プレゼンテーションタイトルがここに入る フラッシュストレージ技術と標準化動向 ストレージネットワーキング・インダストリ・アソシエーション日本支部 教育委員会 資料利用に関する注意事項 本プレゼンテーションに含まれる資料は、SNIAも しくはSNIA日本支部に著作権があります。 会員企業は、以下の条件でこの資料をプレゼンテー ション及び文書の中で利用できます。 スライドを利用する場合は、変更せずに複製しなければなりま せん。 本資料を含む文書では、使用した資料の提供元がSNIA日本支部 であることを明示しなければなりません。 このプレゼンテーションは、 SNIA日本支部 教育委 員会のプロジェクトによるものです。 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 2 目次 SSSの定義 フラッシュストレージ活用の種類 ストレージ階層化 オールフラッシュアレイ NVDIMM © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 3 SSSの定義 SSS = ソリッド･ステート･ストレージ © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 4 ソリッド・ステート・ストレージ（SSS）とは？ 半導体メモリ･チップで構成された回転プラッターやストリー ミング･テープの代替ストレージ･デバイス 様々なフォーム・ファクター （http://www.snia.org/forums/sssi/knowledge/formfactors） SSD（ソリッド・ステート・ドライブ） 従来のHDDフォーム・ファクターを用いる 通常、ソリッド･ステート･ドライブは SATA、SAS、FCなどのストレージ・イン ターフェースを用いる SSC（ソリッド・ステート・カード) プリント基板上にあるか、またはPCIカードなどの標準カード・フォーム・ファ クターを用いる 通常、ソリッド・ステート・カードはPCIeなどのインターフェースを用いる SSM（ソリッド・ステート・モジュール） デュアル・インライン・メモリー（DIMM）、あるいは、SATAなどの標準HDD インターフェースを用いる 通常、ソリッド・ステート・モジュールは、ソリッド・ステート・カードよりも 物理的に小さく、容量が少なく、パフォーマンスが低い © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 5 特徴 不揮発性チップ、高密度 チップ はWriteに特別な処理を必要とする: ウェア・レベリング 不良ブロック処理 HDDより速いが、RAMよりは少なくとも10倍遅い 一般的に、高いパフォーマンスのためには多くのチップ が必要 ビット密度がディスク並み（Capable of disk density） 低消費電力 HDDよりも高信頼性 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. SLC/MLC/TLC 情報量 SLC ＜ MLC ＜ TLC 性能 SLC ＞ MLC ＞ TLC 寿命（平均書き換え回数） SLC ＞ MLC ＞ TLC コスト SLC ＞ MLC ＞ TLC © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 7 xLC eMLC＝エンタープライズMLC 性能はMLCと同じ 平均書き込み寿命が長い（保持期間を犠牲） cMLC = コンシューマMLC 擬似SLC MLCをあたかもSLCのようにしてリード・ライト行う SSD コント ローラ 擬似SLC MLC データ データ 高速・少量 低速・大量 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 8 フラッシュストレージの活用の種類 サーバ搭載 PCI フラッシュ フラッシュ・キャッシュ 付きアレイ フラッシュ階層 を持つアレイ © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 全フラッシュ構成の LUN／アレイ 9 フラッシュ・キャッシュ付きアレイ 概要: アレイのDRAMキャッシュをフラッシュで拡張。 コントローラ搭載のPCI フラッシュ・カード、または、ドライブ・ベイ内のSSD として実装。 一般的にはreadキャッシュのみ。ただし、writeキャッシュとしての実装もある。 キャッシュ・ページ・サイズ／キャッシング・スキームはアレイによって異なる （一般的には4-16KB）。 フラッシュ・キャッ シュ付きアレイ 利点: アレイ ・キャッシュ・バッファが1%以下、または1-5%に拡張。 フラッシュ・キャッシュにヒットするとI/Oレーテンシーが10倍に向上（10+ms <1ms）。 それらのディスクI/Oをオフロードすることで、HDDの負荷が減り、性能も良く なる。 結果： I/Oストリームのキャッシュ性に全て依存する。しかし、一般的に30-80% 性能 が向上する。 課題: I/Oストリームのキャッシュ性に全て依存するので、結果が大きく変わる。 キャッシュとしてのフラッシュは非常に使用される（高頻度）: SLCフラッシュ が必要。 非常に高価: 主要ベンダーのリスト・プライスは$50-150/GB。 キャッシュは“徐々に（warm）”性能の利点が出てくる。リブートやHAイベン トの際は効果が失われる。 利点が最小化するのは、 真のランダムI/Oストリームの場合: ランダムI/Oはラン ダムなのでキャッシュされない。 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 10 フラッシュ階層を持つアレイ 概要: ストレージの複数階層（フラッシュ、高性能FC/SAS HDD、SATA HDD）を作成。 LUN / FSにまたがることも可能。 一般的に3.5”または2.5” SSDをドライブ・ベイ／シェルフに導入。 ほとんど5-10%がフラッシュ、90-95%がそれ以外。 バックエンド・ストレージは仮想化され、ブロック／ファイルはアクセス・パターンに 応じて階層間で移動する。 ベンダーによってチャンク・サイズは異なる。一般的にMB~GB単位。 移動頻度はベンダーによって異なる： 代表的な例は、日次で、I/O負荷が低い期間 （window）に移動。 フラッシュ階層を 持つアレイ 利点: IOPSのためにフラッシュを使用し、容量のためにHDDを使用することができる。 全フラッシュ構成より廉価。フラッシュとHDDの混合による経済性を利用。 MLCおよびSLCフラッシュに最適。 性能を出すためにHDDを大量に構成している（over-built）場合、大幅にHDD数／設置 面積／消費電力を削減する可能性がある。 課題: 成功はI/Oストリームの予測とランダム性に依存する。 “ホット・ブロック（hot block）”が 一致（consistent）した場合にのみ、うまく機能 する 現在実装されているブロック・サイズは大きい; １つのホット・ブロックが、チャンク全体（MB～GB ）をフラッシュに移行させる。 “リアルタイム”なソリューションではない。チャンクは日次でプロモート／デモート される。 設定と管理が難しい – 階層を増やして管理を複雑化することに価値があるのか？ © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 11 全フラッシュ構成のLUN／アレイ 概要: 100% フラッシュ構成のLUNを作成。 一般的に3.5”または2.5” SSDをドライブ・ベイ／シェルフに導入。 MLCおよびSLCフラッシュに最適。 利点: 全フラッシュ構成 のLUN／アレイ 10倍以上の性能向上の可能性 （vs. 1-2倍：キャッシュ付き／階層ソリューショ ン） これまで以上の定常的なレーテンシー: “キャッシュ・ヒットしない”ペナルティ無 し。 全I/Oがフラッシュの速度（一般的に、1ms未満） 劇的に小さなサイズ。ストレージ設置面積が1/4～1/5倍になる。 フラッシュの高速性がアレイ内のDRAMキャッシングの必要性を取り除く。 フラッシュの高速性により、RAIDのリビルド時間が大幅に向上する（数時間 数10分） 課題: コスト: $20/GB - $150/GB。 ベンダーとフラッシュ・タイプ（MLC vs. SLC）に 依存する。 接続性: これまでの（成熟した（matured））ディスク・アレイと比べて、ほとん どのフラッシュ・アレイは、接続性のオプションが限られている。 HA & DR: ベンダーによって異なるが、これらのフラッシュ・アレイのHA／DRモ デルは、既存のディスク・アレイよりも成熟していない。 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 12 ホスト・ベースPCI フラッシュ 概要: ホスト・ベースPCI フラッシュ・カード, 一般的には数100GBの容量 RAIDなし、または、サーバ内で２カードをミラー化 HAなし、または、複数サーバ間のアプリケーション・クラスタ フラッシュ管理にホストのCPUを使用 サーバ搭載 PCI フラッシュ 利点: 非常に高い性能のフラッシュ・アーキテクチャーが可能 共有ストレージのコスト／負荷を減らす 非常に小さい設置面積 ホストのDRAMを削減できる可能性がある 課題: 非常に高額。各サーバに高価なフラッシュの島（island）を作る。 ほとんどのエンタープライズ用途で再設計が必要 保護が高価で難しい（HA、バックアップ） 複数サーバにまたがるHAにはミラーリングが必要 DRは、アプリ・レベル、または、外部のレプリケーションが必要 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 13 PCIe SSD 搭載アレイ SASインタフェースでなく、PCIe インタフェースを利用 SFF-8639（コネクタの仕様） 2.5インチドライブにPCIeイン タフェースを追加するためのコ ネクタ仕様 多機能コネクタ SATA/SASのレーンもあり互換 性維持 NVM Express（NVMe） コントローラの仕様 AHCIに代わる SSD向けの最適化されたレジス タ・コマンドセット定義 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 14 ストレージ階層とは 階層とは、特定の性能特性を持つストレージ・メディアの一種 階層ストレージは、価格、性能、その他の属性に基づいて、 複数の異なるクラスに物理的に分割 自動ストレージ階層化は、アクセス・アクティビティやその他 の検討事項に基づいて、階層ストレージ構成内のクラスや階 層間でデータを動的に移動 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 15 自動ストレージ階層化 非常に高速な フラッシュ／SSD 高速ディスク SAS 10Kおよび15K キャパシティ・ディスク ニア・ライン SAS SATA 階層1 階層2 階層3 SAS SATA © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 16 参照の確率でデータを分類 再参照の確率 時間が経過するに つれ、低いカテゴリ のデータのパーセン テージが増える。 0 70～100% 1～5%の超高性能ア プリケーション 1 10～25%のミッションクリ ティカルな高性能アプリ ケーション 2 20～35%の参照データ 3 40～65%の固定のコンテンツ、アーカイブ © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 40～60% 20～30% 0～5% 17 ストレージのサイジングはバランス・ゲーム 大量のデータをあまりにも少ないスピンドルに格納 性能 上の問題 容量にかかわらず、ディスクが処理できる1秒当たりのI/O要求は同じ である。 スピンドル・ディスクのI/O能力は、そのタイプ（15K rpm、10K rpm、 7.2K rpm）、シーク時間および遅延によって決まる。 ごく少量のデータを多数のディスクに格納 コストに影響 I/O要件を満たすために容量を未使用のままにしておく必要がある。 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 18 階層化の使用理由 コスト要件を満たす 性能要件を満たす クラウドサービスに適用する © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 19 クラウドサービスでの利用例 Volume Types Normal HDD Bronz e Hybrid HDD + SSD Silver SSD Gold Platinum PCIe SSD © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. ？ 20 検討事項 階層を置くため、ストレージメディアの選択 階層化処理にかかるオーバヘッド IO分布の把握 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 21 オールフラッシュアレイ 性能重視 ハードウェアから、高速性を重視するためフラッシュに最適化 100万超えのIOPS 機能重視 既存HWやソフトウェアを活かしてフラッシュに対応 新興ベンダーよりも最大IOPSは低いがスケールアウトで全体の ワークロードに対応 マネジメント機能をふんだんに備え既存ストレージとの連携も 保つ（スナップショット、クローン、ミラーリング、etc） © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 22 選び方 負荷 負荷 負荷 負荷 負荷 負荷 負荷 100万 IOPS＜ ～40万 IOPS オールフラッシュアレイ ハイブリッド・アレイ または、オールフラッシュアレイ アプリケーション、データセンターの要件次第 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 23 トレンド SSD単体の容量が増大（TB台に入ってる） 価格もHDD並に？（表現は様々） オールフラッシュアレイの機能差が小さくなっ てくる 管理面 フラッシュ最適機構 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 24 NVDIMMとは？ サーバーサイド メモリとストレージの性能ギャップ DRAMとSSD/HDとのレイテンシ差は依然として大きい NVDIMMが低レイテンシアーキテクチャとして登場 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 25 NVDIMM － 概要 メモリ・チャンネル（DDR3／DDR4）に常駐 予期しない停電時にデータを保持 成熟したメモリ技術を結合（DRAMおよびフラッシュ） 永続性を確保するための独立電源が必要 NVMプログラミング・モデルに適合（SCMの前身として） 新たなレベルのストレージ性能を提供 データベースのより迅速な実行と回復が可能 SSDの耐久性と信頼性の両方を向上可能 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 26 メモリ／ストレージの問題（遅延） 不揮発性メモリ階層 揮発性メモリ階層 10K ns 100ns PCIe SSD 100K ns DRAM 10ns SAS SSD 10M ns CPU Cache 1ns HDD CPU技術はムーアの法則によって発展するため、メモリI/Oが性能上の著しいボトルネックとなる。 メモリ／ストレージ階層での遅延ギャップをブリッジする必要がある。 現状の解決策はNVDIMMである（DRAMのストレージ遅延）。 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 27 メモリ／ストレージ階層 データ集約型のアプリケーションは、ストレージに迅速にアクセスできる必要が ある。 メイン・メモリとHDDの間には大きなパフォーマンス・ギャップがある。 SSDはこのギャップを縮小したが、まだ大きなギャップがある。 解決は「SCM」が実用化される時（2020年？） パフォーマンス・ギャップ CPU キャッシュ SRAM 100 新しいメモリ MAIN MEMORY技術 SSD HDD MRAM/ReRAM DRAM 101 NAND 102 103 104 105 ACCESS TIME (ns) © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 磁気 106 28 メイン・メモリのロードマップ 揮発性DRAM 不揮発性メモリ 相対的能力 SCM MRAM PCM ReRAM NVDIMM DDR4 DDR3 2012 2014 スケーリングの問題 製造上の問題点 < 2x nm 2016 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 2020 29 業界がメモリに期待すること（最終目標） 無限の耐久性 最小の遅延 大容量 不揮発性 低電力 拡張性 現在、NVDIMMはその大半を実現している … 低コスト © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 30 どのように機能するか 通常動作 1. 通常動作時には、NVDIMMは標準のDDR3 DRAMモジュールのように見える。 DRAM遅延（ナノ秒） DRAMの耐久性（実質的に無限） DRAMの帯域幅（1つのNVDIMMにつき12GB／秒） © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 31 どのように機能するか 停電 － DRAMをフラッシュに保存 1. 2. 停電時：NVDIMMはバスから隔離される。DRAM内のすべてのデータ（ECCを含む）は、 NVDIMMロジック経由でオンボード・フラッシュに保存される。この動作時には、超コンデンサ がモジュールにホールド・アップ電力を供給する。 保存が終了すると、NVDIMMモジュールがシャット・ダウンする。 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 32 どのように機能するか 電力復旧 1. システムに電力の供給が戻ると、超コンデンサが再充電され、データがフラッシュから DRAMに復旧される。 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 33 どのように機能するか 再び通常状態へ すべてのデータがDRAMに復旧されると、NVDIMMはホスト・システムとのI/Oト ランザクションができるようになる。 2. ホスト・システムが起動を完了し、通常のNVDIMM動作が継続される。 1. © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 34 Ecosystem performance gap between compute & storage CPU NVDIMM • Nanoseconds latency (1000x faster than Flash) • 1.4 million IOPS (3x better) DRAM PERFORMANCE GAP PCIe SSD milliseconds Performance (Latency) Nanoseconds Storage: latency & capacity SSD HDD 1GB – 32GB STORAGE 60GB – 4TB Volatile © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. NonVolatile 35 Example of NVDIMM Performance (Bandwidth – GB/sec) Benchmark: VDBENCH, Platform: Intel Sandybridge, Linux, Two DDR3-1333 NVDIMMs as interleaved pair (channel interleaving), PRAMFS vs. SATA SSD as Linux block device © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 36 $ per i/o : A new Storage metric ? COST ($) パフォーマンス vs. コスト($ per I/O) トレードオフ HDD SSD PCIe SSD PERFORMANC E / COST GAP NVDIM M DRAM *Cost per PB written: Best in Class SSD: $100.00 / PB versus. NVDIMM: $0.40 (250x cost savings) Reference: http://www.vikingtechnology.com/uploads/NVDIMM_Technical_Comparison.pdf PERFORMANCE Volatile © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. NonVolatile 37 オプション － 柔軟性 － メリットとデメリット フラッシュはDRAMよりも安い（ギガバイト単価）。 NVDIMMの遅延はフラッシュに比べて1,000倍小さい。 DRAMの耐久性は実質的に無限である。 ハイパースケールには「密度と安さ」が必要である。 金融用途では、予測可能な低遅延が必要である。 ストレージには、高いI/O性能とデータ・セキュリティが必要である。 © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 38 重要なのは・・・ 標準サーバは非常にフレキシブルになった。 どのようなアプリケーションの要求にも対応できるソリュー ションがある。 • • • 最高性能のストレージ： NVDIMM 大容量フラッシュ： PCIe SSD 遅延が少ないSSD： ULLtraDIMM © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 39 活用の可能性 インメモリコンピューティング インメモリデータベース 分散処理、機械学習（繰り返し）処理 系 BI、可視化系ソリューションソフト 更にビジネススピードを加速させる © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 40 まとめ SSSはコンシューマ、エンタプライズどちらでも成長 （よりフラッシュに最適なH/W、S/Wの展開） オールフラッシュアレイも多く投入されている DRAMとフラッシュのギャップを埋める低遅延領域も新 たな技術が出現 多様なワークロードに対して、様々な対応の形がコスト 感も含め、ユーザーは柔軟に選択しインテグレーション できる環境がある © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 41 参考資料 SNIAチュートリアル（英語のみ） www.snia.org/education/tutorials PCIe SSD関連 www.nvmexpress.org www.scsita.org www.t10.org SNIA SSS PTS関連 標準仕様書 http://www.snia.org/tech_activities/standards/curr_standards/pts SSDクライアント＆エンタープライズPTSの比較データ、技術 白書（ホワイドペーパー）、Webcast等の情報 www.snia.org/forums/sssi/pts © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved. 42 参考図書 SNIA-J推薦図書 「よくわかるストレージネットワーキング」 喜連川優編 ： オーム社 SNIAストレージネットワーキング用語集 このチュートリアルに関するご意見は以下にご連絡ください。 SNIA日本支部 教育委員会 [email protected] © 2014 Storage Networking Industry Association. All Rights Reserved.
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