急速に進化する今日のデータ環境では、企業は、コストを最大化しながら機能を強化するための革新的なストレージ・ソリューションを常に模索しています。企業がより多くのデータを作成するにつれて、高密度、高性能のメモリとストレージは、全てを管理し、より多くの価値を得るために不可欠です。
このような進歩の 1 つは、ストレージ階層の新しい階層を表す革新的な技術である永続メモリでした。2019 年に登場したこの技術は、揮発性メモリの速度と、従来のストレージ・デバイスのデータ保持機能を組み合わせています。
Intel Optane のような永続メモリの初期のものは製造中止になりましたが、解決しようとしている問題はまだ存在します。ここでは、永続メモリがどうなるか、将来の研究がどこにつながるかについて説明します。
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永続メモリとは？
永続メモリ（PMEM）は、電源がオフの場合でもデータを保持する、ソリッドステートの高性能コンピュータ・メモリです。ランダム・アクセス・メモリ（RAM）などの揮発性メモリとは異なり、システムの電源を切ったときに全てのデータが失われる永続メモリは情報を保持し、再起動時のデータ・アクセスの高速化とシステム性能の向上を可能にします。
永続メモリの仕組み
永続メモリ技術は、データを永続的に保存する不揮発性メモリ（NVM）コンポーネント上に構築されました。このデータは、上記の中央処理装置（CPU）から直接アクセス可能で、ハードディスク・ドライブ（HDD）やソリッドステート・ドライブ（SSD）などの従来のストレージ・デバイスに関連する遅延を回避できることを意味します。また、メモリ・バスに直接配置されていましたが、PMEM が従来のシステム・メモリのようにデータにアクセスできるため、異なっていました。
永続メモリは、上記のメモリ階層にシームレスに統合され、揮発性メモリとストレージ・デバイスの間に存在します。Optane のような例は、RAM に似た方法で動作しましたが、SSD のようなデータを保持し、高速メモリと高耐久性ストレージの間のギャップを埋めました。
PMEM は 2 つのモードで実行でき、さまざまな機能を利用できます。
- メモリ・モード：サーバーは PREM をメモリとして使用し、DRAM は最も頻繁にアクセスされるデータを管理し、PMEM はビッグデータ分析、仮想化データベースなどをサポートするメモリ容量を提供します。注意：このモードでは、電力が損失してもデータは保存されません。
- アプリケーション・ダイレクト・モード：恒久的に保存する必要がないデータは DRAM で実行でき、永続化が必要なデータは PMEM にルーティングできます。PMEM を RAM として動作させるのではなく、ストレージとして動作します。メモリ内データベース、ビッグデータのワークロード、超高速ストレージ・アプリケーションの PMEM 上には、いつでも名前空間やファイル・システムを配置できるため、ストレージとプロセッサ間の高速接続を活用できます。
RAM が永続ストレージに適していない理由
RAM は高速なデータ・アクセスを提供しますが、その揮発性により、長期ストレージには適していません。一方、永続メモリは、RAM の速度とストレージ・デバイスの不揮発性特性を兼ね備えており、速度とデータ耐久性の両方を必要とするアプリケーションに最適です。
永続メモリのユースケース
永続メモリ技術は、データベースや分析プラットフォーム、人工知能、仮想化など、さまざまなアプリケーションに採用されました。後に導入されるメリットを享受できるユースケースには、次のような超高速ストレージ・アプリケーションが必要です。
- SAP HANA などのインメモリ・データベース
- Hadoop などのビッグデータ・ワークロード
- 仮想化：サーバーの性能向上
- ゲノム・シーケンシング：迅速なデータ・アクセスで遺伝子解析と研究を加速
- 機械学習と AI ：トレーニング・データセットにアクセスするための高速ストレージは、トレーニング時間を短縮し、より高度な AI アプリケーションの開発を可能にします。
- IoT データ処理：超高速ストレージ・ソリューションは、貴重な知見を抽出し、IoT によって生成されたイベントに迅速に対応することを可能にします。
- サイバーセキュリティにおける脅威分析
- ビデオの編集とレンダリング：ビデオ・プロジェクトのスムーズな再生、編集、レンダリング
- ゲーム：ゲーム・アプリケーションには、ゲームのアセット、テクスチャ、レベルを迅速にロードするための高速ストレージが必要です。ロード時間を短縮し、シームレスなゲームプレイを確保することで、ゲーム・エクスペリエンスを向上させます。
揮発性ストレージと永続メモリの違い
RAM で表される揮発性ストレージは、システムの電源が切れるとデータが失われます。一方、永続メモリは情報を保持し、データの整合性と耐久性を確保します。この根本的な違いは、データの信頼性が最優先されるエンタープライズ環境において極めて重要です。
DRAM と永続メモリの比較
ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（DRAM）は高速ですが、揮発性があり、「一時的」なものです。DRAM には、レジスタ、バッファリング、エラー修正などの機能が含まれますが、この耐障害性があっても、停電やサーバー・クラッシュが発生した場合はデータが失われます。
DRAM はサーバー・コストに占める割合が高まっているため、永続メモリは、速度、耐障害性、容量を非揮発性と組み合わせることができ、高速なデータ・アクセスと保持を必要とするアプリケーションに最適です。また、PMEM は DRAM よりもギガバイトあたりのコストがはるかに安価でした。
SSD、HDD と永続メモリの比較
SSD や HDD などの従来のストレージ・デバイスは、耐久性に優れていますが、データ・アクセスは比較的低速です。永続メモリは、データを保持しながら迅速なアクセス時間を提供し、エンタープライズ・ストレージ・ソリューションの速度と信頼性を高めることで、この制限を克服できます。また、フラッシュとは異なり、PMEM はメモリ・バスに直接配置されます。
PMEM を既存のアーキテクチャに統合する方法
PMEM は、従来のメモリ・アーキテクチャから階層型メモリ・アーキテクチャへの重要な前進を示しました。主な違いは、PMEM がメモリ・バスに直接搭載され、拡張ストレージを提供したことでした。このように、ストレージ階層のまったく新しい階層のようなものでした。
従来のメモリ・アーキテクチャでは、DRAM のプールが 1 つしかありません。しかし、PMEM は 1:4 階層のメモリ・アーキテクチャを可能にしました。PMEMは、DRAM 層の下の容量層として機能し、高速キャッシュ層として機能します。これにより、DRAM は性能を処理できますが、DRAM 単体よりもメモリ容量が多くなります。ホット・データは DRAM に、ウォーム・データは PMEM に格納されました。
しかし、ユースケースは重要です。全ての SSD や HDD を PMEM に置き換えるのは、コスト効率が良いとはいえません。しかし、DRAM のコストをかけずに最適な性能と容量を実現できたことは、（短寿命の）勝利でした。
ストレージ・クラス・メモリ（SCM）とは
ストレージ・クラス・メモリ（SCM）は、永続メモリを含むさまざまな不揮発性メモリ技術を網羅する包括的な用語です。SCM のサブセットである永続メモリは、高速で不揮発性のデータ・ストレージを提供し、モダンなエンタープライズ・アーキテクチャに欠かせないコンポーネントとなっています。
NVMe と PMEM
不揮発性メモリ・エクスプレス（NVMe ）と永続メモリは補完的な技術でした。NVMe は CPU とストレージ・デバイス間のデータ転送を加速し、PMEM は高速で永続的なデータ・アクセスを提供することでシステム全体の性能を向上させます。
永続メモリのメリット
エンタープライズ・システムへの永続メモリの統合には、次のようなメリットがあります。
- 性能の向上
- 遅延の低減
- 汎用性：2 つの異なる機能へのアクセスを提供する異なる動作モード
- スケーラビリティの向上
- 不揮発性により、予期せぬ停電、クラッシュ、システム・シャットダウン時でも、継続的なデータアクセスが保証されます。永続メモリ技術は、シームレスなデータ永続性を促進し、停電時やシステム障害時でも重要な情報を確実に保護します。
- 総所有コスト（TCO）と手頃な価格：前述のように、コストを劇的に増加させることなく、より大容量です。一般的な RAM DIMM サイズには、16、32、64、128、256 GB がありますが、サイズによってコストは劇的に増加します。PMEM では、サイズは 128GB から始まり、256GB と 512 GB に増加します。この 512 GB のデバイスをサーバーのプロセッサごとに 6 台搭載すれば、プロセッサごとに 3 つ、最大 6 TB のメモリを追加できるます。RAM はキャッシュとして機能し、PMEM は RAM として機能しますが、2 つのソケットは 6 TB の RAM になります。
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永続メモリで性能を向上
データ・アクセスの遅延を最小限に抑えることで、永続メモリはアプリケーションの性能を大幅に向上させることができます。複雑な計算、大規模なデータ処理、リアルタイム分析は、永続メモリ技術によって実現される迅速なデータ取得の恩恵を受けました。
永続的なメモリとデータの永続性
データの永続性は、重要な情報への継続的なアクセスが最優先されるエンタープライズ環境において不可欠です。永続メモリはデータ保持を保証し、システム障害後の迅速なリカバリと継続的な運用を可能にします。
永続メモリはスケーラブルか？
はい、永続メモリは高度にスケーラブルでした。企業は、増大するデータ要件に対応するために、より永続的なメモリ・モジュールを追加することで、ストレージ容量を拡張できます。
永続メモリの潜在的な欠点
永続メモリには多くの利点がありましたが、考慮すべき点がいくつかあります。
- 互換性の問題
- 従来のストレージと比較してコストが高い
- 限られた容量オプション
永続メモリは高価だったか？
PMEM は、NVMe SSD や 3D NAND SSD よりも高価であるため、システム・メモリの容量が必要な場合などに、戦略的に最も適していました。
永続メモリ・モジュールは、HDD や SSD などの従来のストレージ・オプションよりも高価でした。しかし、性能の向上とデータの信頼性の向上により、コスト差が緩和された可能性があります。
永続メモリは復活するのか？
Intel の Optane 製品ラインは廃止されましたが、メモリ階層化などの永続メモリの代替策によって、研究はさらに進歩し続ける可能性があります。
まとめ
永続メモリは、エンタープライズ・ストレージのパラダイム・シフトを象徴するもので、速度と信頼性に基づいて新しい層の可能性を提供するものでした。揮発性メモリと従来のストレージ・デバイスの優れた側面を組み合わせることで、定年前に画期的な技術となりました。
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