DirectFlash の概要と仕組み

ピュア・ストレージの DirectFlash は、Purity ソフトウェアと DirectFlash モジュールを含む先駆的なフラッシュ管理ソリューションです。コンポーネントは、個別にアップグレードすることも、無停止でアップグレードすることもできます。

DirectFlash の仕組み、違い、必要な理由を解説します。

フラッシュ・ストレージの概要

1980 年に東芝が発明したフラッシュ・メモリは、フラッシュ・ストレージとしても知られており、電子的に消去して再プログラムできる不揮発性メモリ（継続的な電源を必要としない）の一種です。

フラッシュ・メモリの主な 2 つのタイプ

フラッシュ・メモリには、NOR と NAND の 2 つのタイプがあり、使用しているロジック・ゲートのタイプによって回路レベルが異なります。現在、NAND フラッシュはフラッシュ・メモリ市場の 95% 以上を占めており、ほぼ全ての非組み込みフラッシュ・デバイスに使用されています。

NAND カテゴリには、メモリセルごとに格納されるビット数に基づいて分類されるさまざまなタイプのメモリがあります。

• SLC：セルあたり 1（シングル）ビット
• MLC：セルあたり 2 ビット（または複数ビット）
• TLC：セルあたり 3 ビット
• QLC：1 セルあたり 4 ビット（クアッド）

DirectFlash モジュール（DFM）ストレージ

DirectFlash は、ピュア・ストレージが設計したフラッシュ・モジュールで、オールフラッシュ・アレイが未加工のフラッシュ・ストレージと直接通信できるようにします。オールフラッシュ・システムの構築におけるピュア・ストレージの包括的なアプローチは、汎用ソリッドステート・ドライブ（SSD）の購入に頼るのではなく、「未加工」のフラッシュを活用して DirectFlash モジュールを構築することです。これにより、他のソリッドステート・アレイ・ベンダーとは異なるサプライチェーンのポイントでフラッシュを利用できます。しかし、DirectFlash のメリットは、サプライチェーンの経済性の向上だけではありません。

市販の汎用 SSD を使用する他のオールフラッシュ・アレイやハイブリッド・アレイは、基本的に従来のハードディスク・ドライブと同じようにフラッシュ・ドライブと通信します。これは、1 つの連続する同一のブロックであるかのように扱われます。

ハードドライブにはトラックやセクターがあり、これらのセクターをエンドツーエンドで並べると、1 つの長いブロックのリストになります。SSD は、システムとフラッシュの間に複雑なシステムを統合することで、同じジオメトリを複製します。FTL（フラッシュ変換レイヤー）と呼ばれます。

DirectFlash は、フラッシュ・メモリと直接通信する別のアプローチを採用しており、フラッシュの機能を最大化し、性能、電力利用率、効率性を向上させます。

具体的には、DirectFlash は以下を提供します。

• システム・レベルのメディア管理は、ドライブ・レベルとは対照的に、ドライブがシステム自体と連携し、以下のことを可能にします。
  • より広範なコンテキストに基づいて、よりスマートなデータ配置の決定を行います。
  • ブロック、ファイル、オブジェクトの各レベルから、個々のフラッシュ・セルに至るまで、システムの動作を把握できます。
  • メディア向けに最適化された方法でデータを配置し、書き込み増幅（WA）を回避し、耐久性を向上させることで、効率を最大化します。
  • ガベージコレクション、スペアリング、ウェア・レベリング（摩耗平滑化）などの機能を一元化することで、重複作業を回避できます。
• 従来のシステム内の全てのドライブで発生する重複する作業やプロセスを排除することで、メディア全体のコストを削減します。SSD を活用するペタバイト規模のシステムでは、システム・メモリを含むことなく、ドライブ自体にテラバイトの DRAM が格納され、個々の FTL マッピングとメタデータを維持できます。また、各ドライブには、FTL によるメディア管理に必要な、独自のオーバープロビジョニングされたスペア・スペースが含まれています。これらの各コンポーネントには追加コストがかかり、ドライブのサイズが大きくなると、メディア全体のコストが増大します。DRAM のビットあたりのコストはここ数年で改善されていないため、DRAM の効率的な使用はますます重要になってきています。
• SSD と比較して故障率がはるかに低い（3～4 倍）ため、モジュールの信頼性が向上しました。これは、主にシンプルなファームウェアが動作しているためです。

DirectFlash モジュールが効率性を高める方法をご紹介します。高効率な IT インフラは、電力コスト削減以上の効果をもたらします。

ソリッドステート・ドライブの仕組み

SSD は、NAND フラッシュ・チップで構成されており、NAND フラッシュ・ダイとしても知られています。各ダイは、ブロックと呼ばれる小さな要素に分割され、ページで構成されています。

ただし、フラッシュ・ブロックはランダムな上書きをサポートしていません。データでページが書き込まれると、新しいデータを書き込む前にブロック全体を消去する必要があります。同時に、全ての SSD は、下位互換性のあるディスク・セクター・インターフェースをサポートするように設計されています。

フラッシュ変換レイヤー（FTL：Flash Translation Layer）

この矛盾は、ファームウェアに「フラッシュ変換レイヤー」または FTL と呼ばれるものを搭載することで解決されます。FTL は、仮想ディスク・セクター・インターフェースを実装し、データの目的がどの論理ブロックであっても、異なるフラッシュ・ページにデータを書き込むことができます。FTL は、独自のメモリおよびメタデータ・ストレージで、マッピング・メタデータを全て追跡します。

しかし、現在は新しいバージョンのデータを異なるフラッシュ・ページに書き込んでいるため、データが上書きされるか論理的に削除されたために、最終的には「ゴミ」とみなされる可能性のあるデータがこれらのブロックに蓄積されることになります。

SSD におけるガベージ・コレクションの仕組み

この物理容量を取り戻すために、ドライブのファームウェアの「ガベージ・コレクター」プロセスでは、有効なデータを取得し、新しい場所に移動して、「墓石化された」データを含むブロック全体を消去します。このガベージ・コレクターが機能するためには、各ドライブに余分なフラッシュ・メモリが必要で、オーバープロビジョニングされたスペースとして知られており、各ガベージ・コレクション・イベントは、有限数のフラッシュ・プログラム／消去サイクルの 1 つを消費します。全ての論理書き込みが消費するドライブへの物理書き込み量は、「書き込み増幅」と呼ばれます。

オーバープロビジョニングと書き込み増幅は、SSD の早期摩耗と寿命の短縮につながります。また、フラッシュ・ダイの 1 つがガベージ・コレクション、読み取り、書き込みを行うたびに、そのダイから利用できなくなるため、性能への影響もあります。したがって、SSD の性能は、ガベージ・コレクターが多かれ少なかれアクティブになるにつれて予測不可能に変動します。

これをさらに困難にしているのは、SSD がガベージ・コレクション・アクティビティにアクセスするシステムにこのアクティビティを伝える方法がないことです。むしろ、SSD はハードディスクのような幻想を維持する必要があります。NAND フラッシュのセルあたりのビット数が増えると、これらの性能の不一致は悪化します。プログラム／消去サイクルが長くなり、データのアクセスが長くなるためです。

DirectFlash のメリット

DirectFlash は、フラッシュ・メディア管理に異なるアプローチを採用しています。Purity オペレーティング・システムは、各 SSD を代用して独自のウェア・レベリング（摩耗平滑化）、ガベージ・コレクション、オーバープロビジョニングを実行するのではなく、アレイ・レベルでソフトウェアでこれらの機能を実行します。これは、DirectFlash モジュールが従来のソリッド・ステート・ディスクよりもシンプルであることを意味します。メディア自体へのアクセスを提供し、低レベルのデータやシグナリング・タスクを処理する必要があるためです。

DirectFlash がどのようにハードディスク・ドライブ（HDD）に終止符を打つのか、詳しくご覧ください。

DirectFlash によってもたらされるメリットは、数多くあります。

• 密度と効率性の向上：DirectFlash モジュール（DFM）は、ストレージ密度を 2～3 倍向上させ、今日の最も近い競合他社と比較して、テラバイトあたりの消費電力を 39%～54% 削減します。ピュア・ストレージの DFM は、機械式 HDD をエミュレートするものではないため、シリコンベースのフラッシュ・メディアを最適に管理できます。これにより、COTS SSD と比較して、性能、ストレージ密度、有効容量、メディア耐久性、使用可能な TB あたりのコストが大幅に向上します。ピュア・ストレージは現在、48 TB の DFM を出荷しており、今年後半には 75 TB の DFM を追加し、18 か月以内に 150 TB の DFM を追加し、2026 年までに 300 TB の DFM を計画しています。詳しく見る
• スマート・データ・プレースメント：各 SSD が真空状態でデータ配置とメディア管理を決定する代わりに、Purity は、現在の IO アクティビティ、データ削減操作、保留中のガベージ収集サイクル、アレイの全体的なワークロードと健全性など、実行中およびスケジュールされたシステム・タスクの全てを把握しています。これにより、Purity は、単一のドライブで実行できるよりもはるかにスマートな配置とスケジューリングの決定を行うことができます。
• データ配置の意思決定をスマートに行うことで、同じブロックに同様の予想寿命のデータを共有し、ブロック内の一部が「墓石化された」データになっている一方で、他のページがまだ有効であるインスタンスを最小限に抑えることができます。Purity は、特定のページが全て同じファイルやオブジェクトの一部であるか、同じホスト・システムからのものであるかを認識しています。そのため、ファイルやオブジェクトが削除されると、それらのページを同様のブロックにグループ化することで、他のライブ・データを書き換えたり書き込み増幅したりすることなく、ブロック全体を一度に解放できます。
• 優れた性能と優れた耐久性を提供：DirectFlash モジュールは、ガベージ・コレクションを実行せず、書き込み増幅も起こさないため、コモディティ・モジュールよりも優れた性能を発揮し、長持ちします。書き込み回数が少ないと、摩耗が少なくなり、駆動寿命が長くなります。また、書き込み回数が少ないため、実際のクライアント I/O に利用できる I/O サイクルが増えます。Purity は、現在の I/O アクティビティを把握しており、システム全体に対する可視性を備えているため、プログラム／消去サイクルの 1 つがデータへのアクセスをブロックしても驚くことはありません。最悪の場合、Purity は、プログラム／消去サイクルが終了するのを待つのではなく、パリティからデータを再構築できます。これにより、QLC フラッシュを使用しても、システムの最悪の遅延が大幅に低減されます。
• 時間の経過とともに改善：これらのメディア管理タスクはソフトウェアで実行されるため、時間の経過とともにこのソフトウェアを改善できます。インターネットに接続されたピュア・ストレージのシステムは全て、テレメトリ・データを安全に送信します。また、基盤となるフラッシュ・メモリの健全性とアクティビティについて深い洞察力を持っているため、このデータを集約して分析し、ソフトウェアが現実世界でどのように機能するかを改善します。つまり、定期的なソフトウェア更新により、システムの信頼性と性能が向上するということです。
• よりシンプルで信頼性が高い：DirectFlash モジュールは、アレイ・レベルでこれらの作業を全てソフトウェアで実行するため、複雑なコントローラや大容量の RAM を必要としません。したがって、ピュア・ストレージのモジュールはよりシンプルであり、より信頼性が高く、効率性も向上します。また、NAND フラッシュ製造技術の進歩により、ドライブの複雑さやコストを増大させることなく、ドライブのサイズを拡張することもできます。

これは、SSD を中心に設計された他のオールフラッシュやハイブリッド・システムよりも、性能、一貫性、信頼性、耐用年数が高いシステムを意味します。

ピュア・ストレージは、データセンターの未来がオールフラッシュであるという信念に基づいて設立されました。このビジョンの実現をめざして DirectFlash 技術を構築しました。オールフラッシュ・システムを構築する最良の方法は、オールフラッシュのためにシステムをゼロから構築することです。従来のインターフェースやパラダイムを中心に設計されたシステムの一部を排除し、テクノロジーを真に輝かせます。

データセンターで DirectFlash 技術をぜひご活用ください。ピュア・ストレージのオールフラッシュ・ストレージ・ソリューション・スイートを今すぐご覧ください。