に基づく D5-P5336 の最大耐久性。   

[4] Samsung.  最大容量の市販ドライブから性能と PBW 仕様を取得。 https://image.semiconductor.samsung.com/resources/data-sheet/Samsung_SSD_PM9A3_Data_Sheet_Rev1.0.pdf

[5] Micron. 最大容量の市販ドライブから性能と PBW 仕様を取得。 https://media-www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/product-flyer/7450_nvme_ssd_product_brief.pdf

[6] Micron. https://www.micron.com/products/ssd/product-lines/6500-ion より性能と PBW 仕様を取得。 

[7] Kioxia. 最大容量の市販ドライブから性能と PBW 仕様を取得。 https://americas.kioxia.com/content/dam/kioxia/shared/business/ssd/data-center-ssd/asset/productbrief/dSSD-CD8-R-U2-product-brief.pdf

[8] http://wikibon.org/wiki/v/Calculating_Infrastructure_TCO_per_VM

[9] ソリダイム QRE チーム内部トラッキング 著者紹介ソリダイムの製品マーケティング担当シニアマネージャーである Yuyang Sun は、SSD ストレージ設計、ビジネス計画、マーケティングおよび戦略分野で10年以上の経験を持っています。 業界の主要企業との日々のやり取りにより、データセンター・ストレージ・ソリューションの世界に貴重な洞察を得ることができ、創業以来、データセンターQLC SSD製品の管理に積極的に関与しています。 ブリティッシュコロンビア大学で電気工学の学士号と修士号、ウォートン・スクールでMBAを取得しています。 余暇にはバドミントンを楽しんだり、数百人の有志とともに地元のバドミントンクラブを共同設立しました。

 

QLC Considerations for Mainstream Workload Adoption