パフォーマンス、耐久性、電力を高めるために SSD をカスタマイズする

Author セバスチャン・ジャン | 2022 年 4 月 18 日 | 全て, 企業

企業が今日のデータセンターのパフォーマンス、効率、信頼性の向上を目指す中で、ハードディスクドライブ (HDD) ではなくソリッドステートドライブ (SSD) への注目が高まっています。ただし、独自のニーズに適した SSD を見つけることは、考えられているほど簡単ではありません。 SSD にはさまざまなフォームファクターと構成があり、高度にカスタマイズできます。

特定のアプリケーション向けに SSD をカスタマイズするには、多くの要素が関係します。 SSD のどの側面が最も重要であるかについて、各企業は異なる優先順位を持っています。一部の企業では、リアルタイムの銀行取引や大規模な機械学習データセットの処理などのアプリケーションで、最小限の遅延で最高レベルのパフォーマンスを必要としています。エネルギー節約のための低消費電力、より長いライフサイクルのための高い耐久性、または厳しい予算に合わせたコスト効率を優先する企業もいます。

SSD のハードウェアとソフトウェアの設計オプションは非常に多様であるため、企業はまずストレージとサーバーのニーズを決定し、次に正確な要件を念頭に置いて SSD を提供できるベンダーを探す必要があります。

パフォーマンスと耐久性を高めるために SSD をカスタマイズする

フラッシュメモリのタイプ、ブロック割り当て、接続インターフェイスなどの要因は、SSD のパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。

副作用や耐久性への影響を与えずにパフォーマンスを向上させる最も簡単な方法の 1 つは、入手可能な最適な NAND を選択することです。すべての NAND が同じように作られているわけではないため、フラッシュメモリベンダーは競合他社に勝つために NAND 製品を継続的に改善およびアップグレードしています。購入する前にリサーチをすることは有益です。フィソン社のエンジニアリングチームは、主要な NAND ウェーハメーカーと提携して取り組んでいます。新しい NAND テクノロジーを出荷前に評価し、ストレージ製品で使用できる NAND を検証します。 NAND に関する Phison の専門知識は、顧客がストレージアプリケーションで使用する最適な NAND を選択するのに役立ちます。

NVMe と SATA

SSD をサーバーのマザーボードに接続する方法によって、スループットが向上し、パフォーマンスが向上します。すべての企業がデータセンターで HDD を使用していたとき、最も一般的な接続インターフェイスはシリアル ATA (SATA) でした。最新バージョンのインターフェイスである SATA III の最大帯域幅スループットは 600 メガバイト/秒 (MB/s) です。 SAS も人気がありますが、SATA 物理インターフェイスにも依存しています。 SAS インターフェイスは 2 倍高速ですが、物理プラッターの機能は SATA とほぼ同じです。

2011 年、SSD がより広く受け入れられるようになり、Non-Volatile Memory Express (NVMe) と呼ばれる新しいストレージプロトコルが作成されました。 SATA よりも約 6 倍高速な PCI Express (PCIe) 3.0 バスを使用するため、すぐに SSD をマザーボードに接続するための業界標準になりました。これは、SSD は通常 x4 PCIe レーンを使用しており、2011 年のスループットは 600 MB/秒だったのに対し、3500 MB/秒を達成していたためです。現在では、同じ x4 レーンが Gen5 シグナリングを使用して 14 GB/秒のスループットを提供しています。回転プラッタとは異なり、デジタル NAND フラッシュメモリはインターフェイス帯域幅全体をサポートできます。 NVMe PCIe SSD は、超高速であることに加えて、データアクセスとコマンドキューの遅延を短縮できます。 NVMe SSD は優れたマルチタスク機能も備えています。これらすべての改善により、パフォーマンスが向上します。

メモリセルの種類

SSD は主にフラッシュコントローラーとデータを保存する NAND フラッシュメモリセルで構成されます。これらのメモリセルには、速度とセルが受け入れることができるデータビット数を決定するいくつかの構成があります。

- シングルレベルセル (SLC) SSD は、最も基本的な構成です。各セルは 1 ビットのデータを受け入れます。 SLC SSD の利点はその速度です。SLC SSD は入手可能な SSD の中で最も高速です。また、最も信頼性と耐久性の高い SSD であり、当然のことですが、最も高価です。現在、オール SLC 構成は、映画業界、医療画像処理、高周波取引、宇宙ベースのセンサープラットフォームなどの特殊なアプリケーション向けに予約されています。

- マルチレベルセル (MLC) SSD は、セルごとに 2 ビットのデータを受け入れます。これらは、セルに 2 ビットを書き込む方が 1 ビットを書き込むよりも時間がかかるため、SLC SSD よりも遅くなります。また、セルに書き込まれるデータが多くなり、時間の経過とともに繰り返し使用されるとメモリセルが劣化するため、信頼性と耐久性も低くなります。この構成は現在ではほとんど非推奨となり、TLC と QLC が優先されます。

- トリプルレベルセル (TLC) SSD は、セルごとに 3 ビットのデータを受け入れます。現在最も一般的なタイプのエンタープライズ SSD として、SLC よりも低価格で大容量を提供します。ただし、その代償として、速度、信頼性、耐久性が低下します。 TLC は当然のことながら、すべてのエンタープライズストレージのベースラインです。 SLC は特殊な NAND とみなされ、QLC はコストが最適化されたアプリケーションまたは読み取り集中型のアプリケーションに使用されます。

- クアッドレベルセル (QLC) SSD は、セルごとに 4 ビットのデータを受け入れます。 QLC NAND の価格は TLC よりも低くなりますが、現行世代の QLC は TLC に比べてパフォーマンスと耐久性が比較的低くなります。現行世代の QLC NAND は、最小限の書き込み I/O を備えた読み取り集中型のアプリケーションでの使用に最適です。

- ペンタレベルセル (PLC) SSD は、セルごとに 5 ビットのデータをエンコードします。まだ市販されていませんが、PLC SSD は NAND ダイあたりのストレージ容量が大きく、小売レベルでは GB あたりのコストが低くなりますが、QLC や TLC NAND と比較するとパフォーマンスと耐久性は低下します。 PLC NAND の実際の用途は、HDD のパフォーマンスとほぼ同等の、使用頻度が低い USB フラッシュドライブまたはフラッシュメモリカードです。

これらすべてのタイプのメモリセルに関する課題は、顧客アプリケーションのパフォーマンス、信頼性、耐久性のニーズのバランスをとる方法を見つけ出すことです。読み取り速度、書き込み速度、プログラム/消去 (P/E) サイクル、データ保持、有効電力などの機能は、それぞれの品質に直接影響します。

たとえば、現在主流のエンタープライズストレージでは主に TLC NAND が使用されています。比較すると、全 SLC NAND SSD は製造コストが 3 倍かかりますが、優れた低遅延パフォーマンスを実現します。対象となるアプリケーションには、高頻度の株式市場取引や、ハリウッドのアクションシーンの録画に使用される 8K ビデオドローンなどの書き込み負荷の高いアプリケーションが含まれます。 QLC NAND は通常、TLC NAND よりも価格が安く、同じ NAND ダイで TLC よりも 33% 多くのストレージを提供します。 QLC NAND は、石油調査、新しいジェットタービンの開発、ゲノム研究の実行など、データ集約型のアプリケーションに適しています。以下で説明するように、NAND をアプリケーションに適合させることは、考慮する必要がある要素の 1 つにすぎません。

オーバープロビジョニング

NAND フラッシュメモリは磁気メディアのように直接上書きできません。古いブロックが消去されて再書き込みできるようになる前に、まだ有効な古いデータを新しいブロックに移動する必要があります。まだ有効なデータを収集するプロセスは「ガベージコレクション」と呼ばれますが、この場合は、無効で古くなった古いデータを消去し、有効な使用データを収集することを指します。ブロックの消去は、読み取りまたは書き込み操作に比べて非常に時間がかかります。正しく処理されないと、消去操作のパフォーマンスが低下し、レイテンシの分布が大幅に拡大します。ユーザーが直接アドレス指定できない予備容量を提供して SSD をオーバープロビジョニング (OP) すると、新しいデータが書き込まれるときにデータが自然に無効になるまでの時間が長くなります。これにより、ガベージコレクションのオーバーヘッドとドライブの摩耗が軽減され、同時に遅延分布曲線が大幅に引き締められます。追加の OP があると、システムはシステムのパフォーマンスを中断したり低下させたりすることなくプログラム/消去サイクルを実行できます。

OP を増加すると、定常状態のパフォーマンスも向上し、Write Amplification Factor (WAF) が減少し、実際に SSD の耐久性が向上します。 OP によりユーザー容量は減少しますが、NAND を追加することで相殺できますが、残念ながらコストと有効電力の両方が増加します。

並列処理

HDD には、メディアに対する読み取り/書き込みヘッドの位置を管理するスイープアームが 1 つまたは 2 つしかありません。各ディスク面には専用のヘッドがありますが、同じアーム上のすべてのヘッドは各ディスク面の同じセクタを参照する必要があるため、ランダムパフォーマンスが大幅に制限されます。対照的に、4 TB SSD には 64 個の独立した NAND ダイがあり、それぞれに 2 ～ 6 個の独立したプレーンがあります。これは、エンタープライズ SSD が 60 ～ 80 マイクロ秒ごとに最大 384 個の I/O コマンドを同時に処理できることを意味します。これは、毎秒 150 ～ 400 IOPS に制限されている HDD と比較して、エンタープライズ SSD が 100 ～ 200 万 I/O/秒 (IOPS) を達成する方法です。これらの数字を大局的に考えると、まばたきは約 1/3 秒です。

ストレージコントローラーの設計を検討すると、さらなる改善が可能です。一般的なエンタープライズコントローラーには 6 ～ 8 個の大きな処理コアが搭載されていますが、Phison の設計は 32 ～ 48 個のマイクロコアに重点を置いています。より複雑なプロセッサを設計するには追加の労力が必要ですが、追加の並列処理、待ち時間の短縮、電力の向上など、いくつかの利点がもたらされます。

電力使用量に合わせて SSD をカスタマイズする

企業が二酸化炭素排出量の削減に努める中、データセンターはエネルギーを節約し、コストを削減するいくつかの機会を提供します。選択肢の 1 つは、電力を大量に消費する HDD をより効率的な SSD に置き換えることです。ただし、一部の SSD は他の SSD よりも効率的です。単に回転メディアをデジタルメディアに置き換えるだけでなく、SSD をカスタマイズしていくつかの追加の方法で消費電力を削減できます。

Phison E18 ベースのクライアント SSD には、ラップトップでハイエンドゲームをプレイしながら最大 20% の追加バッテリー寿命を提供する積極的な電源管理機能が含まれています。 Phison Enterprise X1 コントローラーは、30% によって電力を削減しながら、業界をリードするパフォーマンスの SSD を実現します。

ストレージコントローラーの電力消費を管理する 1 つの戦略は、より小さなプロセスノードに移行することです。たとえば、プロセスノードサイズを 28nm から 12nm に縮小すると、ノードはより低い電圧でより高い周波数で動作できるようになります。バス上でのデータの移動やトランジスタの切り替えに使用するエネルギーが少なくなるため、SSD が使用するエネルギーが削減されます。消費電力が少ないということは、SSD が発生する熱が少なくなり、トランジスタのリーク電流が減少することを意味します。

電力要件を減らすもう 1 つの方法は、SSD が使用する NAND チャネルの数を減らすことです。この機能は、NAND から SSD コントローラーにデータを移動するために使用される ONFI バス速度の向上によって可能になります。 Gen4、さらには Gen5 PCIe インターフェイスを飽和させるために 8 チャネルや 16 チャネルは必要なくなりました。わずか 4 つの NAND チャネルだけでホストインターフェイスが飽和状態になる可能性があります。バックエンドチャネルの数を減らすと、SSD の合計電力が 20 減少して 30% になります。

Phison は SSD カスタマイズパートナーとして最適です

SSD などのカスタマイズされたフラッシュストレージソリューションを開発するには、高度な専門知識が必要です。賢明な企業は、カスタムコンポーネントを作成するための知識と専門知識を持つパートナーを見つけます。

20年前に世界初のシングルチップUSBフラッシュコントローラーを開発して以来、フィソンは成長を続け、その知識ベースを拡大してきました。 Phison はパートナー向けのオンデマンドエンジニアリングサービスとして機能し、NAND フラッシュコントローラーの重要な IP をすべて社内で所有しています。このような高度な経験により、同社は OEM クライアントや企業向けに製品をカスタマイズする際に、より高い柔軟性を提供します。