製品選定前に読んでおきたい基礎技術　ストレージ編【第2回】

フラッシュデバイスはどういう仕組みで動くのか？　特徴的な2つの動作を解説

フラッシュデバイスの動作を理解する上で必須となる「ガベージコレクション」と「ウェアレベリング」について解説する。

公開 2016年11月15日 09時01分

更新 2017年02月24日 15時46分

著者

國分学

[伊藤忠テクノソリューションズ]

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　第1回「初めてのフラッシュデバイス、HDDとの違いは？」では、ストレージ市場予測からフラッシュデバイスの拡大が見込まれること、従来のプライマリーストレージアレイ（頻繁にアクセスするデータを格納したストレージアレイ）の記憶装置として採用されていたHDDとフラッシュデバイスの違いについて紹介した。第2回の今回は、フラッシュデバイスの特徴的な動作を紹介し、よく耳にする疑問点について技術的な観点で解説する。

連載インデックス：製品選定前に読んでおきたい基礎技術

　まずはフラッシュデバイスを解説する上で必須となる、特徴的な2つの動作について紹介する。1つ目は「ガベージコレクション」だ。皆さんも「フラッシュデバイスは直接的な上書きができない」と耳にしたことがないだろうか。HDDはデータを書き込んだ領域に別のデータを直接上書き可能だが、フラッシュデバイスはデータを格納している部分に直接上書きしてデータを格納することができない。そのため定常的にデータを書き込むためには、データの格納されていない新しい領域にデータを書き込むか、データを削除して書き込みできる領域を確保する必要がある。だが書き込みの単位と削除の単位が異なるため、少々複雑な動作が発生する。以下の図1は、フラッシュデバイスのデータ更新時の処理イメージだ。

図1　フラッシュデバイスのデータ更新時の処理イメージ（出典：CTC）

　用語説明、書き込みフローの順で説明する。

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　まず、データを書き込む単位を「ページ」と呼ぶ。このページが複数集まったものを「ブロック」と呼び、このブロックの単位でデータの削除が可能だ。図1のように、赤、オレンジ、黄、緑のデータが格納されている状態で、赤の部分を青に更新する場合、以下のフローで書き込みが行われる。

だいだい、黄、緑のデータを別のブロック内のページにコピー
赤が格納されているブロックのデータを削除
青を書き込み

　これで、だいだい、黄、緑、青のデータがフラッシュデバイスに残る。なお、だいだい、黄、緑のポジションに格納されていたデータが右側に移っているが、格納位置が異なる部分は、参照するストレージシステム内のポインタ（メモリアドレスを格納する変数）側を修正するのが一般的だ。

　ここで理解しておきたいのは、データが全く格納されていない状態のフラッシュデバイスと、既にデータが書き込まれているフラッシュデバイスでは、書き込み性能に大きな差が生まれる点だ。これはシステム導入前に、実機で性能を検証する場合でも非常に重要になる。使い始めの性能のみを基準にサイジングをすると、使い続けるうちに性能が劣化するため十分な注意が必要だ。実機検証をする場合は、十分にデータを書き込んでから検証する必要がある。

　次に、2つ目の特徴である「ウェアレベリング」について紹介する。こちらもフラッシュデバイスの情報を調べていると見聞きする言葉だろう。フラッシュデバイスにはHDDとは異なり、書き込み回数に上限が存在する。その課題に対処するための手段がウェアレベリングだ。以下の図2はフラッシュデバイスの模式図である。

図2　フラッシュデバイスの模式図（出典：CTC）

　電極部分の電圧を変えることで、電荷を蓄積する領域である「浮遊ゲート」に電荷を帯びさせ、データを格納する。その際、絶縁層である図のピンク色部分を通って電子が移動する。この移動回数が増加すると、絶縁層が劣化し、浮遊ゲートに蓄えられた電荷が漏れ、適切なデータが保持できなくなる。これがフラッシュデバイスの書き込み回数に上限が生じる理由だ。これを抑制してフラッシュデバイスの寿命を適正化するための機能がウェアレベリングだ。

　分かりやすく説明するなら、一部分への書き込みが集中すると、その箇所が周囲と比べて早く劣化し、最終的にはその場所への書き込みができなくなる。しかし書き込み回数を全体で平準化できれば、フラッシュデバイスをより長期間利用できることになる。

図3　ウェアレベリングの有無によるデバイスの利用イメージ（出典：CTC）

　ここまで、フラッシュデバイスの特徴的な動作であるガベージコレクションとウェアレベリングについて紹介した。さらに効率良く利用するために近年、積極的に利用されている機能を2つ簡単に紹介する。

　1つ目は重複排除機能である。バックアップ分野ではおなじみの機能だが、フラッシュデバイスでもその利用が進んでいる。簡単に言えば、書き込むデータを固定長もしくは可変長に分割し、そのビット列が重複している場合、1つのデータのみを書き込み、残りは全てポインタのみで参照するという機能だ。

　この機能を採用することで、フラッシュデバイスへの書き込み量そのものを抑制し、デバイスの信頼性向上と性能向上を同時に実現できる。一例を挙げれば、10回のデータ書き込みのうち5回のデータが重複していれば、フラッシュデバイスへの書き込み回数は半分に抑制できる。書き込みの回数が減少すれば、デバイスへの書き込み分の処理時間も短縮できるので、処理全体を高速化できる。

　2つ目は圧縮機能だ。ご存じの通り、保存するデータを圧縮してデータ量を抑制する技術である。単純にデータ量が減少するため、フラッシュデバイスへの書き込み量も減少する。

　製品によっては、重複排除や圧縮処理のタイミングが異なり、書き込み前に処理するものをインライン処理、書き込み後に処理するものをポスト処理と呼ぶ。書き込み量の削減が重要なフラッシュデバイスは、インライン処理との相性が良いといえる。

　今回はフラッシュデバイスの特徴的な動作と、それを有効活用する機能について解説した。次回はフラッシュデバイスの実装方式とそれぞれの特徴、選定ポイントについて紹介する。

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國分学（こくぶ・まなぶ）

伊藤忠テクノソリューションズ

ITサービス事業グループ　製品・保守事業推進本部　ITインフラ技術推進第1部

2000年CTC入社。同年CTCテクノロジー出向。サーバ・ストレージ関連のSW、HW製品およびクラスタSWのテクニカルサポートエンジニアを兼任。2006年顧客担当SEとしてCTCに復職。2007年テクニカルサポートの経験と顧客対応実績を生かし、コアテクノロジーエンジニアへと転向、現在に至る。仮想化には「Solaris Zone」の導入期から注目しており、長いキャリアを持つ。近年は、NANDフラッシュメモリを用いたオールフラッシュストレージに関心が高い。

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