レビュー
オールフラッシュNASを「寿命」視点で考える、10GbE＋オールフラッシュの超高速NASに死角はあるのか？
圧倒的速度で、作業効率は大幅アップ
2021年3月23日 08:00
10GbE、Wi-Fi 6など高速LANの普及に後押しされ、SSDのみで構成されたオールフラッシュ構成のNASの注目度は年々高まりを見せている。
オールフラッシュ構成のNASをこうした高速なLANとセットで利用すればローカルストレージと遜色ない性能を実現できるので、従来のNASでは絶対性能が足かせとなって実用的ではなかったような活用法も、実際に業務で利用できるレベルにまで引き上げてくれる可能性を秘めている。
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例えば、現在の動画編集ソフトは、共有ストレージを活用した共同ビデオ編集機能が搭載されている。この機能は、HDDを採用するNASでももちろん利用できるが、快適な作業環境を実現するには、ストレージ性能が高ければ高いほどいい。つまり、オールフラッシュ構成のNASであれば、より"快適"な作業環境を構築できるはずだ。
前回の記事では、こうしたオールフラッシュ構成のNASの活用事例として、動画編集や雑誌誌面の編集を行う制作会社のワックスグラフィックスの導入事例を紹介した。
今回は、オールフラッシュ構成のNASを導入した同社の使用感を紹介し、SSDやオールフラッシュ構成のNASにおける寿命やメリットなどを技術的な側面から解説する。
大幅に性能がアップしたNAS環境、ローカルストレージと遜色ない性能
ワックスグラフィックスが導入したNASは、テックウインドが発売しているAXELBOXシリーズの「AXEL-673/12TB」。内部ストレージにSSDのみを採用したオールフラッシュ構成の高速NASで、10GBASE-T LANカードが標準で組み込まれている。
採用されている内部ストレージは、Western Digital製のNAS向けSerial ATA SSD「WD Red」の2TBモデルだ。これをRAID 6構成で使用しており、実効容量は約6.39TBとなっている。
ワックスグラフィックスでは、AXEL-673/12TBの高速性を最大限に生かすため、既存の1GbEネットワーク環境に10GBASE-T対応のスイッチを設置し、10GbE対応のネットワーク環境へと移行。10GbE対応のネットワークに接続しているのは、Thunderbolt 3対応の10GbEアダプターやUSB 3.2 Gen 1対応の5GBASE-Tアダプターを接続し、10GbEへの対応を行った3台のiMacである。
10GbE環境に導入したAXEL-673/12TBの性能は、macOS用のベンチマークソフト「AmorphousDiskMark」による計測で、最大読み出し速度が557.19MB/s、最大書き込み速度が480.61MB/sだった。ネットワーク経由ということもあり、ランダムアクセスではローカル接続のSerial ATA SSDほどの速度はさすがに出ていない。しかし、シーケンシャル速度はSerial ATA接続のSSDとほぼ同等まで引き上げられている。
なお、この速度は、ジャンボフレームを利用していない状態で行った結果だ。AXEL-673/12TBで最大性能を発揮させたい場合は、9000バイトのジャンボフレームの利用が推奨されている。これを利用すれば、さらなる性能アップも期待できるだろう。
オールフラッシュ＋10GbEで作業効率は大幅アップネットワーク越しの動画編集もサクサクに
ワックスグラフィックスによれば、AXEL-673/12TB導入の効果は非常に大きかく、、NASに置いたデータをそのまま動画編集のソースとして利用しても、ローカルに動画編集のソースを置いた場合と遜色ない体感速度で作業が行えているそうだ。ネットワーク越しとは思えないほどの快適さで、動画編集作業がサクサク行えているという。
また、AXEL-673/12TB導入以前のワックスグラフィックスでは、スタッフ各自が（USB外付けHDDへ）二重三重にバックアップしながら、その都度NASからローカルPCにコピーして作業するという作業効率が悪化していたという。
この課題も、AXEL-673/12TB導入により解消している。同社によると、NASからローカルPCへのデータのコピーが必要な場合でも高速化によって短時間で作業が行えるようになったほか、データ一元化による容量節約を実現できたという。
ただ、テレワーク環境下でのリモートアクセスなど、業務変革を伴う新しい使い方については、ほかの業務などの都合もあり、その実現には至っていない。時間を見て、いずれチャレンジしてみたいとのことだ。
オールフラッシュ構成のNASの耐久性は大丈夫？ワークロードによって変動する耐久性
次にストレージにSSDを採用したオールフラッシュ構成のNASの耐久性について技術的な側面から解説しておきたい。
オールフラッシュ構成のNASは、その性能の高さが魅力だが、耐久性を不安に思うユーザーもいるだろう。SSDの記憶媒体である不揮発メモリは書き換え回数に制限があり、無限にデータを書き込めるわけではないからだ。
つまり、「大量のデータを書き込むような使い方では、すぐに寿命を迎えてしまうのではないか？」「NASのようにたくさんのデータを保存する機器に理論上の寿命があるストレージを用いても大丈夫なのだろうか？」と考えてしまうわけだ。
では「実際どうなのか？」を考察していきたい。
先に結論を書いておくと、技術的に考えた場合のオールフラッシュNASの耐久性は、「実際の使い方（ワークロード）」次第。そして、たいていのワークロードでは、ユーザーが抱いているイメージよりも、実際の耐久性の方が高くなると考えている。
例えば、ワックスグラフィックスが想定していた「動画編集や写真の保存・編集」といった用途がこれに該当する。
これはSSDの耐久性が、ワークロードによって変動するからだ。このような用途でSSDを利用したとき、ユーザーが抱くイメージを遥かに凌駕する耐久性を見せる可能性すらある。
SSDの耐久性指標「TBW」を正しく理解しよう「TBW＝これだけ書いたら壊れます」ではない
SSDの耐久性能を示す指標としては、「TBW（Total Byte Written）」が有名だ。
TBWとは、製造メーカーが製品としての"正常動作を保証"する最大書き込み容量／総書き込み容量である。要するに、普通に使える状態を保証する指標だ。
実際にSSDの製品保証規定を読んでいただくと分かるが、現在のSSDでは、保証期間が、製品購入日から○年間またはTBWで指定している書き込み容量までのいずれかとなっているケースが多い。つまり、購入日から規定の日時が経過するまでか、それ以前にTBWの容量のデータを書き込むと、製造メーカーの保証期限が切れるというわけだ。
こうした表現のためか、「TBW＝これだけ書いたら壊れます」と理解されている方が時々いる。つまり「TBWの容量を書く＝記憶媒体の書き換え上限に達する＝もう書き込めない」と理解されているのかと思われる。
だが、実はこの考え方は正確ではない。
TBWは、あくまで製造メーカーが正常動作を保証している総書き込み容量である。多少乱暴かもしれないが、意味合い的には「書き込まれているデータを正しく読み出せなくなる場合が出てくる可能性が高くなったので、速やかに交換しましょうね」といったところだ。
通常、メーカーが公表しているTBWは、SSDに対して"決められた使い方（ワークロード）"を実施した場合に、特定の条件を満たすことができる書き込みデータの総容量を求めている。そして、言うまでもないがその条件は、すぐさま書き込んだデータが読み出せなくなるような基準とはなっていない。
TBWは特定のワークロードを想定して計測される使い方が変わればTBWも変わる……
TBWを算出する場合に多くのメーカーが採用している要件が、JEDECが策定したSSDの製品寿命に関する業界標準「JESD218」と「JESD219」である。
JESD218では、TBWを求めるときの条件（満たさなければならない条件）として、「クライアントクラス」と「エンタープライズクラス」が規定されている。デスクトップ向けSSDなどのクライアントクラスでは、40℃の環境で1日8時間電源をオンにして使用すること、データの保持期間は電源オフの場合に30℃の環境で1年間とすることが条件となっている。エンタープライズクラスは、55℃の環境で24時間連続稼働。データの保持期間は電源オフの場合に40℃の環境で3カ月が条件となっている。
| クライアントクラス | エンタープライズクライス | |
| 動作環境 | 40℃（8時間／1日） | 55℃（24時間／1日） |
| データ保持期間 | 30℃、1年間 | 40℃、3カ月 |
| FFR ※1 | ≦3％ | ≦3％ |
| UBER ※2 | ≦10-15 | ≦10-16 |
※1 FFR（Functional Failure Requirement）：ストレージ機能を喪失したSSDの割合
※2 UBER（Uncorrectable Bit Error Rate）：ECC補正後の読み込み時のデータエラー数を、読み込んだ総ビット数で割った率
もう一方のJESD219は、TBWを求めるときに利用されるワークロードを標準化したものだ。クライアントワークロードとエンタープライズワークロードの2種類が規定されている。
クライアントワークロードは、OSがインストールされた起動用のドライブを前提としたものだ。主にオフィスや家庭で利用されることを想定しており、局所的に発生するワークロードで、SSDへのアクセスがない時間も多く、書き込みは少なめという特長があるワークロードとなる。
一方、エンタープライズワークロードは、24時間の連続稼働を前提としたものだ。ランダムアクセス主体で、書き込み容量も多い。データベースサーバーなどの絶え間なくアクセスが来ることを前提としたものとなる。
TBWで示されている総書き込み容量は、JESD219のワークロードを実施したときに、JESD218の条件を満たしていなければならない。このため、JESD218の条件を見ても分かるが、TBWは、決して書き込まれたデータが読み出せくなったり、書き込めなくなったりする容量を求めたものではない。
加えて言うと、クライアントクラスでは、データの保持期間も電源オフ時で1年間となっている。TBWの容量を超えて書き込みを行った場合でも、速やかにSSDを交換すれば、データを失う危険性は低いと見ていいだろう。
ただ、TBWには、注意点もある。それは、TBWがJESD219で規定された特定のワークロードを行った場合の書き込み容量を示していることだ。
TBWの算出に用いたワークロードから大きく逸脱したようなワークロードで使う場合、TBWは大きく変化する。例えば、動画や写真などサイズの大きなシーケンシャルデータを大量に使うような場合にはTBWは増加し、逆に延々と小さなデータのランダムライトばかりを繰り返すような使い方が主体になるとTBWは、逆に減少する傾向が高くなる。
「TBWが変わる」理由SSDは「ホストから送られたデータ以外」も読み書きしている
ワークロードによってTBWが変化する理由は明快だ。SSDは、ホストから送られてくるデータを書き込む以外にも、その内部でさまざまなデータの書き込みを行っているからだ。
例えば、NANDフラッシュメモリーのどこにデータを書き込んだかを記すアドレス変換テーブル（FTL）やS.M.A.R.Tに代表されるSSD内部の統計情報、ガベージコレクション、静的ウェアレベリングなど、ホストから送られてくるデータ以外にもSSD内部では、信頼性を高めたり、効率的な管理を行うためにさまざまなデータの書き込みが行われている。ワークロードが異なると、この内部で行われているデータの書き込みが減少したり、増えたりするのだ。
というのも、SSDに採用されているNANDフラッシュメモリーには、書き換え回数に制限があるのは多くの方が知るところだが、この書き換え回数で書き込むことができるデータの総容量は、通常、TBWの数倍の容量がある。
例えば、Western Digital社のWD Red SA500の1TBモデルの場合、TBWは「600TB」と公表されているが、WD Red SA500に採用されているNANDフラッシュメモリーの書き換え回数を3D TLC NANDメモリに多くみられる3000回と仮定すると、計算上は「3000TB」もの容量を書き込めることになる。この容量は、公表されているTBWの5倍も大きい容量である。
ではなぜ、TBWと書き換え回数で単純計算したときの書き込み容量の差が出てくるのだろうか。それが、先ほど説明したように、SSD内部で行われているホストから送られてくるデータ以外のデータの書き込みだ。
TBWは、ホストから送られたデータを対象とした書き込み容量であり、SSD内部で行われているそれ以外のデータの書き込み容量は含まれない。つまり、ホストから送られるデータ以外の書き込みを減らすことができればTBWは増加し、逆にそれが増えるとTBWは減少することになる。
SSDの寿命を延ばすには？ (1)動画や写真などの大きなデータをメインに扱う
SSDの内部で行われるデータの書き込みを減らすのに有効なのが、内部の管理効率の向上である。SSDの記憶媒体として採用されているNANDフラッシュメモリーには、書き換え回数以外にも制約があり、内部の管理効率を向上できれば、不要な書き込みを減らすことができるからだ。
例えば、SSD内部で行われる代表的な処理の1つにガベージコレクションがある。データの上書きが行えないNANDフラッシュメモリーへデータを書き込む際には、事前に消去されていなければならない制約がある。ガベージコレクションは、このために消去済みのブロックを作成しておくための処理だ。
さらに、NANDフラッシュメモリーの読み出し／書き込みの最小単位はページという単位で行われるが、消去はページを複数個まとめたブロックと呼ばれる単位で行われる。
つまり、NANDフラッシュメモリーでは、有効なデータが1つ以上存在するブロックを消去できない。そこで、ガベージコレクションによって、有効なデータを別の場所に移動して消去可能なブロックを作り出し、消去済みブロックを作成するというわけだ。
だが、言うまでもなくこの処理には、データの書き込みを伴う。ガベージコレクションの頻度が高くなると、それだけSSD内部で不要な書き込みが発生する。加えて、SSD内部でデータを別の場所に移動させるということは、アドレス変換テーブルの書き換えも必要になる。当然ながら、この処理にもデータの書き込みが伴う。
こういったように、SSD内部で書き込みが発生すると、それに関連してさまざまなデータの書き込みも発生する。こうした書き込みを減らすために有効な使い方の1つが、動画や写真などの大きなデータ（シーケンシャルデータ）をメインに扱うことだ。
大きなデータは、そもそもNANDフラッシュメモリーの消去単位となるブロック全体を埋めるような書き込みがしやすい。つまり、ガベージコレクションが発生しにくいデータであり、大きなデータばかりを扱う使い方は、メーカーが公表しているTBWよりも多くのデータを書き込める方向に作用しやすくなる。
一方で、小さなデータばかりを書き込む用途では、消去単位となるブロック内に散発的に有効なデータとして残ってしまう可能性が高くなる。つまり、ガベージコレクションの処理対象になりやすい。このような用途は、逆にTBWを減らす方向に作用しやすくなる。
SSDの寿命を延ばすには (2)常時、空き容量を確保する
SSD内部の管理効率は、運用方法によっても高められる。その代表的な方法が、日頃から不要なデータをこまめに削除し、常時保存されているデータの容量をできるだけ少なくすること。SSDの側から見ると、「記録可能なページ」をできるだけ多く確保することだ。
SSDの寿命を最大化するために重要なポイントの1つが、NANDフラッシュメモリーに対してできるだけまんべんなく同じ回数を書き込むことにある。空き容量を増やすことで、書き込み先NANDフラッシュメモリーの選択肢が増え、最適な場所にデータを書き込みやすくなる。
例えば、一部のNANDフラッシュメモリーへの書き込み回数だけが異常に増加してしまうケースが抑制できるほか、仮に異常に書き込み回数が増加した場所があっても、静的ウェアレベリングによって書き込み回数の少ない場所へデータを強制的に移動させ、書き込み回数の均一化につなげることも行いやすくなる。
オーバープロビジョニングも、SSDの寿命延長に効果的な手法だ。これは、未使用の領域をあらかじめ確保しておくこと。例えば、SSDのパーティションを作成するときに全容量を割り当てずに、未使用の領域を残しておけばいい。こうすることで、前述したSSDの記録可能な容量に対し、実際に保存されているデータの容量の割合を少なく保つことができる。
重複排除やデータ圧縮の機能でも耐久性がアップ
このほかSSDによっては、重複排除やデータ圧縮といった機能により、ホストから送られてきたデータそのものの書き込み量を減らす製品もある。
重複排除とは、書き込み済みのものと全く同じデータの書き込みが発生した場合、そのデータを書き込まないようにして、読み出しが発生したら、書き込み済みのデータを参照する機能だ。
例えば、特定のフォルダー内のデータを、同一ストレージ内の別の場所へコピーした場合、実際に書き込まれるデータは1つしかないため、書き込み容量を削減できる。重複排除の機能は、SSDではなく、NASが備えているケースもある。
データ圧縮を備えるSSDは、データを圧縮してからNANDフラッシュメモリーへ記録する。圧縮後のデータが書き込まれるため、実際に書き込まれるデータ容量を削減できる。
寿命推測が可能な点もメリットに、計画的なストレージ交換で安定運用
これまで説明してきたことからも分かるように、SSDやオールフラッシュ構成のNASは、実際の使い方次第で、ユーザーが想像しているよりも多くのデータを書き込める可能性が高いことが理解できたのではないだろうか。
SSDやオールフラッシュ構成のNASは、少なくとも、メーカーが公表しているTBWという指標のみに頼って、その寿命を判断することはできない。
どのように運用し、どのようなワークロードで利用するかということを考慮し、できるだけ記憶容量に余裕を持った製品を導入を検討することが大切だ。
また、完全ではないにせよ、TBWという耐久性に関する指標が公表されているオールフラッシュ構成のNASでは、これが逆にメリットにもなる。TBWを内蔵ストレージであるSSDの交換時期の指標として活用すれば、計画的なストレージ交換を行え、安定した運用につなげることができるからだ。
内蔵ストレージにHDDを採用するNASでは、実際にこうした運用を行うのは難しい。RAIDを構成するHDDの故障に気付かずに運用を続け、残りのHDDも壊れて、NASにアクセスできなくなってから後悔するといったケースも多い。
これがオールフラッシュ構成のNASであれば、計画的な交換によって、こうした危険を防ける可能性が高まる。加えて企業においては、ストレージの交換時期を事前に検討できるため、予算かもしやすいというメリットもある。
オールフラッシュSSDで、高速＆快適なNAS環境を
以上、AXELBOXでの活用例をキーに、「オールフラッシュNAS」で気になる人も多いだろう「寿命」について考えてみた。
オールフラッシュ構成のNASは、極端に小さなデータばかりを24時間フル稼働で扱うといったケースを除き、多くのユーザーが想像するよりも実は高い耐久性を持つ。ネットワーク環境を10GbE＆Wi-Fi 6対応環境へと移行して高速化し、あわせて高速なNASを導入したいと考えている場合は、ぜひ検討してみて欲しい。
ちなみに今回活用してみたAXELBOXシリーズには、「SSDエキストラオーバープロビジョニング」という耐久性を高める機能も標準でついており、内蔵SSDの耐久性を確実に底上げすることもできる。速度の点でも、10GbEにも対応しており、オススメできる製品と言える。
【お詫びと訂正 3月23日 11:12】
記事初出時、ストレージ機能を喪失したSSDの割合に関する記述に誤りがありました。お詫びして訂正いたします。
誤：FER（Functional Failure Requirement）
正：FFR（Functional Failure Requirement）
