ストレージ遅延の詳細とそれが重要な理由

Author Rick Wang | 2023 年 2 月 27 日 | 全て, テクノロジー

瞬間的な満足感など、瞬間とはどれくらいの速さでしょうか?調査によると、ほとんどのソフトウェアユーザーにとって、遅延は 0.1 秒以下です。瞬間的なものとみなされます。ある瞬間、ユーザーの心はさまよい始めます。アプリケーションが応答しない場合 5、6秒、ユーザーはイライラするか、アプリの使用を完全にやめてしまう可能性があります。多くの場合、ストレージインフラストラクチャがこれらの遅延の原因であり、エンドユーザーエクスペリエンスの低下やその他のビジネスへの悪影響をもたらします。

ただし、過剰な待機時間は、組織のデータストレージインフラストラクチャにおけるさまざまな要因によって発生する可能性があります。ストレージ業界では、レイテンシーではなく、1 秒あたりの入出力オペレーション (IOPS) やスループット (MB/秒) に焦点を当てていることがよくあります。レイテンシーは、最優先すべき指標です。

ストレージの遅延とは何ですか?

ストレージ遅延とは、ストレージデバイスが読み取りまたは書き込みリクエストを送信して応答するまでにかかる時間を指します。具体的には、ストレージレイテンシは、読み取りまたは書き込みコマンドがアプリケーションのリクエストから最終出力まで、ストレージエコシステム全体に移動するのに必要な時間です。これは、エコシステムの 4 つのコンポーネントすべての影響を受ける指標です。

- - NANDフラッシュ
  - ストレージファームウェア
  - ファームウェアに電力を供給する SSD コントローラー
  - ストレージシステムインフラストラクチャ

レイテンシは、ストレージファームウェアの効率と、CPU リソースを利用して入出力リクエストを処理する速度を考慮します。

コンピューティングにおけるほとんどのことと同様、速いほど良いです。リクエストがストレージシステムを通過するのにかかる時間が短いほど、レイテンシーが短くなり、リクエストの処理が速くなります。レイテンシは、コンピューティングワークロード、特にトランザクション負荷の高いワークロードのパフォーマンスを評価する際に考慮すべき最も重要な要素の 1 つです。

ストレージの待機時間はなぜそれほど重要なのでしょうか?

アンフォーブスの記事は、ストレージにおいてレイテンシが非常に重要である理由を説明するために、興味深い例えを使用しました。

「あなたは通勤しており、主に高速道路を運転しています。高速道路には、帯域幅に似た車線数や、IOPS に似た 1 時間あたりの総車両数の一定の容量など、特定の特性があります。問題は、たとえこれらの値の両方を知っていたとしても、最も重要な質問である「仕事に行くのにどのくらい時間がかかりますか?」に答えることができないことです。」

さらに、レイテンシは最終的な測定値であり、作業にかかる時間であると述べています。それが通勤計画を立てるときに本当に重要なことです。高速道路の本数や 1 時間あたりの車の収容台数が移動時間に影響しますが、実際にかかる時間こそが効率性の真の尺度です。

レイテンシが低いと、コンピューティングシステム全体のアイドル時間が短くなります。リソースの利用がより効率的になり、組織は実際に既存のストレージからより多くの価値を得ることができます。

フラッシュストレージによりレイテンシがいくつかの点で改善されました

ハードディスクドライブ (HDD) が記憶媒体として選ばれていた頃、待ち時間はミリ秒 (1000 分の 1 秒) の範囲に収まっていました。今日のこと NAND フラッシュソリッドステートドライブ (SSD)ただし、現在では遅延をマイクロ秒 (100 万分の 1 秒) 単位で測定します。これはかなり大きな改善ですが、遅延が 10 倍のピークに達する場合があることに驚かれるかもしれません。

NAND フラッシュテクノロジーの進化により、フラッシュメディアのスループットが向上し、レイテンシが短縮されましたが、他のストレージシステムコンポーネントのレイテンシにはまったく影響がありませんでした。 SSD ベンダーは、ストレージシステムの他のレベルでの遅延を改善することで差別化を図ることができます。

たとえば、SSD コントローラーは、レイテンシーの増減に非常に重要な役割を果たします。これは、システムを通じて読み取りまたは書き込みリクエストを送信するプロセス全体を調整するコンポーネントです。フラッシュストレージメディアがどれほど高速であっても、コントローラーがそのデータを迅速に送受信できない場合、遅延は依然として高くなります。また、入出力 (I/O) 操作リクエストが、すでに I/O 操作を実行しているフラッシュチップに割り当てられる可能性があり、その結果、キューに入れられることになります。

SSD の遅延が長くなるその他の理由としては、次のようなものがあります。

- - ウェアレベリング – ウェアレベリングメカニズムには、動的と静的の 2 種類があります。静的ウェアレベリングは、ほとんどアクセスされない静的/コールドブロックを定期的に移動して、使用率の低いセルを他のデータで使用できるようにします。この手法によりデバイスの寿命を延ばすことができますが、複雑なバックグラウンドプロセスには静的データを移動するための複数の操作が含まれるため、遅延が発生し、SSD のパフォーマンスに影響を与えます。
  - ガベージコレクション (GC) – GC は、ストレージシステムにおけるロングテールレイテンシの問題の主な原因の 1 つです。 GC によるロングテールレイテンシは、99 パーセンタイルでの平均レイテンシよりも 100 倍以上大きくなります。この舞台裏のプロセスでは、SSD コントローラーがブロック内の古いデータページを特定し、それらのブロック上のすべての有用なデータを別の場所に移動した後、それらのページを消去します。これにより、SSD の速度が低下し、遅延が増加する可能性があります。
  - メディアスキャン – SSD コントローラーは、読み取り/書き込み操作中に実際の問題が発生する前に、メディアエラーを積極的に検出して修正するために、バックグラウンドでメディアスキャンを実行することがあります。これにより、SSD の遅延が増加する可能性があります。

Phison がストレージ遅延に対処する方法

PCIe NVMe SSD コントローラーおよび SSD モジュールの業界をリードするプロバイダーの 1 つとして、 Phison は研究開発に多額の投資を行っています—明日のテクノロジーソリューションを開発するだけでなく、既存のソリューションを改善することも目的としています。

Phison が SSD ソリューションの遅延を削減する方法には、次のようなものがあります。

- - 最適化されたファームウェア設計 – Phison は、さまざまな使用例や顧客の要件に基づいてファームウェアをカスタマイズできます。たとえば、一部のファームウェア操作は、待ち時間の増加を避けるためにアイドル時間中に実行されるように設計できます。 QoS は Phison の社内テクノロジーで最適化され、企業固有の要件を満たすことができます。ほとんどの場合、Phison は、特定のニーズと超低遅延を含む指定された遅延パフォーマンスに合わせてカスタム SSD コントローラーとモジュールを設計できます。
  - 独自の CoXProcessor 2.0 – このコプロセッサには、元の CPU の負荷の一部をオフロードするハードウェアアクセラレータが含まれており、ストレージデバイスが読み取り/書き込みコマンドをより効率的に発行できるようにします。
  - デュアル CPU セットアップ – 各 CPU が 1 つの SSD 内で独立して動作するため、ドライブは読み取り/書き込みの複数のコマンドを同時に処理できます。さまざまな操作を並行して処理できるため、待ち時間が短縮されます。
  - ガベージコレクションファームウェア – Phison SSD は、ガベージコレクションの負荷を小さな部分に分割し、少しずつ処理することで、待ち時間を短縮し、一貫性を向上させます。