ソリダイムQLC 3D NAND® SSDは、実績のあるテクノロジーを数世代にわたって改良することで、適切なレベルの耐久性を実現しています。 例えば、データセンター向けの第1世代QLC® NANDドライブであるソリダイムD5-P4320は、競合他社のQLC NAND SSDと比較して最大で4倍の耐久性を提供します。 [1] 新しいソリダイムD5-P5316では、前世代のソリダイムQLC NAND SSDよりも耐久レベルがさらに向上しており、ランダム書き込み耐久性も最大5倍に向上しています。[2]

より多くのウォームデータにアクセスする必要性の高まり

データの膨大な増加に関する統計情報は、誰もが目にしているはずです。IDCでは、2025年までに、世界のデータ量が175ゼタバイト数 (ZB) に膨らむことを予想しています。 [3] この数値は印象的ですが、問題はデータ量の増加だけではありません。 アナリティクス、人工知能 (AI)、機械学習 (ML)、コンテンツ配信ネットワーク (CDN) などの今日のビジネスに不可欠なアプリケーションで使用できるように、より多くのデータをすぐに利用できるようにして、データを「温めて」おく必要があります。例えば、AIやアナリティクスの結果の精度は、通常、これらのアプリケーションに送り込まれるデータの量と種類の増加とともに高くなります。 これらのワークロードに増え続ける大量のウォームデータを提供するには、それに対応できる大容量のストレージが必要です。

多くの組織は、容量の増加に対処するため、データセンターに安価なハードディスク・ドライブ (HDD) を導入しています。 しかし、HDDは、最新のワークロードで必要とされる高速化されたリードアクセスに対応できません。 また、HDDの場合、データセンターにかなりの大きさのフットプリントが必要となり、スペース、電力、冷却、交換にかかるコストも増大します。

一部の組織では、より速度が遅くかさばるHDDを、より高速で高密度のトリプルレベルセル (TLC) NANDソリッドステート・ドライブ (SSD) に置き換えています。TLC NAND SSDは、キャッシュ・アプリケーションなどの混合ワークロードとライト負荷の高いワークロードに適していますが、これらのドライブは通常、大規模なリード中心のデータ要件に合わせてコストや容量が最適化されていません。

より実用的な方法は、コスト効率の高い大容量と、HDDのリード性能よりもはるかに優れたリード性能が組み合わされているソリダイムQLC 3D NAND SSDにHDDを置き換えることです。 実際、30.72TBのD5-P5316の場合、HDDと比較するとウォームデータ・ストレージのフットプリントを最大で20倍削減できます。 [4] ソリダイム

QLC 3D NAND SSDはまた、HDDの持続転送速度よりも最大25倍のシーケンシャル・リード性能を提供します。 [5] また、ソリダイムQLC 3D NAND SSDは、TLCのようなリード性能を提供するだけでなく密度も最適化するため、リード負荷の高いストレージ・ワークロードの設備投資 (CapEx) を大幅に削減する機会が得られます。

QLC NAND アーキテクチャ

クワッドレベル・セル (QLC) NANDテクノロジーは、セル当たり4ビットに密度を高めることで、シングルレベル・セル (SLC)、マルチレベル・セル (MLC)、TLC NANDテクノロジーを超えてデータ容量を拡大し、TLC NANDよりも33%増大されたセル当たりビットを実現します。密度が増加すると、ギガバイト当たりのコスト (GB) が低下します（図1を参照）。

NAND SSDの密度の向上 

図1. PCIeソリダイムQLC 3D NAND SSDには、セル当たり4ビットが含まれており、TLC SSDよりもセル当たりのビット数を33%増量しながら、同等のレベルのシーケンシャル・リード性能を実現します。 [6]

SSDとHDDの耐久性の比較 

HDDの耐久性は、主に多くの可動部品に依存する設計から生じる物理的限界が要因です。これらの部品が時間の経過とともに摩耗すると、エラーが発生し、パフォーマンスが低下したり、ドライブが使用できなくなったりすることがあります。例えば、振動や衝撃がヘッドのズレを引き起こすことがあります。耐久性は主に物理的なHDDの制限であるため、これらのドライブは読み取りと書き込みの両方から同じように影響を受けます。

一方、SSDには可動部品がないため、同じような摩耗パターンが発生しません。SSDの場合、耐久性は個々のセルの劣化によって決まります。劣化は主にリードではなくライトによって引き起こされるため、コントローラ ファームウェアのさまざまな緩和手法によって低下することができます。

データはページ単位で書き込まれてブロック単位で消去されるため、NAND SSDへのライトによる摩耗の度合いは、ドライブ上に既に存在するデータの状態にも部分的に依存します。比較的新しいSSDにシーケンシャル・データを書き込むのであれば、データはドライブ上の連続した空きページに効率的にデータを書き込むことができます。しかし、小さなデータ・ブロックを更新する必要がある場合（文書や数値を修正する場合など）、古いデータがメモリに読み込まれて修正され、ディスク上の新しいページへと再度書き込みされます。非推奨のデータが含まれる古いページは無効としてマークされます。

空きページがなくなった場合、これらの「無効」なページは、「デフラグ」または「ウェアレベルニング」と呼ばれるバックグラウンド・プロセスで使用できるように空けられます。特定のブロックに含まれる既存の有効なページはすべて、まずドライブの他の空いている場所にコピーする必要があります。それによって、元のブロックには無効な廃止済みページのみが含まれている状態にします。その後、元のブロックを消去して新しいデータを書き込むためのスペースを解放することができます。ウェア・レベリングなどの内部NAND維持管理プロセスのため、書き込み増幅が発生し、SSDの内部書き込み量の合計が、単に新しいデータをドライブに保存するために必要な書き込み量よりも大きくなります。書き込みが行われるごとに各NANDセルがわずかに劣化するため、書き込み増幅は主な摩耗の原因の1つとなります。。

内蔵プロセスにより、NAND SSDはドライブ全体に均等に摩耗を分散します。しかし、重要なのは、書き込み負荷の高いワークロード (特にランダム書き込み) は書き込み増幅を引き起こすため、NAND SSDは他の入出力 (I/O) パターンよりも早く消耗するということです。

QLC NAND SSD は、最新のワークロードに優れた耐久性を提供します。 

QLC NAND SSDは、以下の理由により、ほとんどの最新ワークロードの展開で十分なレベル以上の耐久性を提供します。

• ソリダイムQLC NANDの実際の耐久性は、認識上および理論上の限界を超えています。
• QLC NANDドライブの容量は大きいため、より大きな領域に摩耗が分散されます。
• ほとんどのSSDでは、定格寿命のほんの一部しか使用されません。

実際の耐久性と期待される耐久性

ソリダイムD5-P5316は、QLC NAND SSDにおいてに業界トップレベルの耐久性を提供します。 [7] さらに、QLC NAND SSDの実際の耐久性は、いくつかの点で予想を上回っています。SSDドライブ・コントローラーは、一部のセルが何度も影響を与えることを避けるために、書き込みをドライブ全体に均等に分散します。大容量となるQLC NANDドライブでは、書き込みを分散できる「表面積」が遥かに大きく、全体的な劣化が軽減されます。

さらに、2020年2月に開催されたUSENIXカンファレンスで発表された大規模な調査で指摘されているように、持久力のニーズに対する認識と実際の使用パターンの間には顕著なギャップがあります。[8] この論文は、実際のアプリケーションの耐久性要件が、企業の期待値を大幅に下回ることが多いことを実証しています。著者らは次のように述べています。「当社のデータに基づき、大多数の企業ユーザーにとって、QLCのPEサイクル制限に向けた移行はリスクをもたらさないものであると予測される。システムの99%は、最大でもドライブの定格寿命の15%しか使用していないからだ。」

大容量なQLC NANDの寿命耐久性は小容量なTLC NANDと同等

SSDの耐久性は通常、1 日あたりのドライブ書き込み数 (DWPD) で評価されます。DWPDは、保証期間中に1日にドライブに書き込むことができるデータの量を測定したものです。耐久性を表すもう1つの方法に、書き込みテラバイト (TBW) または書き込みペタバイト (PBW) があります。表されます。これは、規定の寿命期間中にドライブに書き込むことができるデータの総量を表しています。ドライブの合計耐久性は、その容量によって異なります。たとえば、図2は、理論上定格1とされた、8TB TLC SSDを示しています。

図2. DWPDと容量によって、書き込み総バイト数がどのように決定するのかを示す例。

5年間の保証期間を持つDWPDは、5年間にわたって、1日当たり8TBのデータ書き込みを処理できます。 しかしながら、理論上の32TB QLC NAND SSDの定格は、5年間の保証付きで0.25 DWPDと評価されており、実際には全体的な耐久性はほぼ同じです。これは、このドライブに書き込むことができるデータの合計量が、より小容量のTLCドライブと同じだからです (32TBの容量 X 0.25 DWPD）。

さらに、ストレージ管理者は、上記の理論例では、20%の空き容量を確保することで、効果的な耐久性をさらに高めることができます。 ドライブの予約領域を増やすことで、効率的なデフラグとウェアレベリングに使用できるスペースが増えるため、書き込み増幅による摩耗が軽減されます。

NAND SSDの耐久性では、

ワークロードが重要前述のように、NAND SSDの実際の耐久性は、HDDよりもはるかに高く、一般的な誤解にもかかわらず、記載されているDWPDよりも大幅に大きい可能性があります。しかし、個々の組織でどのように耐久性が発揮されるかは、使用パターンとワークロードの性質によっても異なります。

図3に示すように、HDDは一貫して耐久性が低い傾向あるのに対し、NAND SSDでは、データのパターンとブロックサイズに応じて、耐久性に幅があります。

例えば、小さなブロックサイズに頻繁にランダム書き込みをおこなうアプリケーションの場合、大きなブロックデータのシーケンシャル・リードと比較して、NAND SSDへの負担はより高くなります。 このため、QLC NAND SSDは、より多くのデータに高速でアクセスするために大容量を必要とするリード負荷の多いワークロードに最適です。

QLC NANDはリード性能向けに最適化されていますが、他のデータ使用パターンにも適しています。 大きなブロックサイズで十分な書き込み性能を発揮するため、QLC NANDを特定のセグメントの混合ワークロードにまで広げることができます。

ワークロードの配置に関する具体的な例については、以下の「ソリダイムQLC 3D NAND SSDによるデータセンター内の最新ワークロードのサポート」セクションを参照してください。

QLC NAND の品質と信頼性 QLC NAND テクノロジーの複雑さにより、

業界の多くのデータの信頼性、データ保持性、および総合的なドライブの信頼性などといった分野で妥協が必要になるだろうと考えています。 ソリダイムでは、30年にわたるフローティング・ゲート・アーキテクチャーの経験を活かして、妥協のないソリューションを提供してきました。 ソリダイムQLC 3D NAND SSDは、JEDEC (電子素子技術連合評議会) のすべての要件を満たしており、広範に採用されているTLC NAND SSDと同等です。

図3. ソリダイムD5-P5316と比較した、HDDの実際のQLC NAND耐久性 (単位: ペタバイトライト (PBW))。[9]

表1は、ソリダイムQLC NAND SSDとTLC NAND SSDを比較したものです。 どちらも5年間の保証があり、故障率、訂正不能なビットエラー率 (UBER)、動作振動、温度範囲の評価も同じです。

表1. ソリダイムQLC 3D NAND SSDとソリダイムTLC NAND SSDの品質および信頼性仕様の比較。

ソリダイムQLC 3D NAND SSDを、多くのエンタープライズHDDの品質および信頼性評価と比較すると、違いはさらに顕著になります。 表2では、ソリダイムD5-P5316と、2つの一般的なエンタープライズHDDを比較しています。 ソリダイムQLC 3D NAND SSDは、表にあるHDDと比較して2桁高いUBERを実現しています。QLC NANDドライブはまた、振動、温度、磁気に関する高い仕様を備えており、幅広い動作条件でも優れています。

表2. ソリダイムQLC 3D NAND SSDと一般的なエンタープライズHDDの品質および信頼性仕様の比較。

表2で強調されている利点に加えて、NAND SSDは、HDDと比較して実際に発生する故障率も低いことが示されています。 前述のUSENIXの同じ調査では、平均年間交換率 (ARR) がNAND SSDの場合はわずか0.07%～1.2%と低く、HDDでは2%～9%となりました。これら2つのレンジを比較すると、NAND SSDは、HDDの同等製品と比較して7.5 ～ 28 倍低いARRを実現しています。[8] ソリダイムQLC 3D NAND SSDでデータセンターの最新ワークロードをサポート リード向け最適化された大容量のソリダイムQLC 3D NAND SSDを使用することで、より多くのウォームデータからより多くの価値を引き出しながら、実績のあるテクノロジーで総保有コスト (TCO) を削減できます。 より多くのデータへのアクセスを加速 QLC NANDは、膨大な量のウォームデータに対して、シーケンシャルおよびランダム・リード性能の両方で優れています。 これらの特性により、AIやアナリティクスなどの最新のエンタープライズ・アプリケーションに適しています。

これらのユースケースは、データと洞察へのより高速なアクセスをサポートするような予測可能な低レイテンシーを備えた高速リード・パフォーマンスと、将来のニーズに対応できるスケーラビリティに依存しています。

図4. ワークロードをQLC NAND SSDとマッチングさせるための特性。

QLC NAND SSDがワークロードに適しているかどうかを判断するには、以下の特性を検討してください

• 帯域幅: 大量のデータをコンピューティングへと移動させるための高いリード帯域幅
• サービスの品質 (QoS): コンピューティングの使用率を最適化して結果に至るまでの時間を短縮するための、低いレイテンシーと高いQoS
• 使用パターン: リード処理中心の (シーケンシャルまたはランダム) ワークロード (大きなブロックのライト負荷がある場合も含む)
• ブロックサイズ: 小規模～大規模なデータセット

図4は、使用パターンに基づいて、どのワークロード・セグメントがQLC NAND SSDとうまく適合するかを示しています。

ソリダイムQLC NANDのパフォーマンス 

ソリダイムD5-P5316には、優れたリード・パフォーマンスと拡張性を備えた大容量ストレージを可能にする最新のファームウェアが含まれています。このドライブは、業界初のPCIe 4.0コントローラーを搭載したQLC NAND SSDでもあります。シリアルATA (SATA) ベースのQLC NAND SSDは、ソリダイムQLC 3D NAND SSDが提供するPCIeインターフェイスのマルチレーンI/O機能と効率的なNVM Express (NVMe) プロトコルのサポートと比べると、スループットが制限される可能性があります。そのため、ソリダイムQLC 3D NAND SSDは、最新のワークロードに要求される大規模なスループットにより適しています。

リード・パフォーマンスを高速化するように設計されたアーキテクチャと機能の改善は、最新世代のソリダイムLC 3D NAND SSD にも恩恵をもたらします。前世代と比較して、ソリダイムD5-P5316ではランダム・リード・パフォーマンスが最大38%、シーケンシャル・リード・パフォーマンスが最大2倍に向上しています。 [13,14] .このドライブには、前世代と比較してレイテンシー・パフォーマンスが48%向上した、QoSが99.999%のインテリジェントなファームウェアも組み込まれています。 [15]

QLC NANDのパフォーマンス上の利点は、HDDと比較するとさらに顕著に現れます。HDDは、コストと容量に明らかな利点があるにもかかわらず、保存されたデータの価値を制限します。これは、これらの低速ドライブでは、ウォーム・データへの高速アクセスが必要となるワークロードをサポートできないからです。表3に示されているように、最新世代のソリダイムQLC 3D NAND SSDは、一般的なエンタープライズHDDと比較して、シーケンシャル・リードのパフォーマンスが最大25倍優れています。 [5]

表3. ソリダイムQLC 3D NAND SSDと、よく使用されている2台のHDDにおけるリード・パフォーマンスの比較。

ストレージのTCOを削減

TCOとは、システムの取得原価と運用にかかる継続的な費用に基づいて購入の意思決定を行う方法を理解するための方法です。ビジネスの目的や構成は大きく異なるため、すべてに適用できる画一的なTCO計算はありません。しかし、主要なストレージ・ハイパースケーラーやイノベーターは、CapExと運用経費 (OpEx) に基づいて堅牢なTCO測定を導き出すために、必要な要因とそれらの要因のモデル化の間で調整する必要があります。これらの要因の中には、他の要因に比べてあまり広く使用されていない、または理解されていないものもあります。HDDと比較したSSDに固有の利点、さらに広義には、HDDとTLC SSDの両方と比較したQLC SSDの利点により、企業がデータ経済におけるストレージの最新化を目指す際には、これらの要因を理解することが重要になります。

CapExは有効容量から始まります。有効テラバイト (TBe) として測定される有効容量は、レプリケーション、容量使用率、およびデータ削減方法を考慮した後に実際に使用可能なストレージ容量です。有効容量は、冗長性を提供し、パフォーマンス要件を満たすために購入するローストレージのコストが高いことによる乗数効果により、TCOに大きな影響を与えます。ストレージ・ソリューション・プロバイダーは通常、ストレージのTBあたりのコストを説明する際に、有効容量を宣伝します。

OpExでは、電力、冷却、およびドライブの障害にかかるコストが検討されます。業界リーダーは、CapExのTBeアプローチをOpExと組み合わせて、ラックあたりTBeあたりのTCOドルの総収益指標を導き出します。

QLC NAND SSDでTLC NAND SSDよりも多くコストを削減

SSDのパフォーマンスがHDDよりもはるかに優れていることはよく知られています。SSDの信頼性上の利点も同様によく理解されています。これらの本質的に備わる利点を考慮すると、SSDではパフォーマンスを得るためにレプリケーションをする必要がなく、信頼性を得るために必要となるレプリケーションの回数がははるかに少なくなります。

高パフォーマンスのSSDではHDDよりもはるかに効率的なデータ削減方法が可能になります。データ削減とは、必要な物理的ストレージに対する保存されるホスト・データの割合を指しており、比率が50％の場合は2：1のデータ削減比率になります。データ削減により、ユーザーは物理ハードウェアよりも多くのデータを保存できるため、結果として有効容量が増加します。圧縮技術や重複排除技術により、「使用可能な容量」の要件を満たすために必要となるロー・ストレージ容量が大幅に削減される可能性があります。

最新のアルゴリズムはSSD向けに最適化されており、そのパフォーマンスを利用して高いデータ削減率 (DRR) と高いアプリケーション パフォーマンスを実現します。例えば、Zstandard圧縮アルゴリズム

(Facebook) は、HDDのリード / ライトよりもはるかに速い圧縮速度と解凍速度を達成するため、ユーザーはSSDでアルゴリズムをリアルタイムで使用できます。もう1つの例はVMware vSANですが、VMware vSANは、オールフラッシュ構成に対してのみ圧縮と重複排除を提供します。

TLC NAND SSDと比較してQLC NAND SSDはより多くのコスト削減を実現

HDDの交換時ほど大きくはありませんが、QLC NAND SSDではTLC SSDの導入よりも大幅な節約が可能です。軽減される主な要因は、QLC NANDに本質的に備わるストレージ密度の優位性とその結果として得られるTLC NANDと比較したTB当たりのコストであるため、この節約機会は主にCapExに対してのものです。TLCと同等のリード・パフォーマンスを持つQLC NANDは、リード処理中心のワークロードにとってTCOのチャンスとなります。

ストレージの性質の変化

企業はデータへのアプローチの仕方を見直しています。これまで、HDDは大量のコールド・データを保存するのに適したコスト効率の良い方法でした。しかし、AIやアナリティクス、ビッグデータといった最新のアプリケーションへと移行する中で、企業は大量かつ増大するデータに高速でアクセスする必要性という新たな現実に直面しています。

同時に、SSDの技術革新が加速する中、HDDの技術革新は減速しています。Wikibonのアナリストは、HDDの生産と使用は減少しており、「(略) この10年間に、数量は10分の1までに急速に減少し続けるだろう」と推測されています。 16。

企業が製品とサービスの提供を迅速化しようと取り組む中、大量データへの高速で信頼性の高いアクセスを求める声は高まり続けています。最新のアプリケーションをサポートする際に、古いテクノロジーに依存することはできません。ソリダイムQLC 3D NAND SSDは、革新的な世代を超えた改良に基づいて構築されており、低速で効率の低いHDDと高価なTLC SSDの間にある容量、パフォーマンス、TCO上のギャップを埋めることができます。

実際、ハイパースケーラーCSP、ストレージソリューション・プロバイダー、革新的な新興企業などの多くの業界リーダーが、すでにQLC NAND技術への移行を進めています。

ソリダイムQLC 3D NAND SSDでデータからより多くの価値を抽出

ウォーム・データへの信頼性の高い高速リード・アクセスが不可欠であるならば、ソリダイムQLC 3D NAND SSDで、低速で非効率なHDDと高価なTLC NAND SSDの間にあるギャップを埋めることができます。実績のある技術に基づいて構築されたソリダイムQLC 3D NAND SSDは、ML、AI、CDN、アナリティクス、ビッグデータなどの最新のビジネスクリティカルなワークロードをサポートするために、高密度ストレージと卓越した低レイテンシーのリード・パフォーマンスを兼ね備えています。さらに、ソリダイムQLC 3D NAND SSDによって、データセンター内のストレージフットプリントも集約されるため、TCOの削減にも役立ちます。

実証済みのテクノロジーに基づいて最新化

ソリダイムには技術的専門知識を培ってきた長い歴史があり、ストレージ業界を先導してきました。実証済みのテクノロジーを基盤に築き上げられたソリダイムは、より多くのデータへの高速なアクセスを求める声に応えるべく、革新的な改善を提供してきました。

フローティングゲートNAND技術は、強力なしきい値電圧範囲とセル分離を提供し、セルあたりのビット数を確実に増加させることができます。 With this third generation of QLC NAND technology, Solidigm has extended the vertical floating gate design to a 144-layer QLC 3D NAND that delivers industry-leading density with levels of quality and reliability that match TLC SSDs and vastly exceed slower legacy HDDs.この第3世代のQLC NAND技術で、ソリダイムは垂直フローティングゲート設計を144層のQLC 3D NANDへと拡張し、TLC SSDに匹敵し、低速のレガシーHDDを大幅に上回る品質と信頼性で、業界をリードする密度を実現しました。 [17]17

そのパフォーマンスは世代を重ねるごとに向上しています。前世代のソリダイムD5-P4326と比較して、ソリダイムD5-P5316は以下を提供します。

• ランダム・リード・パフォーマンスを最大38%向上 [13]
• シーケンシャル・リード・パフォーマンスを最大2倍向上 [14]
• 99.999%のQoSでレイテンシーを最大48%低減 [15]

QLC SSDの詳細

ソリダイム3D NAND SSDについて

ソリダイムD5-P5316製品情報

QLC SSD使用事例の詳細はこちら: コンテンツ配信ネットワークのレガシーストレージを効率的でコスト効率の高いソリダイムQLC 3D NAND SSDに置き換える