データセンターにおけるメモリーとストレージの見直し

インテルの新たな革新的テクノロジーが、メモリーとストレージの階層構造に変革を起こしています。

データセンターにおける大きな賭け

システム・アーキテクチャーを見直して再設計を進めている企業ならば、大量のデータから有益な洞察を引き出し、イノベーションを期待できますが、 再設計に取り組んでいない企業は、データの雪崩に埋もれないようにするだけで精一杯と気付くことになるかもしれません。

ただし、問題は生データの保存だけにあるわけではありません。企業が競争力を維持するには、ビジネス上の洞察、研究、AI に活用するすべてのデータに迅速かつ高いコスト効率でアクセスして処理しなければなりません。このレベルの処理を可能にするにはメモリーとストレージの両方が必要となるため、容量の制限と性能の制約にコスト負担が見合っているか、多くの企業が苦戦しているようです。

ワークロードごとに異なる種類のメモリーとストレージが必要になることも、この課題をさらに手強くしています。加えて、コスト対パフォーマンスのトレードオフを最適化するために、複数のテクノロジーを併用する場合もあります。

インテルは、企業がデータセンター・アーキテクチャーを再構成できるように、メモリーとストレージの最新テクノロジーでこの課題に取り組んでいます。

メモリーとストレージの階層間のギャップ

これまで、メモリー / ストレージ・ソリューションに制限を課すのは、密度、性能、コストとされてきました。この制限は、組織の分類に関係なく、小売から政府機関、医療、金融まであらゆる業界で見られます。例えば、データ負荷が高まれば、クラウド・サービス・プロバイダー (CSP) はサービスレベル・アグリーメント (SLA) の遵守に奮闘することになります。金融サービス企業が大量のトランザクションを高速で処理するには、容量と性能の制限に直面する可能性も排除できません。また、企業は顧客、資産管理、ソーシャルメディア、IoT のデータから生じるインメモリー分析のニーズに追い付くこともできていません。これは、ダイナミック RAM (DRAM) のコストが高く、容量が制限されていることが主な原因です。

企業がデータを効率的かつ効果的に管理するには、ニーズと予算に合わせ、どのインフラストラクチャー・コンポーネントを割り当てるのが最適か、特定する必要があります。従来の階層構造では、各テクノロジーにそれぞれ長所と短所があるため、これは簡単な作業ではありません。

  • DRAM は性能が高い反面、コストが高く、揮発性で、拡張性も制限される。
  • フラッシュストレージ (NAND) は不揮発性で DRAM と比べてコストが抑えられるが、性能は DRAM に及ばない。
  • 回転式ハードディスク・ドライブ (HDD) は最小コストで大容量ストレージを確保できるが、物理ディスクでは、信頼性、物理的スペースの要件、冷却、電力など総保有コスト (TCO) に影響する周知の問題が発生する。

まとめると、この従来型のストレージ構成では、データセンターのメモリーとストレージの間に大きなギャップが残されているため、アプリケーション性能が制限されます。増え続けるデータと、より多くのデータに素早くアクセスする必要性が、問題をさらに拡大させています。

具体的に言うと、データセンターを変革しようとしている組織は、メモリーとストレージを隔てる 2 つのギャップを解消する必要があります。

  • 高価なうえに容量の小さい DRAM と手ごろな価格の NAND ベースのソリッドステート・ドライブ (SSD) の間にあるギャップ。
  • 低速の NAND SSD と低コストだが信頼性の低い HDD の間にあるギャップ。

これまでは、コスト、容量、性能のバランスをとってこの 2 つのギャップを解消できる現実的な選択肢がありませんでした (図 1 を参照)。

図 1. 従来型のメモリーとストレージの階層構造では、容量、コスト、性能に大きなギャップが残されている

インテル® テクノロジーによる階層構造の変革

性能、容量、信頼性の向上を意図して設計されたインテルのソリューションが、データセンターでメモリーとストレージを隔てていたギャップを取り除きます。このソリューションにより、レイテンシーを低減し、従来型の構成と比較してより高い運用価値が生み出されます。特に次の 3 つの製品ファミリーは、新しいデータ階層に柔軟に対応して、データセンターにおけるコストとパフォーマンスのギャップを解消することを目的に設計されています。

  • インテル® Optane™ パーシステント・メモリーは、大容量、妥当な価格、永続性を提供する 1 段階上のメモリー / ストレージ・テクノロジーです。大量のデータをプロセッサーの近くに保持できるので、ワークロードとサービスを最適化して、レイテンシーを低減し、パフォーマンスを強化できます。
  • インテル® Optane™ SSD は、メモリーとストレージの特性を兼ね備え、高スループット、低レイテンシー、高いサービス品質 (QoS)、高耐久性を実現します。
  • インテル® QLC 3D NAND SSD (インテル® SSD D5-P4320 など) は、市場で最高のデータ容量密度を実現し、アクセス頻度の低いデータの保存用に HDD の代替として最適な価格帯で提供される Peripheral Component Interconnect Express* (PCIe*) ドライブです。

この革新的な製品群により、データセンター構成を見直して最新のワークロードに対応できるビジネス競争力を維持することが可能になります。各製品の詳細と、実環境で期待できる性能、容量、コストの面でのメリットを以下に示します。

インテル® Optane™ テクノロジーがデータの階層構造に追加した新たな層

企業はこれまで想像もつかなかった方法でソリューションを再考して、新しいテクノロジーに適応し、顧客のニーズに応えるために進化しなければなりません。インテル® Optane™ テクノロジーは、インテル® 3D XPoint™ テクノロジーをベースとする不揮発性ストレージのこれまでになかった選択肢です。メモリーとストレージの階層構造に新たな層を加えて既存のデータセンター・アーキテクチャーを最新化することで、高性能の揮発性メモリーと性能は低くても手ごろな価格の NAND ストレージの間を隔てているギャップを解消します。インテル® Optane™ テクノロジーが実現する、低レイテンシー、高いサービス品質 (QoS)、高耐久性、高スループットの組み合わせは、ほかと一線を画しています。

図 2. DRAM の性能面の利点と NAND SSD の容量面の利点を兼ね備えたインテル® Optane™ テクノロジー

インテル® Optane™ テクノロジーは、高速アクセスを確保するために CPU の近くに配置する必要がある「作業データ」の処理に最適です。作業データは、期待どおりに瞬時の読み出し / 応答が求められるリアルタイム分析、金融取引、航空券の予約などのユースケースで、大量のデータに素早くアクセスできる必要があり、平均的な応答時間では不十分とされます。最初の要求でさえも、予測可能な一貫性のあるパフォーマンスが重要になります。

インテル® Optane™ パーシステント・メモリーとインテル® Optane™ SSD は、どちらもインテル® Optane™ テクノロジーを基盤としています。ただし、後述するように、それぞれフォームファクターが異なり、データセンターで個別に利用することも併用することも可能で、これまでとは違う革新的なメモリーとストレージの階層構造を提供できます。

コストのかかる DRAM の拡張または置き換えを可能にするインテル® Optane™ パーシステント・メモリー

インテル® Optane™ パーシステント・メモリーは、DRAM とインテル® Optane™ SSD 間のギャップを埋める、業界を変革する製品です。データのインメモリー処理に依存している企業では、インテル® Optane™ パーシステント・メモリーによって、AI、分析、ハイパフォーマンス・コンピューティング (HPC) などで膨大な量の「ホット」データにアクセスできるようになります。

従来の DRAM とは異なり、インテル® Optane™ パーシステント・メモリーには、高密度、手ごろな価格、永続性の組み合わせが備わっています。妥当な価格で (CPU ソケット当たり 3TB 以上に) システムメモリー容量を拡張することにより、大量のデータをプロセッサーの近くに移動し、従来の不揮発性システムストレージからのアクセス時に高くなるレイテンシーを最小限に抑えて、データセンター・ワークロードを効率的に最適化できます。

インテル® Optane™ パーシステント・メモリーは、次世代インテル® Xeon® スケーラブル・プラットフォームのリリースに伴い、2019年の普及拡大が見込まれます。

図 3. インテル® Optane™ パーシステント・メモリー・モジュール

データセンターの作業データに対応するインテル® Optane™ SSD P4800X

インテル® Optane™ SSD P4800X ドライブは標準 SSD のような外観ですが、インテル® Optane™ テクノロジーを基盤としているため、NAND ベースではありません。インテル® Optane™ SSD P4800X の独自のアーキテクチャーにより、NAND ベースの SSD と比較して、より高速で一貫した画期的な性能が実現されます。NAND ベースのドライブは、一般に読み出しは高速ですが、書き込みに時間がかかり、高頻度運用のストレス下では、書き込み時間がさらに長くなります。これに対して、インテル® Optane™ SSD は、バイトレベルまたはページレベルで書き込みを実行して、より高速で予測可能なパフォーマンスを実現するように設計されているため、読み出し性能と書き込み性能のバランスがよく、ガベージ・コレクションの必要もありません。

インテル® Optane™ SSD P4800X は、ドライブの書き込みスループットに左右されることなく、安定した読み出し応答時間を維持します。図 4 のグラフは、現世代のインテル® 3D NAND SSD と比較して、インテル® Optane™ SSD のレイテンシーがいかに低いかを示しています。特にランダム書き込み操作の増加の圧力下でその差は顕著で、 NAND ベースの SSD とは異なり、インテル® Optane™ SSD は、すべての書き込み要求に対して常に低レイテンシーを維持しています。1

図4.インテル® 3D NAND SSD と比較して、インテル® Optane™ SSD P4800X は一定して低レイテンシーを維持1

一貫した低レイテンシーと高耐久性の組み合わせにより、インテル® Optane™ SSD は、NAND ベースのソリューションよりもはるかに効率的にキャッシュデバイスとして機能します。

Evaluator Group による調査で、キャッシュ層のオール NAND フラッシュ書き込みキャッシュ / ストレージ・ソリューションをインテル® Optane™ SSD に置き換えた場合の影響が示されました。テストの結果、キャッシュ層にインテル® Optane™ SSD P4800X ドライブを配置した、インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサー搭載システムでは、前世代のシステムおよびストレージメディアに比べ、コスト・パフォーマンスが最大 3 倍に向上することが分かりました (IOmark-VM* ベンチマークで測定)。2

インテル® Optane™ SSD P4800X は、NAND ベースのドライブと比べて、耐久性もはるかに優れています。例えば、現在出荷されている 2 台のドライブを比較すると、NAND ベースのインテル® SSD P4600 はわずか 3 DWPD (1 日当たりのドライブ書き込み回数) であるのに対し、インテル® Optane™ SSD P4800X は最大 60 DWPD です。3 これは、インテル® Optane™ SSD は高トラフィックのキャッシュ環境で非常に優れた耐久性を示しているということになります。

図 5 に示すように、インテル® Optane™ パーシステント・メモリーをインテル® Optane™ SSD と組み合わせることで、柔軟性の高い全く新しいメモリーのような層を作ることもできます。これまで低速の NAND ストレージに格納されていた貴重なデータにも高速でアクセスして、活用できるようになります。

図 5. インテル® Optane™ パーシステント・メモリーをインテル® Optane™ SSD と組み合わせることで、インメモリー分析の作業用ホットデータと保存用ウォームデータを処理する全く新しい層を形成できる (赤 =「ホット」データ、黄 =「ウォーム」データ、青 =「コールド」データ)

ソフトウェアを最適化してインテル® Optane™ テクノロジーのパフォーマンスを活用

既存のデータセンター・インフラストラクチャーにインテル® Optane™ SSD を追加するだけでも、パフォーマンスの大幅な向上が期待できますが、ソフトウェアの最適化によって、インテル® Optane™ テクノロジー上で実行されるアプリケーションのパフォーマンス出力をさらに向上させることができます。オープンソースのソフトウェアは特に、開発者がアプリケーションを調節してインテル® Optane™ SSD P4800X がもたらす利点を活用できるため、インテル® Optane™ SSD との調和性が高いと言えます。

例えば Oracle* の場合、パフォーマンス・アーキテクトが MySQL* をインテル® Optane™ SSD P4800X に最適化したことによって、I/O バウンドの高負荷ワークロードでパフォーマンスが 5 倍に向上しました。また、1 つのインテル® Optane™ SSD から 100 万回の読み込みも成功しています。4

別の例では、ダイレクト I/O の最適化により、バッファー I/O に比べ、Java* 10 で効率が最大 48% 向上しました。5 こういった最適化は、AI ワークロードや Cassandra*、Apache HBase* など Java* ベースのデータベースを稼動する組織に大きな影響を及ぼします。

ソフトウェア設計者は既存のツールや開発キットを使用して、インテル® Optane™ テクノロジーに合わせてパフォーマンスを最適化できます。最適化を始めるには、インテルが提供する以下のリソースを活用してください。

インテル® メモリー・ドライブ・テクノロジーでメモリーを拡張

インテル® メモリー・ドライブ・テクノロジーを使用して、インテル® Optane™ SSD を拡張メモリーとして構成することもできます。インテル® メモリー・ドライブ・テクノロジーは、SSD をメモリー・サブシステムにシームレスに統合し、DRAM のように機能させます。オペレーティング・システムやアプリケーションに変更を加える必要はありません。インテル® メモリー・ドライブ・テクノロジーを使用すると、DRAM の一部を置き換えて全体的なメモリーコストを削減したり、大容量のシステムメモリーが必要な場合に DRAM の容量よりも大きくメモリープールを拡張することができます。

実際、インテル® Optane™ SSD P4800X とともにインテル® メモリー・ドライブ・テクノロジー・ソフトウェアを追加することで、Apache Spark* のパフォーマンスが 5 倍高速化します。4

インテル® QLC 3D NAND SSD がストレージ容量のギャップを解消

NAND テクノロジーの効率の向上と価格の低下に伴って、機械的ハードディスク・ドライブの必要性が希薄になってきています。最新の飛躍的進歩であるインテル® QLC 3D NAND SSD により、回転式ディスクはアクセス頻度の最も低いデータストレージ層に限定されることになるかもしれません。

インテル® QLC 3D NAND SSD は、高密度かつ手ごろな価格帯でフラッシュドライブの信頼性を提供する目的で設計されています。このようなメリットが、フラッシュドライブと比較して一般に低速で信頼性が低く、電力消費が大きく、効果的な冷却が欠かせない、データ・フットプリントが大きい従来型の HDD の置き換えに対する抵抗をなくしています。

図6.HDD をインテル® QLC 3D NAND SSD に置き換えることで、データセンターの設置面積を縮小して、電力消費、冷却、サービスにかかる費用を大幅に削減できる6 7

インテル® QLC 3D NAND SSD をインテル® Optane™ テクノロジーと組み合わせることで、利用頻度の高いデータへのアクセス速度を加速できると同時に、HDD を上回るフラッシュ・テクノロジーの価格面と容量面での利点を大容量ストレージに適用できます。これで HDD をインテル® Optane™ SSD に置き換えても、ストレージコストの差や容量の違いも補われ、 さらに、インテル® QLC 3D NAND SSD は手ごろな価格で信頼性も向上できるので、多くの組織が HDD の代替として採用することができます。

インテルの革新的な新しいフォームファクターによるデータの結合

インテルは、革新的な新しいフォームファクターによって、ストレージのコストと容量のギャップも解消しようとしています。2018年のインターナショナル・デザイン・エクセレンス賞で金賞を獲得したインテルの SSD 向け 3D NAND「Ruler」フォームファクターは、サーバー・アーキテクチャーに革命をもたらす効率的な放熱設計を採用し、密度、管理性、保守性を向上させています。

EDSFF に基づくドライブの独自の形状と特性により、Supermicro などのベンダーは、それぞれ 32TB のインテル「Ruler」ドライブ 32 基を 1U サーバー 1 台に収めて、サーバー当たり最大 1 ペタバイトのデータを提供できます。8

データセンター・ストレージの見直し

現代の企業は、インテル® Optane™ パーシステント・メモリーから、インテル® Optane™ SSD P4800X、インテル® QLC 3D NAND SSD、大容量の「Ruler」フォームファクター・ドライブまで、インテル® テクノロジーの豊富な製品ラインナップを利用し、メモリーとストレージ間のギャップを解消して、分析、AI、HPC といったワークロードでも、膨大な量のデータを迅速かつ柔軟に保存、処理、管理することができます。

インテルのストレージ・テクノロジー / 製品を組み合わせることによって、データセンター・アーキテクトは、性能、容量、信頼性、手ごろな価格を各社の業務アプリケーションやワークロードに合わせる柔軟性も得られます。インテル® Optane™ テクノロジーとインテル® QLC 3D NAND テクノロジーを使用して、メモリーとストレージを見直す時期が来ているようです。

詳細情報

データセンターは、インテルのストレージ・テクノロジーで見直す時期を迎えています。詳細については、https://www.intel.co.jp/content/www/jp/ja/storage を参照してください。

データセンターの最新化への取り組みを加速するには、ぜひインテルにご相談ください。


免責事項

1

出典 – インテルが実施したテスト。ここでいうレスポンスタイムとは、FIO* 3.1 を使用し、4K ランダムライト処理 (キューの深度 1) で測定した平均リード・レイテンシーを指します。上記の脚注 1 を参照してください。

2

インテルからの委託を受け、Evaluator Group が実施したテストに基づきます。構成の詳細については、https://www.evaluatorgroup.com/document/lab-insight-latest-intel-technologies-power-new-performance-levels-vmware-vsan-2018-update/ を参照してください。以前の構成: インテル® Xeon® E5-2699 v4 プロセッサー、ESXI: ESXi600-201803001 Build: 7967764、Ubuntu* (Linux) 18.04、BIOS: 2600WT SE5C610.86B.01.01.0024。ストレージメディア: インテル® SSD S3700 シリーズ 800GB x 1 + インテル® SSD S3510 シリーズ 1.6TB x 6。パフォーマンス: 320 IOmark-VM、価格 / パフォーマンス: $684/VM。最新の構成: インテル® Xeon® Gold 6154 プロセッサー、ESXI: ESXi-6.7.0-8169922 Build: 8169922、Ubuntu* (Linux) 18.04、 BIOS: SE5C620.86B.00.01.0013.030920180427。ストレージメディア: インテル® SSD P4800X シリーズ 375GB x 2 + インテル® SSD P4500 シリーズ 4TB x 5、パフォーマンス: 1152 IOmark-VM、価格 / パフォーマンス: $216/VM。ストレージメディア: インテル® SSD P3700 シリーズ x 1 + Seagate* 10K HDD 1TB x 4、パフォーマンス: 88 IOmark-VM-HC、価格 / パフォーマンス: $2153 / IOmark-VM-HC。最新の構成: ストレージメディア: インテル® SSD P4800X シリーズ x 2 + インテル® SSD P4500 シリーズ 4TB x 4、パフォーマンス: 704 IOmark-VM-HC。価格 / パフォーマンス: $684 / IOmark-VM-HC**。価格 / パフォーマンス: $237 / IOmark-VM-HC。パフォーマンス実績は2018年8月20日に実施したテストに基づくものであり、公開されているすべてのセキュリティー・アップデートが適用されていない可能性があります。詳細については、公開されている構成情報を参照してください。

3

インテル。製品仕様については「製品概要: インテル® Optane™ SSD P4800X」(https://www.intel.co.jp/content/www/jp/ja/products/docs/memory-storage/solid-state-drives/data-center-ssds/optane-ssd-dc-p4800x-p4801x-brief.html) の表を参照。

4

パフォーマンス実績は2018年9月20日に実施したテストに基づくものであり、公開されているすべてのセキュリティー・アップデートが適用されていない可能性があります。詳細については、公開されている構成情報を参照してください。絶対的なセキュリティーを提供できるコンポーネントや製品はありません。出典: インテル。システム構成: サーバー: インテル® サーバー・システム、インテル® Xeon® Gold 6154 プロセッサー x 2、DDR4 DRAM 384GB、データベース・ドライブ: インテル® Optane™ SSD P4800X シリーズ (375GB) x 2 およびインテル® SSD P4510 シリーズ x 1、インテル® SSD S4510 シリーズ x 1、CentOS 7.5* (カーネル 4.18 (elrepo))、BIOS: SE5C620.86B.00.01.0014.070920180847、システム製品のタイプ: インテル® サーバー・ボード S2600WFT。MySQL Server 8.0.13*、Sysbench 1.0.15* (100GB データベースを使用し、70/30 リード / ライトのオンライン・トランザクション処理 (OLTP) を実行)。データベース・メモリーの 30% を MySQL で使用 (30GB)。

5

パフォーマンス実績は2018年7月に実施したテストに基づくものであり、公開されているすべてのセキュリティー・アップデートが適用されていない可能性があります。詳細については、公開されている構成情報を参照してください。絶対的なセキュリティーを提供できる製品はありません。出典: インテル。システム構成: インテル® サーバー・ボード S2600WFT (ホワイトボックス)、インテル® Xeon® Gold 6154 プロセッサー (3GHz) x 2 (実質 36 コア)、DIMM DDR4 同期型 2,666MHz (0.4ns) 64GB (16GB x 4)、インテル® Optane™ SSD P4800X シリーズ NVMe* PCIe* 750GB (ファームウェア・バージョン: E2010324) x 1、インテル® SSD P4500 シリーズ NVMe* PCIe* 4 TB (ファームウェア・バージョン: QDV10150) x 1、インテル® BIOS バージョン: SE5C620.86B.00.01.0013.030920180427、CentOS 7.4* 製品版 (カーネル 4.15.7)。OpenJDK* に関する情報は次を参照。OpenJDK、 「JDK 10」、 2018年3月 (http://openjdk.java.net/projects/jdk/10/)。

6

電力、冷却、コンソリデーションのコスト削減については、 次のデータに基づいています。HDD: 7200 rpm、4TB、年間故障率 2.00%、動作時消費電力 7.7W、2U に 24 ドライブ (全体の消費電力 1971W) https://www.seagate.com/files/www-content/datasheets/pdfs/exos-7-e8-data-sheet-DS1957-1-1709US-en_US.pdf SSD: 動作時消費電力 22W、年間故障率 44%、1U に 32 ドライブ (全体の消費電力 704W)。冷却コストは稼働期間 5 年、1 Kwh 当たり 0.158 ドル、1 ワットの熱の冷却に要するワット数 1.20 として計算しています。HDD は 3.5 インチ (2U に 24 ドライブ)、SSD は EDSFF 準拠 1U ロング (1U に 32 ドライブ) です。ハイブリッド・ストレージでキャッシュ層にインテル® TLC SSD を使用することを前提としています。

7

ドライブ交換のコスト削減については、 次の計算に基づいています。HDD: AFR 2% x 256 ドライブ x 5 年 = 5 年間に 25.6 回の全交換、SSD: AFR 0.44% x 32 ドライブ x 5 年 = 5 年間に 0.7 回の全交換。

8

Supermicro. “The systems support front hot-swap accessibility to 32 EDSFF drives for up to 1PB of fast low-latency NVMe* storage in 1U”. Source: “Supermicro Opens New Era of Petascale Computing with a Family of All-Flash NVMe* 1U Systems Scalable up to a Petabyte of High Performance Storage.” August 2018. https://www.supermicro.com/newsroom/pressreleases/2018/press180807_Petabyte_NVMe_1U.cfm. Referencing SuperStorage SSG-136R-NR32JBF: https://www.supermicro.com/products/system/1U/136/SSG-136R-NR32JBF.cfm.