NVMe とは？ NVMe の完全ガイド

機械式ドライブ用に設計されたストレージ・プロトコルは、10 年以上にわたってフラッシュの性能を制限してきました。SSD はマイクロ秒単位の性能を実現するハードウェアを提供しますが、SATA や SAS などの従来のプロトコルは、業界のベンチマークや実世界の展開に基づいて、単一キューのアーキテクチャやプロトコル変換レイヤーを通じて何百マイクロ秒もの不要なレイテンシーを追加します。

NVMe（Non-Volatile Memory Express）は、PCIe インターフェースを介して直接接続するソリッドステート・ドライブ専用に設計されたストレージ・プロトコルで、ディスク時代のプロトコルのボトルネックを排除します。SATA のように単一キューにコマンドを集中させるのではなく、NVMe は最大 64,000 のキューを利用でき、各キューで 64,000 のコマンドを処理できます。これにより、ストレージが現代のマルチコア・プロセッサと通信する方法が根本的に変わります。

しかし、多くの議論で見落とされがちなのは、データパス上のさまざまなポイントで NVMe を SCSI に、また SCSI を NVMe に変換するようなプロトコル変換が残っているシステムでは、単に NVMe ドライブを追加するだけでは不十分だということです。

このガイドでは、NVMe のアーキテクチャを検証し、実際の性能の利点を定量化し、エンドツーエンドの NVMe 実装が重要な理由を解説します。

NVMe がストレージ・アーキテクチャに革命をもたらす

ストレージ・プロトコルは、20 年間にわたり、機械的な制約を考慮して設計されてきました。SATA や SAS は、ストレージ・デバイスが物理的にデータを探索する時間を必要とすることを前提として設計されており、ディスク・プラッタを所定の位置に回転させる必要があった時代には理にかなっていたコマンドのオーバーヘッドが組み込まれています。これらのプロトコルは、全てのコマンドを単一キューに集中させます。機械的なシークには十分ですが、マイクロ秒レベルの応答が可能なフラッシュ・メモリには致命的です。

プロトコルの不一致が数値で明確になります。SAS は、単一キューで最大 256 コマンド（SAS-3 仕様）をサポートし、エンタープライズ SSD は数千の同時操作を処理します。これらの従来のプロトコルには、複数の変換レイヤーが必要です。アプリケーションは、NVMe コマンドを送信し、SCSI、SATA、SAS、場合によってはドライブ・レベルで NVMe に変換されます。変換処理ごとに 50～200 マイクロ秒のレイテンシーが追加されます。

Flash が独自のプロトコルを必要とする理由

NVMe は、変換によるペナルティを排除するために 2011 年に登場しました。ディスク・プロトコルを改良するのではなく、NVM Express コンソーシアムは、機械的なコンポーネントを想定してプロトコルを設計しました。NVMe はコマンド・セットを合理化し、完全な機能を維持しながらオーバーヘッドを排除します。

プロトコルは、グラフィックス・カードに使用されるのと同じ高速インターフェースである PCIe レーンを介して、ストレージを CPU に直接接続します。これにより、ストレージは、変換レイヤーの背後に置き換わるのではなく、他の高性能コンポーネントへのピアとして位置づけられます。PCIe Gen 4 は 64 GB/s の帯域幅を提供し、NVMe はフラッシュを制約なく動作させます。

NVMe の仕組み：アーキテクチャと構成

NVMe のアーキテクチャは、ストレージ通信を根本的に再考します。NVMe ストレージは、従来のホスト・バス・アダプタではなく、メモリ・マップの I/O として CPU に現れ、カーネルのオーバーヘッドなしで直接アクセスでき、重要な操作を可能にします。

キュー・アーキテクチャと CPU の最適化

現代のプロセッサには数十のコアが含まれていますが、従来のストレージ・プロトコルは、それら全てを単一の I/O キューに集約します。NVMe は、各 CPU コアに専用キューペアを割り当て、ロック競合を排除し、真の並列処理を可能にします。

アプリケーションがデータを必要とする場合、シンプルなメモリ書き込みにより、送信キューにコマンドを配置します。システムコールは不要です。NVMe コントローラはコマンドを個別に処理し、結果を完了キューに配置します。この非同期モデルは、CPU がストレージを待つサイクルをほとんど使用しないことを意味します。

PCIe レーンと帯域幅

NVMe デバイスは PCIe レーンを介して接続され、各レーンは双方向の帯域幅を提供します。一般的な NVMe SSD は 4 つの PCIe レーンを使用し、PCIe Gen 4 で最大 8 GB/s を実現します。エンタープライズ・アレイは、複数のデバイスを集約し、スループットをさらに高めます。

しかし、帯域幅だけで性能が決まるわけではありません。レイテンシーは、要求から応答までの時間であり、多くの場合、トランザクション・ワークロードにとって重要です。NVMe の直接 PCIe 接続は、SATA の実装を悩ませる複数のバス移行やプロトコル変換を排除します。

NVMe 性能のメリット：マーケティングではなく実数

ストレージ業界のマーケティングでは、しばしば、「驚異的な速さ」や「超高速応答」など、曖昧な表現が使用されます。しかし、NVMe は実際に明確なメリットをもたらします。

業界のテストとベンダー仕様によると、未加工の NAND フラッシュの読み取りには約 100 マイクロ秒かかります。しかし、SATA SSD は通常、100～200 マイクロ秒の総レイテンシーを示すのに対し、NVMe SSD は 20～100 マイクロ秒を達成し、プロトコルのオーバーヘッドが実際のメディア・アクセス時間と同等またはそれ以上であることを示しています。

IOPS と実環境への影響

1 台の NVMe デバイスは、4 KB のランダム読み取りに対して 100 万 IOPS 以上を提供することができ、数十台の SATA SSD を必要とする性能を発揮します。エンドツーエンドの NVMe 上の Oracle データベースは、以下を示しています。

• 1 秒あたりのトランザクション数の増加
• クエリ応答時間の短縮
• ストレージ関連の待機イベントの削減

電力効率

NVMe の効率性は、性能上のメリットをさらに高めます。プロトコルのオーバーヘッドを排除することで、次のような違いが生まれます。

• SATA SSD：ワットあたり最大 10,000 IOPS
• NVMe SSD：ワットあたり最大 50,000 IOPS

NVMe-oF：ダイレクト・アタッチメントを超えて NVMe を拡張

NVMe over Fabrics は、NVMe のメリットをデータセンター全体に拡張し、レイテンシーのメリットを損なうことなく共有ストレージを実現します。しかし、実装の選択は、性能に劇的な影響を与えます。

NVMe over ファイバー・チャネル（FC-NVMe）

FC-NVMe は、既存の SAN インフラを活用しており、ファイバー・チャネルに投資する企業にとって魅力的です。これには、NVMe 転送をサポートする Gen 5（16 Gb）または Gen 6（32 Gb）スイッチが必要です。NVMe をサポートしている旧式のスイッチは、プロトコル変換を実行し、オーバーヘッドを再導入することがよくあります。

NVMe over RoCE

RoCE は、カーネル・バイパスによるネットワーク・レイテンシーの最小化を約束します。RDMA 操作は、約 1 マイクロ秒で完了します。しかし、RoCE には、全てのスイッチとアダプタにわたって、プライオリティ・フロー制御を備えたロスレス・イーサネットが必要です。1 つのポートが誤って構成されると、性能が低下します。現実には、真の RoCE は脆弱すぎるため、多くの RoCE 導入環境では実際には iWARP が稼働しています。RoCE は、適切に実装することで、160～180 マイクロ秒のストレージ・レイテンシーを実現します。

NVMe over TCP

NVMe/TCP は、特別なハードウェアなしで標準イーサネット上で動作します。批評家たちはこれを遅いと一蹴しますが、最新の実装では 200～250 マイクロ秒のレイテンシーを実現しており、ネットワークを経由しているにもかかわらず SATA SSD より高速です。

主な利点は、シンプルさです。NVMe/TCP は、既存のスイッチ、標準 NIC、クラウド・プロバイダ・ネットワークで動作します。

NVMe の本番運用環境への導入

NVMe ドライブをインストールするだけでは、期待するメリットが得られることはほとんどありません。ストレージ・スタック全体がエンドツーエンドの NVMe 操作をサポートしている必要があります。

プロトコル変換の落とし穴

多くの組織が既存のアレイ向けに NVMe SSD を購入し、変革が起きることを期待しています。ドライブは NVMe で通信しますが、コントローラは互換性のために全てを SCSI に変換します。この変換により、マイクロ秒が追加され、NVMe のメリットが損なわれます。

OS および移行要件

NVMe のサポートには、最新の OS が必要です。それぞれ、割り込みアフィニティ、マルチパス・モジュール、キュー深度の調整など、特定の構成が必要です。

移行を成功させるためには、次の点が重要です。

1. 検証のために、重要でないワークロードから開始
2. あらゆるレイヤーでレイテンシー監視を実装
3. レイテンシーに敏感なデータベースを優先
4. nvme-cli などのツールでエンドツーエンドの NVMe を検証

AI とモダン・ワークロードのための NVMe

高価な GPU はデータを待つ間、しばしば遊休状態になります。NVMe は、GPU ダイレクト・ストレージによってそれを変えます。ドライブがデータを GPU メモリに直接転送できるようにします。

AI トレーニングでは、次のような効果が得られます。

• 迅速なエポック・トレーニング
• チェックポイントの書き込みを高速化
• GPU 使用率の向上
• 前処理のための CPU を解放

データベースは、未処理の速度を超えるメリットを提供します。NVMe の予測可能な 200 マイクロ秒未満のレイテンシーは、クエリ計画の不確実性を排除します。オプティマイザーは、データを迅速に受信できるので、より良い意思決定を可能にします。低速ストレージ用に設計されたアプリケーションは、ストレージが予測可能になると動作が変わります。

ピュア・ストレージのエンドツーエンド NVMe のメリット

業界が採用戦略を議論する一方で、ピュア・ストレージは数千社におよぶ顧客環境でエンドツーエンドの NVMe を導入しており、その実装から得られるテレメトリによって、実際に何が有効なのかが明らかになっています。差別化要因は、アプリケーションと NAND フラッシュ間のプロトコル変換を排除することです。

DirectFlash：隠れたオーバーヘッドを排除

従来の NVMe SSD には、冗長コントローラとオーバープロビジョニングが含まれています。ピュア・ストレージの DirectFlash モジュールは、未加工の NAND をアレイの NVMe インターフェースに直接公開し、次のメリットを提供します。

• より使用可能な容量
• 低消費電力
• ガベージ・コレクションなしで予測可能なレイテンシー
• フラッシュ全体のグローバルなウェア・レベリング（摩耗平滑化）

エンドツーエンドの NVMe アーキテクチャ

Purity ソフトウェアは、従来のシステムをサポートしながら、ホストから NAND まで NVMe を維持します。NVMe ホストでは、直接ネームスペース・アクセスを提供します。従来のホストでは、内部ではなくアレイのエッジで一度変換されます。

ピュア・ストレージの FlashArray//X は、内部プロトコル変換を排除することで、200 マイクロ秒未満の一貫したレイテンシーを実現します。

• ピュア・ストレージのアレイ：平均レイテンシー 150 μs
• 内部で変換を行う従来の NVMe アレイ：400～600 μs
• 違い：プロトコル変換オーバーヘッドの排除

無停止の進化

ピュア・ストレージの Evergreen アーキテクチャは、フォークリフト・アップグレードなしで NVMe を導入できるようにします。コントローラは、データ移行なしで NVMe 対応バージョンにアップグレードできます。

NVMe の未来

NVMe の進化は、スピードだけにとどまりません。NVMe 2.0 の仕様では、コンピューティング・ストレージが導入されています。ストレージ・デバイス自体で処理されます。データベースのフィルタリング、圧縮、AI 推論は、データが存在する場所で行われ、移動のオーバーヘッドを排除します。

まとめ

NVMe は、何十年にもわたってアプリケーションを制限してきた人工的なボトルネックを排除します。プロトコル変換なしのエンドツーエンド実装を行うと、NVMe は 150 マイクロ秒のレイテンシーを実現し、データベース・トランザクションや AI トレーニングなど、あらゆる処理を変革します。

重要なインサイト：プロトコル変換は、NVMe の利点を損ないます。NVMe-oF は、データセンター全体にメリットをもたらしますが、実装方法が重要です。最新のワークロードには、エンドツーエンドの NVMe だけが提供できる予測可能で低レイテンシーな性能が求められます。

数千社の顧客環境で検証されたピュア・ストレージのエンドツーエンド実装は、150 マイクロ秒のレイテンシーが現実の運用レベルで達成可能であることを証明しています。DirectFlash モジュールにより、NVMe の性能を約束します。ピュア・ストレージの Evergreen アーキテクチャは、ストレージが内蔵された計算機能やメモリ速度へと進化するにつれて、今日の投資が将来のイノベーションへと途切れなくつながることを保証します。