普及期を迎えたフラッシュストレージの「現在と将来像」 | 東京エレクトロンデバイス

フラッシュストレージに最適化されたNVMeの登場

フラッシュメモリを用いたストレージは、従来のHDDを用いたストレージと比較して、非常に高速かつ低消費電力／低発熱で、耐衝撃性にも優れ、しかもシステム全体を圧倒的に小型化できるなどの利点を備えています。
こうしたさまざまな優位点を持つフラッシュストレージの最大の課題は価格が高いことでしたが、大量生産の拡大と製造プロセスの微細化などによる価格下落により、いずれはHDDよりもフラッシュストレージの方が安価になると期待されていました。問題は、それがいつか、でした。
 
「2016年がその年である」と、ストレージベンダー最大手のEMCが今年3月に宣言しました。同社で製品およびマーケティング担当プレジデントを務めるJeremy Burton氏が「2016年はフラッシュドライブの価格下落が1万5000回転の高性能HDDの価格下落を追い越す境目の年になる」と発言したのです。秒間1万5000回転の高速なHDDは、性能を重視するエンタープライズ向けのプライマリストレージに使われているものです。今年、フラッシュドライブがこの価格を下回ったというわけです。
「2016年はプライマリストレージにおけるオールフラッシュの年であると公式に宣言する」（Burton氏）
フラッシュストレージはついに、エンタープライズ市場においてストレージの主役に躍り出たのです。

図1 2016年にフラッシュドライブの価格が1万5000回転の高性能HDDの価格を下回る
（資料：EMCの発表資料から引用）

 
フラッシュストレージの普及は、ストレージ周りの技術の変化を促進しています。その代表的なものの1つが、従来のインターフェイスとしてよく使われてきたSATAやSASに代わる「NVMe」の登場です。
SATAはSerial ATAの略で、比較的安価なディスクに対して使われました。より高速で高信頼な用途にはSCSIをシリアル接続可能にしたSerial Attached SCSI（SAS）と呼ばれるディスクインターフェイスが使われてきました。
しかしハードディスクに最適化して設計されたこれらのインターフェイスは、フラッシュストレージには不十分でした。

 一方、フラッシュストレージの黎明期に圧倒的に高速なアクセス性能を実現して注目を浴びたのがFusion-io社です（現在はWestern digital社にてSanDiskブランドで展開）。Fusion-io社の技術的な特徴は、SATAやSASといった従来のインターフェイスを捨て、PCIeインターフェイスにフラッシュストレージを直結した独自のインターフェイスを開発したことでした。

 

Fusion-io社は当然ながらその実装を独自の技術において行いましたが、その後インテルなどが中心となって、PCIeをベースにフラッシュストレージに特化したインターフェイスとなる「NVM Express」（NVMe：Non-Volatile Memory Express）が標準化されました。
ストレージの業界団体であるSNIAのプレゼンテーションによると、NVMeはランダムリードでSASの3倍以上の性能があるとされています。

図2 フラッシュストレージに特化したインターフェイス

「NVM Express（NVMe）」の標準化には多くのITベンダーが参画

 

図3 ランダムリードでSASの3倍以上の性能を実現する

（資料：SNIAが公開する「The Performance Impact of NVMe and NVMe over Fabrics」から引用）

NVMeをファブリックへ拡張していくNVMe over Fabrics

PCIeをベースにしたNVMeは、サーバーに内蔵されるストレージ、いわゆるDAS（Direct Attached Storage）におけるフラッシュストレージの性能向上を実現するものです。
しかしエンタープライズでは、複数のサーバーがストレージネットワークを経由してストレージを共有する、いわゆる共有ストレージアレイも重要な存在です。共有ストレージアレイの内部もフラッシュストレージ化して高速化するなかで、ストレージネットワークにおいてもフラッシュストレージに最適化された新しい技術が求められています｡
そこでいま検討されているのが、「NVMe over Fabrics」です。NVMe over Fabricsは文字通り、NVMeを網の目のようなストレージネットワークに拡張することで、複数のサーバーから接続可能な共有ストレージアレイを実現しようとしています。
NVMeが登場する前に、PCIeにストレージを接続するという同じコンセプトの先行実装であるFusion-ioがあったように、NVMe over Fabricsにも同じコンセプト製品としてEMC「DSSD」が登場しています。DSSDは独自実装ですが、EMCはこの技術をもとにNVMe over Fabricの標準化に向けたドラフト作成にも協力しているため、現実の実装に基づいた知見をベースにした標準化が進むことでしょう。
NVMe over FabricsのネットワークにはイーサネットやInfiniBandが使われる見通しが高く、さらにFibre ChannelはインテルがHPC向けに提唱しているOmni Fabricなどにも対応すると見られています。

ストレージがメモリのようになる「ストレージクラスメモリ」

ストレージ技術が進化して、より高速で低レイテンシ化し、大容量化していくと、ストレージはまるでメインメモリのように使えるものになるでしょう。しかもDRAMで構成されるメインメモリとは異なり、ストレージは電源を切ってもデータを失うことがありません。
このように、電源を切ってもデータを失わず、しかもストレージのように大量にデータを保存できるメモリのことを「ストレージクラスメモリ」と呼びます。
ストレージクラスメモリが実現した世界では、コンピュータのアーキテクチャは現在とは異なるものになります。これまでのコンピュータでは、ストレージからデータをメモリにコピーし、プロセッサで処理したら、結果をストレージに保存するという動作が基本でした。しかしストレージクラスメモリでは、いちいちストレージとデータを取得したり保存したりといった動作が不要になるため、ソフトウェアの仕組みに大きな変化が訪れます。
また電源を切ってもデータが失われないのであれば、処理をしていないときには積極的にシステムの電源を落としておくほうが低消費電力で済むため、ハードウェアの設計そのものにも大きな影響が出るでしょう。
ストレージクラスメモリの実現には、フラッシュメモリよりも高速かつ安価で、大容量の不揮発性メモリやそれに合わせたインターフェイスの実現など、超えるべきハードルがまだいくつもあります。しかしフラッシュストレージやNVMeによるストレージの高速化は、ストレージクラスメモリ実現への可能性を大きく開くものと言えるでしょう。