「NVMeストレージ」の実力を最大限に引き出す【前編】
NVMeストレージの性能向上に「ファイルシステム」が重要な理由
ファイルシステムによっては、NVMeの高いパフォーマンスが発揮できないことがある。本稿ではその理由を明らかにする。
「NVMe」(Non-Volatile Memory Express)は、フラッシュメモリベースのストレージを最大限活用できるようにするプロトコルだ。だがNVMeは課題も生み出す。
NVMeは遅延が非常に少ない。それが、ストレージインフラにおいて他のコンポーネントの弱点を浮かび上がらせる。インフラに不備があると遅延が大きくなり、NVMeの価値も下がる。
ストレージインフラの中で問題になりやすい要素の一つがファイルシステムだ。ベンダーはファイルシステムの構造を考え直す時期に来ている。特にファイルシステムが一番のボトルネックになるのを防ぐには、ファイルシステムとNVMe準拠のストレージ(以下、NVMeストレージ)の関わり方を見直さなければならない。
ファイルシステムが重要な理由
一般的に、機械学習などの人工知能(AI)技術をはじめ、高速さが求められるアプリケーション処理(以下、高速ワークロード)に利用するファイルシステムはスケールアウト型だ。スケールアウト型のファイルシステムは、複数のストレージサーバ(ノード)で構成される。各ノードの内部ストレージを集約し、ユーザーやアプリケーションがアクセスできる1つのストレージプールにする。
高速ワークロードが頼りにするのは、ファイルを複数のノードに分散配置する並列構造のファイルシステム(分散ファイルシステム)だ。この構造であれば、任意のノードからユーザーやアプリケーションにサービスを提供できる。一方で全てのストレージI/Oが特定のプライマリーノードを経由する直列構造のファイルシステムは、プライマリーノードの処理が追い付かなくなり、ボトルネックとなりやすい。
ほとんどのNVMeストレージは、ブロックストレージ向けに設計されている。結果として、ファイルシステムによるオーバーヘッドは回避できる。ただし高速ワークロードを処理するために、ブロックストレージにファイルシステムを追加することが少なくない。最新技術を利用したアプリケーション、特に機械学習やビッグデータ分析を処理するアプリケーションは、ファイルシステムが適している。
ファイルシステムが追加されたブロックベースのNVMe準拠ストレージは、設計が適切であれば、ブロックベースのSAS(Serial Attached SCSI)準拠ストレージよりも高速になる可能性が高い。ただしブロックをそのまま使うストレージと、ファイルシステムが管理するストレージのパフォーマンスの差は大きい。企業が必要とするのは、NVMe向けに最適化されたファイルシステムだ。
ベンチマークから分かること
ベンダーが自社のファイルシステムの能力を実証するために使用するベンチマークテストは幾つかある。こうしたテストの大半は、NVMe準拠のブロックストレージと分散ファイルシステムを利用する。こうした分散ファイルシステムには、IBMの「IBM Spectrum Scale」などが使われている。
非営利団体SPEC(Standard Performance Evaluation Corporation)の最新ベンチマークテスト「SPEC SFS 2014」では、テスト環境のストレージ数やストレージの種類、ノード数を変えると、上位を占めるベンダーが大きく変わる。大抵の場合、ハードウェアベンダーは、必要な数よりも多くのハードウェアを用意してファイルシステムのオーバーヘッドを回避しようとしている。その結果、価格が跳ね上がり、大半の企業にとっては手頃とは言えなくなっている。
本当に重要なのは、ハードウェアとファイルシステムが各企業のワークロードの種類や予算と調和して、適切なパフォーマンスを発揮できるかどうかだ。ほとんどの企業には、NVMeストレージとファイルシステムの完璧な組み合わせを作り出せるほど無限の資金はない。IT担当者は、必要な成果を実現できる、最もシンプルな構成を探す必要がある。
後編では、NVMeストレージのパフォーマンス向上を阻む原因と、その解決策を示す。
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「NVMeストレージ」の実力を最大限に引き出す
フラッシュメモリベースのストレージに最適化された高速インタフェース規格の「NVMe」。せっかくNVMe準拠のストレージを導入しても、使い方によってはパフォーマンスを十分に引き出せない可能性がある。その理由と解決策に迫る。
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