PCIe Gen 4 対応 SSD に適したワークロードとソリューションの要件を理解する

著者:ロジャー・コーレル | 共著者: タフミド・ラーマン、ラトネシュ・ムチャル、ビル・パノス、ユーヤン・スン、ポール・ジェヌア、バーシャ・ジェイン

データセンターを運用する事業者は、増大するデータ、ユーザーからの高まる期待、予算といった課題にバランスよく対処しようと長い間取り組んできました。 事実上無限にデータ量が増大する中、データセンターにおける SSD 支出は今や世界の GDP 成長率の 8 倍、コンピューティング支出の 4 倍を上回るペースで伸び続けています。[1] しかし、投資の健全性を確保したうえで、現在だけでなく将来的なストレージ要件を満たす適切な SSD を選択することは簡単ではありません。

QLC NAND 型 SSD とは？

セル当たり 4 ビットの情報を格納できるクアッドレベル・セル (QLC) NAND は、シングルレベル・セル (SLC)、マルチレベル・セル (MLC)、トリプルレベル・セル (TLC) を超えて NAND 型ソリッドステート・ドライブ (SSD) のデータ容量を拡大するテクノロジーです。QLC ドライブが実現する高密度により、同じスペースに格納できる容量が増え、ギガバイト当たりのコストの低減につながりました。ソリダイムが提供するリード・パフォーマンス向けに最適化された高密度PCIe QLC NANDで、大容量データセットへのアクセスを高速化しませんか。

このホワイトペーパーは、ソリダイムの調査と業界による調査の共通認識に基づいており、SSD製品の選択に影響を与える分野に着目することで、意思決定者の負担を軽減することを目的としています。まず主要なストレージ関連トレンドとそれがもたらす課題について概説し、次にストレージ・ワークロード・プロファイルを使用して、アプリケーション要件をドライブの能力と適合させる方法について詳しく説明します。また、データセンター・ストレージの課題に対処するために最適なSSDを判断するための最も重要な評価基準として、以下の4つを推奨しています。

ストレージに関するすべての決定は、対象ワークロードの入出力 (I/O) プロファイルを理解し、パフォーマンス、容量、耐久性の要件にバランスよく対応できる SSD を組み合わせるところから始めます。

 

耐久性要件を検証する。ドライブの耐久性を大きく見積もりすぎてはいけません。耐久性要件に対する理解が深まったことで、これに相関して出荷される SSD 製品の平均耐久性レベルは前年と比べて低下する傾向にあります。さらに、意思決定者は、1 日当たりのドライブ書き込み回数 (DWPD) にとどまらず、ドライブの DWPD と製品の耐用年数に至るまでの書き込みデータ容量の両方を計算に入れた書き込みペタバイト容量 (PBW) を考慮して、耐久性要件を評価する必要があります。耐久性評価ツールやプロファイラーを使用することで、ワークロードとドライブの PBW を高い精度で一致させることが可能です。

最新のフォームファクターを検討する。従来のフォームファクターではシャーシのインフラストラクチャーが維持されている一方で、企業やデータセンターで採用が進む次世代のフォームファクター規格である Enterprise and Datacenter Standard Form Factor (EDSFF) に基づいたドライブ製品は、保守性、スペース効率、柔軟性、冷却性が高く、シグナル・インテグリティーの点でメリットがあります。

ドライブとデータの信頼性に対する絶対的な自信がある。最も基本的なストレージ要件は (1) 常に利用可能であること、(2) 不良データを決して返さないことの2点です。どのSSDサプライヤーでもドライブの信頼性とデータの完全性に関する過去の実績を考慮することが重要と言えます

ストレージの急速な進化

ストレージが急速に進化している理由は、企業にとって、ますます大量のデータを複数の場所に分散して効率的に格納する必要性が高まっているからです。この変化は、根底にある次の4つのトレンドに起因しています

リード処理中心のデータ集中型ワークロードの増加

最新のワークロードでは大量のデータを必要とします。人工知能 (AI)、機械学習 (ML)、データ分析などデータ集約型の用途に使用するデータ・パイプラインや、コンテンツ配信ネットワーク (CDN)、ビデオ・オン・デマンド (VoD) サービス、画像データベースといったワークロードでは、多くの価値とインサイトを提供しようとするほど、当然データセットは大きくなります。こうしたワークロードはさまざまな業界で幅広く採用されており、現在リード中心 (約80%以上が読み取り処理) のストレージ・ワークロードが占める割合は企業全体のワークロードの約94%です。[2]

主にリード処理中心のデータ集約型ワークロードには、密度、大容量でありながら手ごろな価格帯、セグメントに最適化されたパフォーマンスと耐久性のバランスを提供できる SSD が必要とされますが、これはライト処理中心のワークロードに求められるリード比 / ライト性能のバランスのとれた比較的小容量のストレージとは異なります。

コア・データセンターからエッジへサーバーを再構成

エッジ・コンピューティングへの支出は 2023年までに世界全体で 2,080 億ドルに達すると予測されており、これは 2022 年の 13.1% 増となる数値です。[4] データストレージが消費の場に近づくにつれて、サーバーはスペース、電力効率、冷却性、重量、保守性、スケーラビリティーの面で、ますます困難な課題に対処しなければならなくなっています。Linux Foundation のレポートで「密度が高くなるほど、エッジで実行できることが増える」と報告されているとおり、ほぼすべてがこうした事項に集約されます。[5] 密度と効率の最適化を意図して設計された SSD は、エッジでの課題解決に最も適した SSD となるはずです。

実環境の I/O 条件から見た新たな理解 

SSD が初めてデータセンターに導入され始めた 2010年代には、ドライブの挙動やワークロードでの要件は十分に理解されてはいませんでした。そのためストレージ・アーキテクトは SSD 要件を過剰に設計する傾向があったのも事実です。複数のレポートによると、2016年に出荷された SSD の約 60% は耐久性レベルが 1 DWPD 以下だったのに対し、2023年に出荷された SSD ではこの数字が 85% 近くになると予測されています。[6] 大規模なサンプルをベースとした調査から、99％ のシステムでドライブが耐用年数に至るまでに耐久性レベルのせいぜい 15％ しか使用されていないことが分かりました。[7] 要件を過剰に見積もりすぎると、調達コスト、導入コスト、運用コストの増大につながってしまいます。

しかし、最近になって理解が深まったのは耐久性だけではありません。ストレージ担当のエンジニアや管理者は、シーケンシャルではキュー深度 (QD) = 256、ランダムでは QD = 128 で得られる 100% ランダムリード、ランダムライト、シーケンシャル・リード、シーケンシャル・ライトという、ストレージ試験における従来の「4 つの指標」以外の点にも注目し始めています。代わりに考慮するようになったのが、表 1 に挙げた実環境アプリケーションでの I/O 特性です。

表1. 実際のアプリケーションのI/O特性。 

ハードディスク・ドライブ (HDD) ストレージは持続可能ではない

ソリダイム社内で実施した分析と業界アナリストの共通認識から、依然として HDD に格納されているデータはデータセンター全体の 85% 〜 90% と推定されます。この老朽化したインフラストラクチャーがデータセンターにおけるコスト管理、需要に応じた拡張、サステナビリティー向上の面で負荷をかけています。[8] こうした年数がたった装置こそ、ストレージ管理者にとって最大の課題です。さらにこの調査では、HDD の老朽化が容量不足、運用コストと保守コストの増大、パフォーマンスの低下といった別の課題に直結することも示されました。最新のデータセンターでは、ワークロードの要件に合わせて、容量、パフォーマンス、効率性、信頼性を適切なバランスで提供できるストレージが求められます。

ストレージ I/O プロファイルの理解 最新のストレージ・ワークロードには、幅広い I/O プロファイルが存在します。これらのワークロードを記述するために、ストレージ業界では共通の I/O 特性リスト (表2) を使用しています。この表に示す以外にも、I/O 特性 (特定のアプリケーションでデータを書き込む速度など) はありますが、さまざまなワークロードに求められる基本的な要件を理解するには、このリストで十分です。

表2. 共通のI/O特性。

ソリダイムではこれらの I/O プロファイル特性を使用して、アプリケーション・ワークロードを大きく 4 つのカテゴリーに分類しています。

ライト中心のワークロード

混合ワークロード

メインストリームのワークロード

リード処理中心のデータ集中型ワークロード

I/Oプロファイルは実装の仕様によって異なる場合がありますが、これらのプロファイルは典型的なプロファイルを説明するために最善の努力をした結果であり、ドライブを選択する際にも役立ちます。

ライト中心のワークロード

これらのアプリケーション (表3参照) では書き込み負荷が高く、I/Oの50 ～ 100%を占めます。ライト中心の程度は、ドライブがキャッシュや一時的なバッファーとして使用される場合などの用途によっても決まります。このようなアプリケーションや用途には、強力なライト性能と高い耐久性を備えたドライブが最適です。

表3. ライト中心のワークロードを運用するアプリケーションの例。

混合ワークロード

混合ワークロードは、リード 70% / ライト 30% の比率となる場合が大半であり、通常はランダム処理の割合が高くなります。リード / ライト処理が混在していることを考えると、これらのアプリケーションにはリード / ライト性能のバランスのとれた耐久性の高いドライブが最適です。

表4. 混合ワークロードを運用するアプリケーションの例。

メインストリームのワークロード

これらのワークロードは、多くの企業で幅広く採用されており、多くの場合 75/25 ～ 80/20 のリード/ライト比となる傾向にあります。 この分類のワークロードは、混合ワークロードと類似しているかもしれませんが、書き込み処理の割合が低く、大半はデューティー・サイクルが低いため、強力なリード性能と十分なレベルのライト性能を備えたドライブが広く採用されています。

表5. メインストリームのアプリケーション・ワークロードの例。

4. リード処理中心のデータ集約型ワークロード

このカテゴリーに分類されるアプリケーションは、読み込み処理の割合が非常に高くなります (90％ 以上)。 このようなアプリケーションの多くで、膨大な量のデータを高スループットで格納して転送する処理が必要とされます。一方で、アクセス頻度の低い膨大な量のデータを効率的に格納するだけのタスクが求められるアプリケーションもあります。CDN、データレイク、データ・パイプライン、ソーシャルメディア、小売ウェブサイト、画像データベース、VoD サービスといったこのカテゴリーのワークロードは、業界でも特に急成長しているワークロードに入ります。表 6 では、このカテゴリーに分類される一部のアプリケーションのプロファイルをまとめています。

表 6. リード / データ負荷の高いワークロードを運用するアプリケーションの例。

その他の検討事項

アプリケーション・エンジニアとストレージ・アーキテクトは、適切なストレージデバイスを選択するために、IOPS、帯域幅、レイテンシーなどの性能要件と合わせて、上記のセクションで説明した I/O 特性を考慮する必要があります。さらに、ソリューション・レベルの要件も検討しなければなりません。

ソリューション・レベルの要件

コンピューティングとストレージの分散化が進むにつれて、ソリューション・レベルの要件へも、コア・データセンター以外に適用する追加の制約事項を含める必要性が生じます。データセンターではスペース、電力効率、冷却性、保守性などの要件は重要な検討事項ですが、エッジではこうした条件が一層厳しい制限事項になります。 エッジに向かうほどスペースが限られ、コストが高くなるため、コア・データセンター、地域やミッドティアのデータセンター、(貨物コンテナのような構造をした) マイクロモジュール型のデータセンターと、道路沿いの設置やキャビネット式の実装 (1/4 ～ 2 フルラック) とでは、制約条件が変わっていくでしょう。データセンターの場所に関係なく、いずれの実装にも共通するのは、ストレージ密度とドライブの信頼性が重要な要素になるということです。

経験豊富なサービス・プロバイダーは、極めて多くの拠点で稼動する共通のハードウェアを導入する際、最も厳しいエッジ要件を適用してストレージを決定します。しかし現状は、エッジの業界標準は「雑然としている」と言い表すのが妥当でしょう。とはいえ、Open Compute Project と同様に、この場合はエッジ・インフラストラクチャーが対象のオープンソースの標準規格を策定するコンソーシアムとして、Open19 Foundation は設立されました。Open19 Foundation は、サーバーブリックを 400W の電源と 100G の接続性を備えたハーフ幅 x 1U と定義していますが、これはエッジ要件を満たす好例です。[9] 表 7 に、ソリューション・レベルでのストレージ選択の判断において、こうしたエッジでの要因やその他の要因がどのように影響するか、ソリダイムの見解を示しています。

表 7. ストレージに関するソリューション・レベルでの検討事項。

密度、効率、保守性を兼ね備えたクアッドレベル・セル (QLC) SSD の優位性は概して、特に EDSFF 規格の QLC SSD はエッジ展開における強力な選択肢です。さらに、コアからエッジまで共通のハードウェアを大規模に導入しようとする企業にとって、有効なストレージ・ソリューションとなります。

SSD 選択の決め手となる 4 つの判断指標

適切なベンダーから適切なドライブを選択することは、簡単な作業ではありません。ストレージ選択に関わる意思決定者の多くは、前述の「4 つの判断指標」に基づく比較と、ワークロードは 1 DWPD 未満の耐久性評価ではサポートできないという前提に依然として大きくとらわれています。また、エンタープライズ向けドライブの品質と信頼性は全面的に一貫しているという誤った思い込みも少なくありません。 その代わりに、ストレージに関する意思決定者は、SSD を選択する際に、特定のワークロード要件に合わせて調整された、密度、速度、効率、信頼性の高いストレージを検討する必要があります。以下の 4 つの重要な選択要素に焦点を当てることで、意思決定者は適切な製品に絞り込むことができます。 1. ドライブの機能をアプリケーション要件に一致させる 最新のワークロードでは、膨大な量のデータを効率的に格納し、そのデータに高速にアクセスする必要があります。これらのニーズにバランスよく対応するには性能と容量のどちらかを犠牲にしなければならないという思い込みは、つまり性能を優先するアプリケーションには SSD を、容量を重視する場合は HDD を選択するという判断は、根強く残っています。 最近の NAND テクノロジーの進歩と、ワークロード要件の深い理解があいまって、そのトレードオフの前提は無意味なものになりました。表 8 は、従来の考え方から見た、現在ソリダイムが提供する先進 QLC SSD の現実とトリプルレベル・セル (TLC) SSD を比較したものです。

表8. パフォーマンスと信頼性について従来の視点から見たQLC型SSDとTLC型SSDの比較。

NAND テクノロジーは、ワークロード要件を満たしながら、適したドライブサイズで性能、容量、耐久性の幅広い組み合わせを提供する SSD 製品を次々に生み出し、現在のレベルにまで進化してきました。ソリダイムはこうした数々の進歩を活かし、前述したワークロードのカテゴリーごとに最適化した製品ポートフォリオを開発しています。さらにプロファイルの精度を高めるために、Intel Storage Analytics I/O Tracer、Flexible I/O (fio)、仮想化プラットフォームのベンチマークを測定する VMmark、NoSQL データベースをプロファイリングする Yahoo! Cloud Serving Benchmark (YCSB) といった便利なツールが用意されています。 ドライブをワークロードの I/O 特性に適合させることに加えて、レイテンシー、IOPS、スループットといったパフォーマンス指標の考慮も必要です。ビジネス目標を達成するための適切なバランスを見つける責任はストレージ・アーキテクトにあります。簡単に言うと、レイテンシーは VDI 導入におけるユーザー体験の向上や瞬時の eコマース取引などアプリケーションの高速化、IOPS は OLTP での同時ユーザー数やデータベースでの並列バッチ処理の増加といったスケーリング、スループットは AI 学習処理のデータロードやコンテンツの大容量 CDN データセットを高速に読み込んでユーザー体験を向上させる大量データの高速転送パフォーマンスを測る指標です。 2. 耐久性要件の検証 メインストリームの大半とリード処理中心のデータ集約型ワークロードすべてで、高いレベルのライト処理は生成されません。こうしたワークロードの増加が、耐久性要件を低く抑える一因となっており、現在データセンター向けに出荷される SSD は耐久性 1 DWPD 以下の製品が 85% を上回っています。 [6] セル当たりビット数の移行とともに、2018年にデータセンター向け QLC SSD が登場したことで、耐久性に関する懸念が生じました。現在、第 4 世代となるソリダイムの QLC SSD 製品の耐久性は、P/E サイクル数 3,000 まで継続的に向上しています。ワークロードのトレンドにより、QLC の耐久性向上とともに、新たな方法で耐久性を評価し適切なサイズを判断する機会が生まれています。 耐久性を評価する的確な情報に基づいた方法は、PBW の観点からもたらされます。 この指標は、ドライブの耐久性評価 (DWPD) と容量を組み合わせて、ドライブの保証期間内に実行可能な書き込み回数を確定します。表 9 は、耐久性の向上に QLC の大容量が組み合わされば、一部の TLC ドライブを上回る PBW 値が得られることを示しています。PBW の高さが示すのは、QLC ドライブにリード処理中心のデータ集約型ワークロードだけでなく、幅広いメインストリーム・ワークロードにも対応できる十分な耐久性があるということです。

表 9. NAND 型 SSD の耐久性特性

ソリダイムは、耐久性要件をより正確に評価したいストレージ選択に関わる意思決定者のために、耐久性評価ツールと耐久性プロファイラーの両方を用意しました。耐久性評価ツールは、ワークロードの特性を入力するとドライブ耐用年数を高精度の推定値で出力してくれる直感的なツールです。耐久性プロファイラーは、GitHub からダウンロードして、ユーザーが自分の環境にインストールすることで、正確な耐久性測定を行うことができます。

3. 最新のフォームファクターを検討する

データセンター向け SSD のフォームファクターの進化はすでに限界に達しています。これが顕著に現れる例が、元々ノートブック PC 用に作られた M.2 フォームファクターの保守性の欠如と、SSD を既存の HDD シャーシで利用できるようにした U.2 のスペース効率の低さです。2017年に登場した EDSFF 規格のドライブによって、こうした課題に対処できるようになりました。EDSFF ドライブの保守性、スペース効率、柔軟性、冷却性、シグナル・インテグリティーといったメリットを考えると、データセンターに出荷されるペタバイト (PB) ストレージの 40% 近くが 2025年までに EDSFF ドライブになると予測されます。[15] ソリダイムでは、次の 3 つの道筋に沿って EDSFF への移行が展開していくと考えています。

• 密度に最適化された 2U サーバーで EDSFF E3.S が U.2 ドライブに置き換わり、電力効率 / 性能バランスとデバイスを混在できる柔軟性を向上。
• 同じスペースで処理できる IOPS が増え、プロセッサー動作の高速化または冷却コストの削減を可能にする熱効率のメリットから、パフォーマンスに最適化された 1U サーバーで EDSFF E1.S が U.2 や M.2 よりも支持されるようになる。
• ストレージ密度、冷却性、保守性における優位性から、密度に最適化された 1U サーバーで U.2 に代わり EDSFF E1.L が採用されるようになる。

図 1 は、従来のフォームファクターがどのように EDSFF に移行していくかを用途別に示しています。

図1. ソリダイムの製品ポートフォリオにおける EDSFF フォームファクターの位置付け

既存のインフラストラクチャーを維持したいストレージ・アーキテクトのために、ソリダイムではすべての PCIe 4.0 対応製品に U.2 ポートフォリオを用意していますが、前述のように、EDSFF へ移行するための投資は、複数の評価指標の点で回収できています。 4. ドライブとデータ信頼性に対する絶対的な自信 前述のとおり、どのストレージ・ソリューションにも求められる基本的な要件は、常に利用可能であることと、不良データを返さないことの 2 点です。すべてのエンタープライズ・クラスの SSD がドライブ信頼性とデータ信頼性に関する一連の規格 (JESD218 や OCP 2.0 など) に準拠している一方で、すべてのドライブ製品がこれらの仕様を実装するために同じ設計とテスト手法を採用しているわけではありません。表 10 は、主要仕様の要件を上回るソリダイムのドライブ製品の仕様をまとめたものです。

表10. ドライブとデータの信頼性に関する仕様と要件

ドライブの全体的なデータ信頼性を的確に示す代用の指標が、無兆候データ破損 (SDC) に対する耐久性です。SDC のリスクを低減するには、エラー訂正コード (ECC) と巡回冗長検査 (CRC) の両方を有効にする冗長性など、エンドツーエンドでのデータパスの保護と、コントローラー内の重要なストレージアレイすべてを完全に保護するファームウェア手法や、不確実なイベントが発生した場合にドライブを無効にする「ブリック」手法などの考慮が必要なためと言えます。 上記の表 10 に示すように、これらの手法を適用した結果、ロスアラモス国立研究所で実施した製品 5 世代にわたる 600 万年以上の稼動をシミュレーションするドライブテストにおいて、ソリダイムのドライブで SDC イベントは検出されていません。なお、以下の年間故障率 (AFR) のチャートが示すとおり、他社サプライヤーのドライブで同様のテストを実施したところ、SDC イベントが確認されています。

図2. NVMeドライブの合計 AFR (%)。 [16] 

AFR の合計は、ハング + 検出可能 / 訂正不可エラー (DUE) + リブート後 SDC (ドライブの再起動後にデータ不一致が発生) + ブリック (SDC が疑われる場合のドライブの封じ込め) + SDC で構成されます。 その包括的な性質から、ソリダイムでは AFR の合計をドライブの総合的なデータ信頼性を示す強力な指標であると考えています。上の図 2 に示すように、ソリダイムの PCIe 4.0 対応ドライブは、データセンター向けの幅広いドライブ製品すべてで優れたデータ信頼性を提供します。ソリダイムが講じている補足的な措置は間違いなく重要であり、その理由はサービスの中断やデータ完全性への影響は、短期的なコスト面での損失を招くだけでなく、長期的には組織の社会的信用にも影響を及ぼしかねず、これを回復させるのは簡単ではないからです。 固有のニーズを満たす適切なドライブを選択する 適切なストレージデバイスを選択することは重要なプロセスです。 TLC と QLC 両方の NAND 型 SSD からなるソリダイムの製品ポートフォリオは、メインストリームとリード処理中心のデータ集約型ワークロードに調整されたパフォーマンスと手ごろなコストの大容量を極めて効率的なフォームファクターに備えた QLC 製品により、このトレードオフを軽減しています。 ソリダイムのテクノロジーと製品ポートフォリオ ソリダイムの PCIe 4.0 製品ポートフォリオは、業界で最も幅広い容量、フォームファクター、耐久性レベルに対応しています。 [17] この広範な製品ポートフォリオにより、ストレージを選択する意思決定者は、コア・データセンターからエッジサーバーまで、コンピューティング・サーバーとストレージサーバのどちらにも対応する 1U/2U シャーシの幅広いラインナップの中から、性能とソリューションの要件を満たす最適なドライブを見つけることができます。

図 3. ソリダイムの PCIe 4.0 製品ポートフォリオ

ストレージを選ぶ意思決定者は、上記の製品ポートフォリオと前述したワークロード・プロファイルに関する理解を融合させることで、最適な SSD 選択プロセスに取りかかることができます。図 4 は、広く導入されている多様なワークロードにわたり適切なサイズの SSD を紹介する初めのガイダンスです。

図4. ソリダイムの SSD 製品とワークロードの分類

この分類は最初のステップとしては適切ですが、最終的にどの SSD を選択するか決めるまでには、ここまで説明してきたあらゆる指標を考慮する必要があります。

これらの製品の詳細については、https://www.solidigmtechnology.jp/ にアクセスしてご確認ください。SSD の選択プロセスをアシストするツールが用意されています。ぜひお試しください。