急成長!エンタープライズ向け「フラッシュストレージ」最新動向

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急成長!エンタープライズ向け「フラッシュストレージ」動向

2014/10/27

 昨今の企業システムで扱われるデータは、より大容量・複雑化しているが、システムを構成する機器やネットワークの高性能化が進む一方で、データ処理を行うストレージ分野ではこれらの技術革新に追いつけるほどの性能向上ができておらず、ボトルネックとなっていることも少なくない。そんな中、台頭してきたのが「フラッシュストレージ」だ。高性能だが高価なイメージのあるフラッシュストレージも、容量ではなく処理性能を考えれば、費用対効果は十分に得られる。今回は、「フラッシュストレージ」について、その種類や基本構造、導入メリットなど基本知識をおさらいするとともに、今後の導入・運用を考えた製品選定のポイントをまとめていく。

フラッシュストレージ

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1フラッシュストレージの基礎知識

 記憶媒体にフラッシュメモリを採用した「フラッシュストレージ」のシェアが拡大している。2014年2月にIDC Japanが発表した調査結果では、2013年のフラッシュストレージの売上は112億1600万円で、2012年の売上と比較すると175.4%と大きく成長している。その成長は引き続き拡大すると予想され、2017年の売上は334億3800万円に増加する見込みだ。2012年から2017年までの年間平均成長率は実に39.2%と予想されていて、まさに注目のストレージと言えよう。
 詳しくは後述するが、HDDに代わってフラッシュストレージが求められるようになった背景には、サーバーやネットワークなどシステムのデータ通信速度が高速化していくのに対してHDDのI/O速度の伸長が追いつかず、システムのパフォーマンスに影響する「ボトルネック」になってしまっていることが挙げられている。そんなHDDの持つ弱点を解消するフラッシュストレージとは如何なるものだろうか、詳しく解説していきたい。

1-1フラッシュストレージとは?

 期待のストレージ、「フラッシュストレージ」は、前述したとおり記憶媒体に「フラッシュメモリ」を採用したストレージデバイスの総称だ。

■フラッシュメモリとは

 フラッシュストレージの根幹をなす「フラッシュメモリ」は、データを自由に書き込みできる「RAM」と、電源を切っても記録内容が保持される「ROM」の両方の特性を合わせ持つ半導体のこと。その基礎構造の違いから「NAND型フラッシュメモリ」「NOR型フラッシュメモリ」などに分類されるが、現在、データストレージ向けに一般的に採用されているのは「NAND型」である。
 また、NAND型フラッシュメモリの半導体にはデータの記録方式の違いによって、「SLC(Single Level Cell)」と「MLC(Multi Level Cell)」、そして「TLC(Triple Level Cell)」といった種類がある。性能の違いは以下のとおりだが、現在はコストと性能、寿命のバランスのよいMLCタイプのフラッシュメモリが採用されることが一般的となっている。なお、エンタープライズ向けにMLCを改良して寿命を延ばしたフラッシュメモリである「eMLC」も登場している。
 なおフラッシュメモリは、データの書き換え回数に上限がある。書き換え回数が性能の上限に達すると、それ以上は使えなくなる。いわゆる「寿命」ということとなる。ここで「書き換え」と表現しているのは、フラッシュメモリにデータを保存する場合、HDDなど磁気メディアのようにデータの「上書き」ができないためだ。すでにデータのある領域にデータを書き込む場合には、古いデータを「消去」してから新しいデータを保存する必要がある。

表1 NAND型フラッシュメモリの種類と比較
表1 NAND型フラッシュメモリの種類と比較
◎=優れる、○=普通、△=やや劣る
資料提供:SNIA-J(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)

■フラッシュメモリの集合体であるフラッシュストレージ

 そんなフラッシュメモリを「集合体」として実装したのがフラッシュストレージだ。
 具体的には、「SSD(Solid State Drive)」、または独自設計・仕様によってフラッシュメモリを集合してモジュール化し(コラム参照)、それらを内蔵してサーバー/エンタープライズ向けのストレージデバイスとして利用する。なお「USBメモリ」や「SDメモリカード」などもフラッシュストレージだが、ここで紹介するような製品群とは用途が違うのでここでは触れてはいないのでご了承いただきたい。

■フラッシュストレージの種類

 ここでフラッシュストレージの種類を分類していこう。

サーバーサイドフラッシュ

 サーバー内のPCIe(PCI Express)ポートに直接接続する、ボード型のフラッシュストレージ製品。「ホストフラッシュ」と呼ばれることも。サーバー内のPCIeポートに直接接続するので、他のサーバーとの共用はできない。

オールフラッシュアレイ

 ストレージアレイ内の記憶装置が、すべてフラッシュメモリで構成されたフラッシュストレージ製品。

ハイブリッドアレイ

 ストレージアレイ内の記憶装置が、フラッシュメモリとHDDの混在状態で構成されたフラッシュストレージ製品。HDDと混在することでオールフラッシュアレイよりもデータ容量を増やせる。

 ほかに、オールフラッシュアレイ/ハイブレッドアレイには、フラッシュストレージユニットやモジュールを拡張して容量を増やせる「スケールアウトフラッシュストレージ」と呼ばれるタイプの製品もある。

図1 PCIe SSD
図1 PCIe SSD
サーバーサイドフラッシュである富士通「PCIe SSD」シリーズ。
資料提供:富士通

図3 Violin 6000シリーズ
図3 Violin 6000シリーズ
オールフラッシュアレイである「Violin 6000シリーズ フラッシュメモリアレイ」
資料提供:Violin
図2 IBM FlashSystem 840
図2 IBM FlashSystem 840
オールフラッシュアレイであるIBM「IBM FlashSystem 840」
資料提供:IBM

図4 nimble storage
図4 nimble storage
ハイブリッドフラッシュアレイである、ニンブルストレージ「nimble storage」
資料提供:東芝

コラム:フラッシュストレージの実装の違い 〜SSDと独自設計〜

 前述のとおり、フラッシュストレージにフラッシュメモリを実装するとき、製品内にSSDを内蔵する場合と、独自設計のフラッシュメモリモジュールを内蔵する場合がある。
 SSDもフラッシュメモリで構成されていて、基本的にフラッシュストレージの一形態。その特徴は、HDDと互換性を保った仕様であるということ。筐体のサイズやI/Oの仕様などもHDDと同一で、そのためにフラッシュメモリが持つ性能を十分に発揮しない。その代わりにHDDとそのまま差し替えることができ、容易に換装できるほか、フラッシュストレージに実装する場合も手間がかからない。
 一方の独自設計のフラッシュモジュールの場合は、各ベンダが独自技術を採用した設計を施すことが可能となる。それによって、フラッシュメモリのI/Oに最適化されたコントロールチップを搭載したり、フラッシュモジュールレベルでRAID機能を搭載させたりと、フラッシュメモリの機能を存分に発揮できる形での実装が可能となる。

図5 IBMのオールフラッシュストレージに採用されているフラッシュモジュールの概要図
図5 IBMのオールフラッシュストレージに採用されているフラッシュモジュールの概要図
資料提供:IBM

コラム:製品ごとの性能差は“コントローラ”の差?!

 フラッシュメモリをストレージとして成立させるには、メモリチップの動作を司る「コントローラ」が必要となる。コントローラからの指示によって、フラッシュメモリ上でのデータ消去操作(ガベージコレクション)や、データを書き込みする際のデータ量単位(512B〜4kB)などが調整されることになる。
 このコントローラのアルゴリズムや実装方法がベンダによって異なる。フラッシュメモリモジュールにCPUを搭載してソフトウェアでコントローラを実装して制御するベンダもあれば、コントローラをハードウェア化して搭載し、制御に利用するベンダもある。また、コントローラの性能によって、フラッシュメモリの寿命を延ばすことも可能であるという。
 ともすると横並びに見えなくもないフラッシュストレージ製品においては、このような内部コントローラでの微妙な処理の工夫によって、ベンダごとの性能差が生じるのである。コントローラの性能こそが、ベンダとエンジニアの“腕の見せ所”ということになるだろうか。

図6 使用条件によって変化する性能・寿命
図6 使用条件によって変化する性能・寿命
資料提供:SNIA-J(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)

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