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エンタープライズ向けストレージの傾向とSSD性能検証
2014 2014-06-03

エンタープライズ向けストレージ機器の変化

昨今、小さくスリムなIT製品が市場を席巻しています。スマートフォン、タブレットからウェアラブルデバイスなどの製品は、個人の行動パターンを変えただけではなく、多くの企業を新しい経営形態へと発展させました。新しいテクノロジーがもたらした利便性に対処するために、リアルタイムでのデータ保存、情報の素早いシェアといった技術の重要性が高くなっています。

多くの企業は大量のデータ保存と読み書きを常に必要としています。多数の製品とサービスを支えるために不可欠なバックボーンとして、クラウドサーバは最も重要な役割を果たします。

一般的な企業におけるエンタープライズレベルのシステム運用は、大きく分けて企業内部の情報システム部門とクラウド・ネットワークサービスの二種類に分けることができます。前者は会社内部で構築、運用、利用している場合とデータセンターに管理を外注している場合があり、利用者は主に社内の人か特定のクライアントです。後者はデータセンターを構築、運用することで、不特定多数の一般ユーザーに情報サービスの提供することができます。

両者は規模と利用対象者に違いがありますが、エンタープライズレベルの運用品質としては両者とも一般家庭や個人システムより遥かに高いもので、24時間体制の高い信頼性と利便性を誇り、大量のデータを大量に保存と読み書きが可能な高いパフォーマンスと安定性を持っています。

エンタープライズ向けストレージシステムの管理において重要なのは、サーバそのものです。ビジネスユースのサーバは、主に演算処理、保存、ネットワークの三つに機能が分かれています。このうち、現在では演算処理速度(CPURAM)が保存速度より遥かに高いため、各企業は研究開発のリソースをストレージに投入することで全体のパフォーマンスの向上を図っています。

ソリッドステートドライブ(SSD: Solid State Drive)はその性質上、読み書きがデジタル信号で且つマルチチャンネルで行われるため、ハードディスクドライブ(HDD: Hard Disk Drive)が持つ機械特有の制限がなく、読み書き速度もHDDより早く、消費電力も低く抑えられます。しかし、NAND Flashは単価が高価な上、信頼性と寿命について考慮すべき点があるため、これまではビジネスユースのシステムとしては積極的に利用されていませんでした。

それが、近年ではNAND Flashの製造過程が進歩したことにより製造コストが下がりつつあります。管理機器やソフトウェア技術の進歩により製品の信頼性と寿命が改善されたことや、企業用の各種SSDが発表され始めていることから、合理的な観点からビジネスユースとしてSSDを利用できるようになりました。

現在の一般消費者向けSSDの価格は、8年前の約1/30まで下がっています。2006年にSSDが初めて発表された際の販売価格は1GBあたり45米ドルでしたが、2014年時点の販売価格は1GBあたり0.8米ドルまで下落しています。企業用のSSDの価格についても下落しており、1GBあたり8.32米ドルだった2007年から、2013年には0.63米ドルまで下がっており、今後は0.52米ドルまで下がると考えられています。また、以下の図1が示すように、2017年には企業用SSD1GBあたりの価格が2012年と比べて1214%まで下落するという予測もあります。

図 1, Source: Gartner 2013 Forecast, SMART Storage Systems, Flash Memory Summit 2013

こうした価格の低下と技術革新によって、エンタープライズ向けSSDは今後大幅に成長することが期待されています。HGST2013年に発表した統計データ(図2)によれば、既に欧米では16%の企業がSSDをストレージメディアとして使用しており、中には1/3のストレージをSSDに置換している企業もあります。また、現段階では検討中の企業も、今後はSSDを採用する可能性があります。各サーバメーカーもSSDを搭載した製品を発表し始めています。

以上のことから、アリオンは企業用SSDの技術力が今後ますます向上することを予測しています。

図 2, Source: HGST, Flash Memory Summit 2013

米国のリサーチ会社IT Brand Pulseが行った調査結果によると、SSDは過去二年間におけるIT技術の中で最も重要かつ顕著な進化が見られたと、多数の企業が考えています。

図 3, Source: IT Brand Pulse, Flash Memory Summit 2013

エンタープライズ向けストレージの基本的な接続形態として、主に三種類あります。

1. ダイレクト・アタッチ・ストレージ(DAS: Direct-Attached Storage 
サーバをネットワーク化せず、コンピュータにストレージを直接接続する接続形態です。構築費用は三種類の中で最も安価です。

2. ネットワーク・アタッチ・ストレージ(NAS: Network-Attached Storage 
ネットワークを介してストレージに接続する形態を指します。NASはファイルサーバ専用機を使用するため、パフォーマンスと通信速度はDASより優れています。このタイプの構築費用はDASより高価ですが、安定して大量のデータを共有、保存、読み書きができるので、中~大企業に採用されることが比較的多い形式です。

3. ストレージ・エリア・ネットワーク(SAN: Storage Area Network 
LANから独立したストレージ専用のネットワークを構築し、もうひとつのネットワークを作ることでストレージにアクセスする形式です。全体的な拡張性が高く、サーバとローカルエリアの負担を掛けずに拡張することが可能です。このため、SANは効率的な転送速度を維持し、膨大なデータを運用するのに適しています。しかし、費用が高く構築に時間がかかることがネックです。

エンタープライズ向けSSD運用においては、一般的には以下のような使用形態があります。

  • HDDの代わりにSSDを用いて検索、読み取りを主な用途とする 

例えばウェブサーバなど、一定のパフォーマンスを要求し、かつデータのバックアップを必要としない場合、HDDの代替品としてSSDを採用することができます。高価なSLC Flashを採用する必要もないため、合理的なコストの範囲内で対価以上の効果が得られるでしょう。

  • RAM Diskの代わりにSSDTier 0ストレージとする 

書込みプロセスが多く、Diskの出し入れが頻繁に行われる金融やオンライン取引、またはオーディオ/ビデオの編集などのシステムに適しています。従来のHDDは負荷上限を超過した場合、一般的にはRAIDRedundant Array of Independent Disks)にアップグレードする選択肢があります。これは、データを複数のHDDに分散することで速度の向上を図ることができますが、同時にデータを消失するリスクが増加します。この方法に代わり、SSDを採用してTier 0ストレージとして利用することが可能です。RAM DiskSSDより高いパフォーマンスを得ることができますが、同容量のSSDだと約5倍優れたコストパフォーマンスを得ることができます。複数のTierを含む従来のストレージメディアシステムの設定は下記の表のとおりです。データ効率と読み書きの頻度に応じて仕様設計することができます。

Title of Presentation

図 4, Source: DELL Storage, Flash Memory Summit 2013

 

 エンタープライズ向けSSDに要求される品質 

エンタープライズ向けSSDは、一般のコンシューマーが使用するSSDとは使用状況が異なるため、要求される品質も異なります。両者の違いは以下のとおりです。

<エンタープライズ向けSSDの特徴>

·         PCIe/SAS/NVMeインターフェースを採用している。

·         フラッシュメモリのタイプはSLC/eMLC Flashを使用している。

·         顧客にとって優先される選択順位は <信頼性転送効率データ容量価格> の順番である。

<一般消費者向けSSDの特徴>

·         SATAインターフェースを採用している。

·         フラッシュメモリのタイプはMLC/TLC Flashを使用している。

·         顧客にとって優先される選択順位は <価格データ容量転送効率信頼性> の順番である。

また、エンタープライズ向けの情報システムで使用されるストレージメディアは、一般消費者向けの製品より厳しい以下のような要求事項があります。

<エンタープライズ向けSSDに要求される事項>

·         データの高い冗長性(Data Redundancy)

·         安定したパフォーマンス(Stable Performance)

·         高い信頼性(Greater Endurance)

·         余裕のあるデータ容量(Additional Raw Capacity)

·         省エネ性・空間効率・管理維持費用の削減(Cost Saving on Space, Energy & Maintenance)

·         特定のニーズを満たすためのカスタマイズ対応(Custom Application for Specific Needs)

エンタープライズ向けSSDの詳細な品質検証の理解に入る前に、一般消費者向けとエンタープライズ向けのSSD製品がそれぞれ採用しているNAND Flashの違いについて理解しておきましょう。より認識を深めることができます。

FLASH Type Bit Alterability P/E Cycle Application
SLC 1 bit per cell 50,000~100,000 エンタープライズ向け
eMLC 2 bits per cell w/ write cycle enhanced 20,000~30,000 エンタープライズ向け
MLC 2 bits per cell 4,000~10,000 一般消費者向けSSD
TLC 3 bits per cell 3,000~5,000 一般消費者向けSSD


Title of Presentation図 5, Source: OCZ Technology, Flash Memory Summit 2013

P/EサイクルはFlashの寿命に最も影響を及ぼす重要な部分です。エンタープライズ向けSSDは一般消費者向けSSDと比較して二倍から三倍以上のP/Eサイクルを求められるため、製品の信頼性を高めることは極めて重要です。以下の図からはP/Eサイクルと寿命に関する関連性が見て取れます。メモリの寸法が小さければ小さいほど同面積内に多くのFlashが載せられるためコストを下げられますが、相対的にP/Eサイクルは低下します。

フラッシュメモリには、ライトアンプリフィケーション(WA: Write Amplification)という実際のデータ量よりも書き組むデータ量のほうが増加する特性を持つため、寿命が加速度的に減少する特徴があります。この影響を低減するために、TrimGarbage CollectionCachingCompressionOver-provisioningWear Levelingといった技術が開発されてきました。しかし、メーカーによってフラッシュメモリの設計品質には差異があるため、データ保全性、パフォーマンスの安定性、性能劣化、耐久劣化などの問題が個別に見られます。これらはSSDの品質にとって大きな影響の及ぼす部分です。

 

エンタープライズ向けSSDの性能評価と検証について

SSD性能の検証において、データのスループット(Throughput)とIOPSInput Output Per Second)も考慮すべき点として挙げられます。市場には多種多様なSSD製品の読み書き性能をテストするソフトが複数ありますが、各ソフト別で独自発展を遂げているため、これらのソフトウェアを利用してSSD性能を正確に評価するためには、豊富な経験を頼りにしなければなりません。アリオンはSSD製品に対する検証について豊富な経験があるため、製品の開発段階における検証を適切に処置することができます。

今回、IO Masterというテストツールを用いて、7種類のSSD製品に対して読み書き性能の分析を行いました。準備した製品は、それぞれ型番の異なる4種類のSamsung製品と3種類のIntel製品です。これらは全て6GbpsSATAに対応している製品ですが、SamsungSSDは一般消費者向けの製品を、IntelSSDはエンタープライズ向けの製品を選定しました。

最初の検証を行ったところ、次のような結果(図6)となりました。Samsung SSDは小さなデータ(512 byte 32 byte)の読み書き性能においては、Intel SSDをすべての項目において優れた性能を示しました。この結果に疑問を抱く方もいると思います。なぜ、一般消費者向け製品の性能がエンタープライズ向け製品よりも優れた結果を示したのでしょうか?

基本 RGB 6

次の検証結果を見てみましょう。続いては各SSDの読み書き性能(IOPS)を検証しました。これは24時間におよび読み書きを繰り返す長時間耐久検証です。

24時間行った性能評価(図7)で判明したことは、エンタープライズ向けに作られたIntel SSDIOPSは、一般消費者向けに作られたSamsung SSDIOPSより5倍~9倍優れているということでした。エンタープライズ向け製品が優れている点は長時間における性能の維持であることがこの結果から分かりました。これは、短時間の検証では結果を得ることができません。この結果も正確なSSDの性能を把握することにおいて重要です。

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エンタープライズ向けストレージの使用状況とその他の製品との関連性は、多元的で複雑に絡み合っているため、たとえ安定性が高く性能の優れたSSD製品をストレージとして使用していたとしても、様々な使用ケースにおいて要求される品質を保証することはできません。全体的な利用状況下で達成できる製品性能を把握するためには、更に高度なシミュレーション試験が求められることでしょう。

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IT Brand Pulseの調査(図8)によれば、SSDの利用が進められているサービスは「仮想サーバ」と「データベース」であるという結果が得られています。このことから、企業で使用されているサービスに対しては次の三つの性能評価と検証の実施を推奨します。また、以降では各項目について解説していきます。

·         データベースベンチマーク検証 – SysBench MySQL

·         仮想インフラベンチマーク検証 – VMmark

·         仮想デスクトップ・インフラベンチマーク検証 – Login VSI

 

 データベースベンチマーク検証 – SysBench MySQL

MySQLを法人向けデータベースシステムとして使用する歴史は古く、高性能で低コスト、かつ信頼性が高いことが大きな利点です。近年では、大手データベースシステム会社のオラクルがこの製品を買収しました。オラクルが公式に推薦しているMySQL検証ソフトウェアはSysBenchであり、SysBenchの特徴は以下のとおりです。中でもOLTPベンチマーク検証は法人ユーザーにとって比較的重要です

·         File I/O performance

·         Scheduler performance

·         Memory allocation and transfer speed

·         POSIX threads implementation performance

·         Database server performance (OLTP benchmark)

SysBenchでは、OLPTベンチマーク検証でMySQLデータベースにおけるストレージデバイスのプロセス機能を評価します。当社は本ソフトウェアにより200種類の中堅企業を想定したデータベース環境をシュミレーションしました。1テーブル当たり1000個のデータから成り立つ、100種類のテーブルで同時に演算処理を開始します。この試験の評価対象として、市場で販売されている三種類のエンタープライズ向けPCIe SSDを選定しました(下表)。Buffer Pool Sizeの設定とスレッド数の設定による違いからパフォーマンスを確認しています。

ブランド モデル名 容量
Intel 910 400GB
SanDisk Lightning 400GB
OCZ VeloDrive 300GB

9では、PCIe SSDの各スレッド設定時のパフォーマンスを示しています。理想的な応答時間を50秒以内としたとき、各対象製品が良いパフォーマンスを保つことができるのはスレッド数を1632の間に設定した場合です。スレッド数を64以上に設定した場合、各対象機器の応答時間は全て50秒を超過してしまい、理想的な値はとは言いがたい結果となりました。スレッド数を128256の間に設定すると、平均的な応答時間はさらに長くなっています。

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また、Buffer Pool Size10GB20GB30GBとそれぞれ設定し、異なるスレッド数で負荷テストをそれぞれ実施しました。その結果、30GBBuffer Pool Size64スレッドの設定とする場合に、三種類のSSDが最も優れたパフォーマンスを発揮することが判明しました。図10では、30GBBuffer Pool Size64スレッドの設定による各SSDの性能分布を表しています。これはスループット性能の高低差と安定性を示す分布図です。

図 10

 

仮想インフラベンチマーク検証 – VMmark

従来のサーバ構成では、同時に複数のOSを動かすことができず、且つ複数サーバを運用する場合の効率は20%以下でした。VMwareはサーバを仮想化することでハードウェアの使用効率を高めると同時にハードウェアへの依存度を減らし、サーバ環境の簡素化を実現しました。VMmarkでは、複数の仮想化ホストのサーバ統合シナリオを想定しています。実際に使用される企業ユースのデータセンターを想定し、全バーチャル環境の性能全体を検証できる本ソフトウェアは、仮想マシン(VM)構成の検証に最適です。

VMmarkは複数のタイル(仮想マシンのグループ)から成り立つ構成を採用しています。より多くのタイルを処理することができることが、仮想化環境における処理能力が高いことを示します。仮想化システム運用の他、VMmarkの仮想化環境構成のもとで、よく使われる利用方法を性能評価内容に含めました。

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一つのタイルには8つの仮想サーバがあり、右の図では以下のサービスを含んでいます。

·         Database server

·         Java server

·         Mail server

·         Web server

·         File serve

图 12

図 12

VMmarkで行った個々の測定結果は、全体結果を示す一つのスコアに集約され数値として示されます。このスコアの数値が仮想化環境の処理能力を示しているのです。以下の図13は、VMmarkの公式ウェブサイト(http://www.vmware.com/a/vmmark/)から引用した評価試験例です。性能が良いシステムほどタイルの数が多く、一つのタイルには8種類の仮想サーバ項目を含んでいます

基本 RGB図 13, Souce: http://www.vmware.com/a/vmmark/

 

仮想デスクトップ・インフラベンチマーク検証 – Login VSI

大企業の情報システム担当者が大量のPCを管理するとき、一台一台の個人パソコンに設定を行わなければならず、システム担当者は個々の問題を解決するために社内を駆け回らなければならないことがよくあります。ですが、デスクトップ環境の仮想化を用いることにより、個々のユーザーが使用するデスクトップをサーバ側で集中管理することができるようになります。各個人のPC自体にOSやソフトウェアが入っている従来の方式に比べ、サーバを用いて集中管理することでソフトウェアの追加や更新、修正等のメンテナンスが容易になります。また、データ漏洩などの事故も低減させることもできます。Login VSIは仮想デスクトップインフラ(VDI)とサーバの集中管理環境パフォーマンスを評価するソフトウェアです。代表的なものとして、下記の仮想デスクトップシステムに対応しています。

·         Citrix XenApp

·         XenDesktop

·         VMware Horizon View

·         Microsoft Remote Desktop Services

Login VSIの特徴は以下のとおりです。

·         異なる仮想デスクトップツールを比較することで客観的な判断が可能

·         必要とされるユーザ数やアプリケーション数から正確な環境構成を把握できる

·         負荷テストによって現在の基板の最大キャパシティを把握できる

·         シミュレーションにより、環境変更がパフォーマンスにどう影響するのかを予測できる

Login VSIでは複数ユーザーが同時にログインして使用するVDI環境をシミュレーションしており、それぞれのユーザー数を設定して応答時間を測定することが可能です。VDI環境とサーバ管理環境下での応答時間は重要な性能指標となります。以下の図14SSDSAS HDDの利用比較です。同一環境下にて、SAS HDDの場合だと83人の利用にしか対応することができませんでしたが、SSDを利用した場合は160人の利用に対応することができました。また、同じ利用人数でもSSDを使用したほうがSAS HDDよりも応答時間が高いことが分かります。

図 14

上記で紹介した企業用のシュミレーション比較ソフト以外に、SNIA(Storage Networking Industry Association)が制定したエンタープライズ向けSSDの性能試験規格(Solid State Storage Performance Test Specification Enterprise v1.1)で規定されている中では、定常状態でSSD試験を行うことを求めています。これは、エンタープライズ向けSSDを実際に運用する場合、FOBFresh out of Box)状態ではないことを考慮し、SSDの実質性能評価においてはある程度、一定時間の読み書きを行った安定状態で実施すべきだということです。定常状態で示される性能とFOB状態での性能では大きな差異がある可能性が高いため、試験実施時には特に注意を払う必要があります。

図 15, Source: SNIA

最後に

今回はエンタープライズ向けSSDの利用傾向と品質検証、性能評価に関する内容をお届けしました。エンタープライズ向けのSSDに対する品質検証では、この他にも各設計・製造段階を考慮に入れて検証しなければなりません。EVTEngineering Verification Testing)、DVTDesign Verification Test)、RDTReliability Demonstration Test)と量産段階に入った際のORTOngoing Reliability Test)などがそれに当たります。今回紹介したエンタープライズ向けのSSD性能評価ツールは、ハードウェアメーカーとソフトウェア設計者、情報システム管理者にとって有効であり、SSDを含む全体の構成の性能をシュミレーションし、環境拡張が必要か否かを判断する指標となることでしょう。

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MAIL: service@allion.co.jp

 

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