SASやSATAに代わるストレージインタフェース

いまさら聞けないSSD向け次世代接続規格「NVMe」　仕組みと歴史を解説する

次世代SSDの接続規格「NVMe」の仕組みや歴史をひもとく。2017年のフラッシュストレージ導入を後押しすると期待が集まる最新技術「NVMe over Fabrics」についても解説する。

公開 2017年08月04日 05時00分

著者

Margaret Rouse

[TechTarget]

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　NVMe（Non-Volatile Memory Express）とは、ホストコントローラーインタフェースとストレージプロトコルの規格だ。コンピュータのPCI Express（以下、PCIe）バスを介した、エンタープライズシステムとクライアントシステム間のSSDデータ転送を高速化する目的で開発された。

　NVMeの規格では、レジスターインタフェースとコマンドセットおよびPCIeベースSSDのための機能を定め、高い性能と、幅広いNVMサブシステムを横断する相互運用性を目指している。NVMeの規格では、Solid State Storage（SSS）やメインメモリ、キャッシュメモリ、バックアップメモリなどの利用モデルについては規定していない。

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　NVMeは、ホストシステムと周辺のターゲットストレージデバイスとの接続およびデータ転送規格であるSCSI（Small Computer System Interface）やATA（Advanced Technology Attachment）の代わりになる。SATA（Serial ATA）ベースSSDに使われるATAコマンドセットと、SAS（Serial Attached SCSI）ベースSSDのためのSCSIコマンドセットは、HDDとテープがストレージメディアの主流だった時代に開発された。NVMeはそれより高速のメディアで使用することを想定して設計されている。

　SASおよびSATAベースSSDと比較すると、NVMeベースPCIe SSDの主なメリットには、ホストソフトウェアスタックにおけるレイテンシの低減やIOPS（1秒間に処理できるI/O数）の向上がある。フォームファクターや使用するPCIeレーンの数によっては消費電力も削減できる可能性がある。

　NANDフラッシュや、IntelとMicron Technologyが開発した「3D XPoint」技術を含め、NVMeは不揮発性メモリを使ったさまざまなSSDに対応できる。対応するフォームファクターには、PCIeのアドインカード、M.2 SSD、U.2接続の2.5インチSSDが含まれる。NVMeドライバは、「Windows」や「Linux」など各種OS向けに提供されている。

NVMeの仕組み

　NVMeはPCIeインタフェースを介して、ホストコンピュータ内のI/Oコマンドや共有メモリへの反応をマッピングする。NVMeインタフェースはマルチコアプロセッサの並列I/Oをサポートして高スループットを実現し、CPUのボトルネックを回避する。

　NVMeはSCSIやATAのコマンドセットに比べて、I/Oリクエストを処理するためのコマンドセットが簡略化されている。NVMeが必要とするCPU命令の数は、SASデバイスのSCSIコマンドセットやSATAドライブで使われるATAに比べると、半数に満たない。

　NVMeは6万4000のコマンドを1つのメッセージキューでサポートでき、最大で6万5535のI/Oキューをサポートできる。これと比較して、一般的にSASデバイスでサポートできるコマンドは256まで、SATAドライブでサポートできるコマンドは1つのキューで最大32だ。

　ただし、NVMeベースPCIe SSDの価格は現時点で、同じ容量のSASおよびSATAベースSSDに比べて高い。高性能のエンタープライズNVMe SSDは、SAS SSDやSATA SSDより多くの電力を消費することもある。業界団体SCSI Trade Associationの主張によると、より成熟したSAS SSDは、拡張性の向上、ホットプラグ機能、長年の実績があるフェイルオーバー機能など、NVMe PCIe SSDよりも有利な機能を提供している。NVMe PCIe SSDが提供するようなレベルのパフォーマンスを必要としないアプリケーションも多い。

NVMeの歴史

　Non-Volatile Memory Host Controller Interface（NVMHCI） Work Groupは、2009年にNVMe規格の策定に着手し、2011年3月1日にバージョン1.0を公開した。1.0の規格には、キューイングインタフェース、NVMコマンドセット、管理コマンドセット、セキュリティ機能が含まれていた。

　NVMHCI Work Group（一般的にはNVM Express Work Groupの名称で知られる）は2012年10月11日にNVMeの更新規格を公開した。NVMe 1.1ではSSDのサポートが加わり、複数のPCIeポートを使ってマルチパスI/Oやnamespace（名前空間）の共有ができるようになった。他の新機能として、自律的に電力消費状態を切り替えてアイドル時の電力消費を抑えることができる機能や、2台以上のホストで共有名前空間へのアクセスを調整して、耐故障性を高めることができるリザベーション機能を強化した。

NVMeの歴史（画像はTechTargetより）《クリックで拡大》

　NVM Express Work Groupは2013年5月に初のプラグフェスト（インタフェース規格を持つ応用製品メーカーなどが実施する相互接続性試験の総称）を開催し、メーカー各社による自社製品のNVMe規格への互換性テストや、他のNVMe製品との相互運用性チェックができるようにした。

　NVMe 1.2の規格は2014年11月3日に登場し、ファームウェアのライブアップデートのサポート、電力管理機能の向上、エンドツーエンドのデータ保護オプションといった機能強化が盛り込まれた。

　2015年11月17日には、NVMeがNVM Express Management Interface（NVMe-MI）のバージョン1.0を承認した。NVMe-MIは、帯域外の不揮発性メモリサブシステムを管理するためのアーキテクチャとコマンドセットを提供する。NVMe-MIでは管理コントローラーでSSDデバイスや機能の検出、健全性や温度のモニター、支障のないファームウェア更新といったタスクが実行できる。NVMe-MIがなかった時は、IT管理者は一般的に、プロプライエタリなベンダー固有の管理インタフェースに頼ってPCIe SSDを管理していた。

NVM Express Inc.

　NVM Express Work Groupは2014年3月、NVM Express Organizationの名称で法人化した。当時の創設メンバーにはCisco Systems、Dell、EMC、Western Digital傘下のHGST、Intel、LSI、Micron Technology、NetApp、Oracle、PMC-Sierra、Samsung Electronics、SanDisk、Seagate Technologyなどが名を連ねた。

　非営利団体のNVM Express Organizationはその後、NVM Express Inc.と呼ばれるようになった。メンバーとなったIT企業は100社を超えている。

　NVM Express Inc.は13社で構成する役員会で組織を運営し、戦略目標を定めている。6社は任期数年、残る7社は毎年、NVMe Expressの会員によって選出される。役員は別名、プロモーター企業とも呼ばれる。

　2017年で複数年の任期が切れる役員企業はCisco Systems、Dell EMC、Intel、Microsemi、NetApp、Oracleの各社。2017年の任期1年の役員にはFacebook、Micron Technology、Microsoft、Samsung Electronics、Seagate、東芝、Western Digitalの各社が選出された。

NVMe over Fabrics

　NVM Express Inc.は2016年6月5日、「NVMe over Fabrics」（NVMe-oF）規格のバージョン1.0を発表した。NVMe-oFの設計は、高性能でレイテンシが低いNVMeの特性を、ファイバーチャネル（FC）やイーサネット、InfiniBandのようにサーバとストレージシステムを接続するネットワークファブリックに行き渡らせることを意図している。

　ファブリックトランスポートには、リモートダイレクトメモリアクセス（RDMA：Remote Direct Memory Access）を使ったNVM-oFや、FCにマッピングされたNVMe-oFが含まれる。FCを使ったNVMe-oFはNVM Express Inc.の技術サブグループが手掛け、FC-NVMeの開発は情報技術規格国際委員会（INCITS）のT11委員会が手掛ける。

　NVMe-oFの規格の大部分は、NVMe規格と変わらない。NVMe-oFとNVMeの主な違いの1つは、コマンドとレスポンスの送受信の方法にある。NVMeはローカル用に設計され、コンピュータの共有メモリにPCIe経由でコマンドとレスポンスをマッピングする。対照的に、NVM-oFではホストコンピュータとターゲットストレージデバイスとの通信に、メッセージベースのシステムを利用する。

　NVMeホストコンピュータとネットワークに接続されたNVMeストレージデバイスとの通信についてNVMe-oFは、ローカルコンピュータのPCIeバスを使ったNVMeストレージデバイスと比較したレイテンシの増大が、10マイクロ秒を超えないことを設計上の目標に掲げている。

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