無効な入力です。特殊文字はサポートされていません。
ストレージのパフォーマンスとコストは一般に$/TBで比較されますが、一定のスループットを実現するために必要な容量は、ワークロードのI/Oサイズに大きく左右されます。
すべてのI/Oが同じだと考えてストレージ価格を評価するのはやめましょう。スループットを重視するなら、真のコスト要因になるのはI/Oサイズです。小さなランダムI/Oでは、機械的なレイテンシーが支配的になるため、HDDのスループット密度は大きく低下します。結果として、目標のMB/秒を達成するためだけに、余分な容量を購入することになります。
この全2回のブログ記事では、まずHDDでこのペナルティがどれほど急激に大きくなるかを定量的に示し、続いてG9 QLC NANDを搭載したMicron 6600 I/ON SSDのようなQLC SSDが適切な選択肢である理由を説明します。
I/Oサイズがストレージパフォーマンスに与える影響
ストレージ用途でQLCとHDDのコストを比較する場合、スループットを実現するための実質的なコストは、I/O特性によって大きく左右されます。この影響を理解するために、まず一般的なHDDでスループット密度がI/Oサイズによってどのように変化するかを見ていきます。
I/Oサイズとスループット密度
(MB/秒)/TBで表されるスループット密度は、スケールに依存しないストレージパフォーマンスの指標です。レイテンシーと転送速度を組み合わせた単純なモデルによって、I/Oサイズに応じた挙動を示すことができます。実際のI/Oサイズは対数分布（KiB→GiB）を示すため、I/Oサイズはlog₂で表します。
（画像をクリックして拡大）
図1. 各I/Oサイズで100%ランダムI/Oを想定した場合の、一般的な28TB HDDのスループット密度曲線とlog2（I/Oサイズ）の関係。
図1は、一般的な28TB HDDのスループット密度曲線を示しています。この曲線はS字型をしており、I/Oサイズが小さい領域ではレイテンシーが、大きい領域では転送速度が支配的な要因となります。中間値は1.8MiBで、I/Oサイズが小さくなるにつれてスループットは急速に低下します。この曲線は、次の式でモデル化できます。
A⋅I/(B+I)
ここで、Aは転送速度、Bはレイテンシー×転送速度（中間値）、IはI/Oサイズです。
このパフォーマンス曲線を踏まえ、次に、観測されるスループットを維持するために必要な物理容量を見ていきます。
I/Oスループットに必要な容量
主要なコスト要因の一つは、一定のスループットを実現するために必要な容量です。これは、スループット密度の逆数であるTB/(MB/秒)で表すことができます。
（画像をクリックして拡大）
図2. I/Oサイズの関数として、1MB/秒のスループットを実現するために必要なTBで表した、28TB HDDのスループットコスト。
図2は、28TB HDDにおいて、1MB/秒のスループットを実現するためのコストとI/Oサイズの関係を示しています。関数形は1/log（I/Oサイズ）となるため、I/Oサイズが小さくなるほどコストは急激に増加します。
図2（28TB HDD）から、次のことが分かります。
- 1MiB I/Oでは、1MB/秒を実現するのに0.4TB（ドライブ容量の約1.5%）が必要です。
- 4KiB I/Oでは、同じスループットを実現するのに70TB（約2.5台分）が必要です。したがって、4KiB I/Oでは、1MiB I/Oと比べて160倍以上の容量が必要になります。
つまり、HDDでは4KiB I/Oは1MiB I/Oに比べて、およそ160倍の容量コストを要することになります。
QLC SSDのパフォーマンス面での優位性
QLC SSDは機械的なレイテンシーの影響を受けないため、I/Oサイズが小さくても高いスループット密度を維持できます。
（画像をクリックして拡大）
図3. 容量最適化型QLC SSDの読み取り／書き込みスループット密度。
図3は、容量最適化型QLC SSDの読み取り／書き込みスループット密度を示しています。
- I/Oサイズが小さくても、読み取りスループット密度は高い水準を維持します。
- 書き込みスループット密度は読み取りより低いものの、それでもHDDを大きく上回ります。
- 例：QLCでの64KiBランダム書き込みは6.7MB/秒/TBを実現しており、HDDの256MiB I/O時のスループットを上回ります。
QLCのスループットに必要な容量コスト
こうしたパフォーマンスの差は、必要な容量の削減に直結します。
（画像をクリックして拡大）
図4. 容量最適化型QLC SSDのスループットコスト。
図4は、1MB/秒を実現するのに必要なTB数（コスト）を示しています。
- 4KiB書き込みでも、QLCに必要な容量はわずか約1.2TBで、HDDに比べて約60分の1です。
- 1MiB I/Oで読み取りと書き込みの比率が2:1の場合、
- QLCに必要な容量はわずか約0.041TB
- HDDに必要な容量は約0.43TB
結論
I/Oサイズが小さい領域で性能が向上すると、必要容量を大幅に削減でき、その結果、QLC SSDはHDDに比べて総コストを抑えられます。I/Oサイズが1MiBの場合でも、QLCはHDDの10分の1の容量で同じスループットを実現できます。ストレージコストをメディアの$/TBだけで評価すると、こうした影響は見えにくくなります。実際のワークロードではI/Oサイズは分布を持ちますが、それでもこうした影響は大きなインパクトを及ぼします。
近日公開予定の本ブログ第2回では、Micron 6600 I/ON SSDのようなQLCベースSSDをさらに詳しく取り上げます。
