SSD Performance White Paper

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しげじろうくだら
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1 ソリッドステートドライブの性能ホワイトペーパーデビッドバーティザル & トーマスノースフィールド 2008 年 3 月 24 日抄録コンピュータ業界の人であればコンピュータの各コンポーネント (C PU から RAM ビデオ G PU ストレージシステムまで ) はコンピューティングプラットフォームに対する更なるユーザの要求に対応するためいっそうの高速化をする必要があると言っても驚くことではありません毎日のように高速化や効率アップについての発表があります加えてエネルギーコストや環境の懸念が増加し低消費電力コンピューティングが最近の主流になってきています大容量記憶装置も例外ではありませんしかし多くの点で他のコンポーネントの高速化やエネルギー効率の改善に遅れを取っています容量は継続的に増えていますが近年ではハードドライブ技術はある限界に近づいており高速化と低エネルギー化が両立せずわずかな改善しか見られませんしかしハイパフォーマンスと高エネルギー効率の両方を望むユーザにとってやっとその技術が手に入るようになりましたソリッドステートドライブですソリッドステートドライブ (SSD) のパフォーマンスはハードディスクドライブ ( HDD ) に比べかなり上回ると考えられています当然ですがそれらはいろいろなことに依存していますたとえば SSD 全体のパフォーマンスは SSD の設計と品質使用されるアプリケーションやシステムに使用される他のハードウェアに依存します SSD の HDD からの主なパフォーマンス向上は SSD の非常に高速なランダム読み込みです初期の SSD は極端に遅いランダム書き込み速度の犠牲のもとにランダムアクセスの改善を得ていましたこれはもはや過去の話であり現在の製品では高速ランダム読み出し速度とともにランダム書き込み速度も大幅に改善されていますこのホワイトペーパーでは SSD のパフォーマンス要因を明らかにし典型的な HDD のパフォーマンスと比較しますまたいくつかの特定のアプリケーションやハードウェアに依存することにも触れます SSD とは SSD は可動部分がなく本質的に HDD エミュレータです基本的にプリント回路基板 NAND フラッシュメモリチップセット SDRAM のキャッシュメモリコントローラインターフェイスコントローラと IDE SATA SAS さらにはファイバチャネルなどのインターフェイスコネクタなどで構成されますここでは SATA 接続のみ議論します SSD のパフォーマンスとエネルギーの利点に加えて可動部分が無いことはドライブが振動や衝撃に強いことを意味します実際には SSD は 1500G の衝撃 (7.8m の落下に相当 ) に耐えるものもあります Page 1 of 10

2 パフォーマンス測定の定義ストレージデバイスのパフォーマンスを測定には多くの異なる方法がありますこの論文で使用されるパラメータは以下のように定義されていますアクセス時間 : プログラムまたはデバイスが 1 つの情報を見つけコンピュータで利用可能になるまでの時間アクセス時間は通常ミリ秒単位 (ms) ですシーケンシャル転送レート : デバイスのストレージメディアの隣接するセクターの 1 秒あたりの読み取りまたは書き込みのデータ量シーケンシャル転送レートは通常 1 秒あたりのメガバイト単位 ( MB / 秒 ) ですランダム転送レート : デバイスのストレージメディアの隣接しないセクターの 1 秒あたりの読み取りまたは書き込みのデータ量ランダム転送レートは通常 1 秒あたりのメガバイト単位 ( MB / 秒 ) ですシーケンシャル IOPS : デバイスがストレージメディアの隣接するセクターで 1 秒間に行なえるシーケンシャルの読み取りまたは書き込みの入力 / 出力操作の数として表現 ( IOPS ) ランダム IOPS : デバイスがストレージメディアの隣接しないセクターで 1 秒間に行なえるランダムの読み取りまたは書き込みの入力 / 出力操作の数として表現 ( IOPS ) すべての転送速度と IOPS の性能は転送ブロックの大きさに依存しています典型的なシーケンシャル操作は断片化されていない大容量のファイルの読み込み ( ビデオファイルなど ) または大容量のファイルを連続したメディアのセクターに書き込む場合です重度の断片化が発生したときまたは読み取り書き込み時にたくさんの小さなファイルがあちこちに散らばっている場合ランダムな操作が発生しますアプリケーションやオペレーティングシステムファイルの起動はどちらかというとシーケンシャルというよりはランダムです現実のコンピューティングでの実際のアプリケーションのパフォーマンスはランダムとシーケンシャル操作の組み合わせです Page 2 of 10

3 テストドライブについて様々な性能属性をテストする HDD と SSD ドライブが選ばれました表 1 はこれらのドライブをまとめたものです Name Type Capacity RPM (if HDD) Form Factor HDD 74GB 10, HDD 250GB 7, HDD 40GB 5, SSD 32GB n/a 2.5 * SSD 32GB n/a 3.5 ** SSD 32GB n/a 3.5 * SSD 32GB n/a 2.5 ** SSD 32GB n/a 2.5 表 1 *Imation SSD PRO 7000 powered by Mtron **Imation SSD MOBI 3000 powered by Mtron アクセス時間 SSD 対 HDD HDD は 1 つまたは複数の磁気メディアプラッターとアクチュエータによってプラッターの表面を内周から外周を動く読み取り書き込みヘッドによって構成されます特定のデータを読み取る場合ヘッドはその場所を特定し正しい位置に移動しプラッターが回転して物理的なデータが現れるのを待つ必要がありますこれは通常は 10ms 以上です高速 HDD モデルでもアクセス時間は 7 または 8 ms ですソリッドステートはその構成コンポーネントのおかげで NAND メモリの任意のセクターに直接アクセス ( シークなし ) でき SSD のデータアクセス時間は約 0.1ms で HDD よりも約 100 倍高速ですこれはブート時などのように数万から数十万回の処理が必要な場合 HDD による遅延が容易に認識できます図 1 はイメーション SSD と競合 SSD および HDD のアクセス時間を比較したものです SSD の高速性が明白です ( バーが短いほど速い ) 図 1 Access Time (ms) Page 3 of 10

4 シーケンシャル転送レート SSD 対 HDD 典型的なコンピュータは起動後ソフトウェアを RAM に読み込みユーザがデータファイル読み込みや作成を可能にします最終的にシーケンシャル書き込みが必要で新規または変更されたファイルを HDD や SSD など不揮発性ストレージに保存しますファイルドキュメントスプレッドシートプレゼンテーション画像やその他のデータファイルなど作成したすべてのデータは保存するために有限な時間を必要とします図 2 と図 3 に SSD および HDD のデバイスの書き込みおよび読み取りシーケンシャル転送レートの比較を示します Sequential Write Speed (MB/ s) Sequential Read Speed (MB/ s) 図 2 図 3 HDD は同じような読み取りおよび書き込み速度を持ちますが SSD は読み取り速度のほうが書き込みより速くなっていることに注意してくださいこれは SSD は書き込みプロセスの前に消去プロセスが必要だからですこの " 書き込みペナルティ " にもかかわらず上の図に見られるように SSD の読み取りおよび書き込みの性能は HDD を超えることが可能ですファイルまたはブロックサイズはもうひとつの依存要因ですブロックサイズが非常に小さい ( 512 バイト ) ものから大きい (128KB 以上 ) ものさらに非常に大きな ( 8 MB ) サイズに増大するに従いドライブのパフォーマンスは向上しますこれはオペレーティングシステムと関連付けられたファイルの読み取りまたは書き込み準備のためのデバイスのオーバーヘッドが理由です図 4 と 5 は SSD および HDD のブロックサイズの変更によってシーケンシャル書き込みと読み込みどう変化するかいくつかの例を示します Write Speed (MB/ s) Read Spee d (M B/ s) B 1K 2K 4K 8K 16K 32K 64K 128K 256K 512K 1M 2M 4M 8M 0 512B 1K 2K 4K 8K 16K 32K 64K 128K 256K 512K 1M 2M 4M 8M Write Block Size Read Block Size 図 4 図 5 Page 4 of 10

5 それぞれのドライブの種類である点を越えるとブロックサイズに依存しなくなりますここがそのドライブの読み取りまたは書き込みの最大転送レートになりますランダム IOPS SSD 対 HDD 非常に断片化したドライブでデータを転送する場合またはデータベースファイルへのランダムアクセスの例ではランダム転送レートが最も重要ですランダム速度は通常シーケンシャル速度よりも遅くデバイス上のブロックを別のデバイスに移動するためのオーバーヘッドが原因ですランダム転送速度を測定することは可能ですがランダム IOPS を直接測るほど有益ではありませんシーケンシャル転送速度の測定と同じようにランダム IOPS は転送するブロックサイズに依存しています図 6 と図 7 は SSD および HDD のランダムな書き込みおよび読み取り IOPS を示します K Random Write IOPS 512B Random Write IOPS 4K Random Read IOPS 512B Random Read IOPS 図 6 図 7 SSD の書き込み IOPS が HDD の 1 / 2 1 / 3 であるのに対しランダム読み取り IOPS は 100x も速くなります一般的にアプリケーションはランダムに書くよりもランダムに読むほうがはるかに多くこのパフォーマンスの向上はユーザにとって現実の速度向上を体感させますベンチマーク / 現実のパソコンのパフォーマンス SSD 対 HDD パソコンシステムのパフォーマンスのベンチマーク測定には多くの方法があり 1 つのコンポーネントがシステム全体のパフォーマンスに与える影響を測定します広く使われている方法のひとつに Futuremark の PCMark05 があります PCMark05 は全体的なシステムスコアベンチマーク (PCMark と呼ばれる ) を提供するだけでなくストレージのみのスコア ( HDDMark と呼ばれる ) も提供しますパソコンの HDD を SSD に取り替えてベンチマークを実行すると両方のスコアが現実のパフォーマンスの改善がよくわかります SSD と HDD のテストドライブを同じシステムセットアップを保証するマスター HDD と対比させることで忠実な比較ができます図 8 9 にそのスコアを示します Page 5 of 10

6 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 PCMark Score 0 5,000 10,000 15,000 20,000 HDDMark Score 図 8 図 9 すべての場合において SSD は大幅なシステムパフォーマンスの改善を提供します PCMark05 は HDD や SSD への書き込み読み込みに関連したタスク速度の内訳も示しますこれらの速度を SSD および HDD の例について図 10 に示します Operation Speed (MB/ s) XP Startup Application Loading Gener al Usage Vi rus Scan File Write 図 10 ほとんどの場合 SSD のパフォーマンスの向上効果は明確です最後に実際に行うにさまざまなタスクの実行時間を PC と比較する場合があります例として図 11 に示します実際の時間はパソコンシステムのすべてのコンポーネントに非常に依存していることに注意してください次に示す時間は同じパソコン ( テスト HDD とイメーションプロ SSD はシステムのセットアップを確実に正確に同じにするためマスター HDD ドライブを基準 ) でのものです Page 6 of 10

7 X 175 Time (seconds) X X 1.3X 1.8X 2.4X XP Boot ing 1GB Folder Copy Virus Scan Load Word file Load PPT File Load Photoshop File Imation SSD HDD 図 11 ストレージサブシステム / チャネルへの依存性この報告書に書かれているパフォーマンスデータは NVidea の nforce ウルトラチップセットを使用したデスクトップパソコンで収集しています個々に与えられたプラットフォームで期待される実際のパフォーマンスは SSD の SATA 接続に使用されるチップセットの帯域幅に非常に依存していますこれは特にサウスブリッジのチップセットについて言えます帯域幅を制限する顕著な例としてはインテルのチップセットの ICH7R ( インテル 975X ボードによく見られる ) とインテル ICH9R ( インテル X38 ボードによく見られる ) があります他にも大域幅を制限するチップセットがあるかもしれませんし nforce 570 よりも帯域幅良いものもあるでしょう以下の図 12 はパソコンのチップセットの例とそれらのシーケンシャル読み取り転送速度を示したものです Sequential Read Speed (MB/ s) nforce-570-ultra Intel-975X/ICH7R Intel-X38/ICHR9 図 12 Page 7 of 10

8 この文書の執筆時点ではインテルのチップセットは帯域幅を約 80 MB / 秒に制限し一方 NVidea nforce チップセットでは制限がありませんこの問題は今後リリースされるインテルのチップセットで修正されると思われますインテルのチップセットの所有者が対処できるようにこの問題を回避するための手ごろな価格の SATA コントローラが増えています電力消費 SSD には HDD よりもはるかに低いパワーが必要です低消費電力は低発熱を意味し冷却に必要なエネルギーを低減することにより間接的にエネルギー消費に影響します高性能の HDD ( 10K RPM ドライブなど ) に対するイメーション製 SSD の電源要件 ( 低発熱による付加的な節約を含まない ) は : アイドル状態の約 15 % ピーク時の約 30 % 図 13 は様々な HDD に比べて様々な動作条件の下で SSD がエネルギー需要の大幅削減をすることを示します Hitachi Travelstar 5,400 RPM Caviar 7,200 RPM Raptor 10,000 RPM Sandisk 5000 (32GB) (16GB) (32GB) (32GB) 64KB WR 64KB WS 64KB RR 64KB RS Idle 図 13 高性能なランダムな読み取り IOPS の恩恵に加えこの重要性を明らかにするためにイメーション 7035 SSD 対エンタープライズクラス 15k RPM HDD のエネルギー削減をモデリングできます以下の例ではアプリケーションが 36,000 IOPS を必要とする場合です * エンタープライズクラス HDD 360 IOPS / ドライブ (36,000/360=100 ドライブ ) イメーション 7035 SSD 18,000 IOPS / ドライブ ( 36,000/18,000 = 2 ドライブ ) 電源消費がおよそ 15 ワットだとすると HDD の年間消費電力は 130 キロワット時ですドライブ ( 仮定 $ 0.15 / KWh ) あたりの年間コストは $ です一方イメーション SSD の消費電力はわずか 2.5 ワットで年間わずか 22 キロワット時ですこれはドライブ当たり年間 $ 3.30 です Page 8 of 10

9 HDD の合計エネルギーコスト $1,950/ 年 SSD の合計エネルギーコスト $ 7/ 年 ============================================ 削減額 $1,943 * 実際の削減量はアプリケーションが必要とする具体的な IOPS の影響を受けますこの必要性に影響を与える要因には ( これだけとは限りませんが ): ランダムおよびシーケンシャルアクセスタイプの混在比読み取りおよび書き込み操作混在比ブロックサイズまたはブロックサイズ分布比較検討されている HDD のタイプ実際の電力消費 HDD の IOPS 現在のエネルギーコストなどです SSD のパフォーマンス評価ツールユーザーはご自分のシステムに SSD を使うことで露呈するかもしれない速度を制限するコンポーネントがないかどうかを判断することをお勧めします SSD 対 HDD の試験条件はよく理解しなければなりません各デバイスの可能性を完全に引き出すため SSD および HDD は最も遅いコンポーネントでなければなりません SSD および HDD のテスト速度は CPU マザーボードビデオカードチップセットおよびシステムの処理速度を落とすことがあるすべてのコンポーネントに依存しています多くの評価ソフトウェアがありますよく使われるものを表 2 に示しますテストソフトウェア HDTach ATTO IOMeter PCMark SiSandra HDBench テストパラメータ持続的シーケンシャルかつバースト読み込み転送レート ( 可変ゾーン ) とアクセス時間ブロックサイズに対する持続的シーケンシャル書き込みおよび読み取り転送レート異なるワークロードでの IOPS -- 様々な転送サイズでのランダム / シーケンシャル読み取り / 書き込み PC の様々な使用状況のシミュレートや他のコンピュータシステムに対する総合的スコアを提供ファイルサイズに対する読み取り / 書き込み毎分の操作数など様々な転送速度テストシーケンシャルとランダムな読み取り / 書き込み速度表 2 結論全体的なパフォーマンスはシステムで最も遅いコンポーネントで制限されます現代のコンピュータでは多くの場合 HDD がデータ集約型アプリケーションのボトルネックです高速でエネルギー効率の良い SSD が入手可能でこのボトルネックは改善されパソコンの全体的なパフォーマンスと応答性が大幅に改善し高 IOPS が必要な場合にはエネルギーとコストの削減になります Page 9 of 10

10 デビッドバーティザルはイメーションアウトソース製品研究室の品質保証部門シニアマネージャーですトーマスノースフィールドはアウトソース製品研究室のプロダクトエンジニアリングスペシャリストです本研究室はミネソタ州オークデールのイメーションワールドワイドヘッドクォーターに所在します. Page 10 of 10

東芝 MAGNIA R3320b での SSD 性能の検証 2012 年 8 月株式会社東芝クラウド & ソリューション事業統括部目次 1. はじめにソリッドステートドライブの概要使用機器一覧単体性能についてサーバー用途別のテスト

東芝 MAGNIA R3320b での SSD 性能の検証 2012 年 8 月株式会社東芝クラウド & ソリューション事業統括部目次 1. はじめに...2 2. ソリッドステートドライブの概要...2 3. 使用機器一覧...3 4. 単体性能について...3 5. サーバー用途別のテスト項目...4 6. テスト結果...6 7. まとめ...7 免責事項...8 商標...8 1 1.