デジタルトランスフォーメーションの時代において、より優れた高速なデータアクセスが、ビジネスとテクノロジーにおける重要な意思決定を推進しています。エンタープライズシステムは、リアルタイムのインサイト、ワークロード統合、最小限のレイテンシーを提供する、堅牢なIoTソリューションに対する高まる要求に応える必要があります。
ソリッドステートドライブ（SSD）は、コンピューターのストレージデバイスの一種です。回転するプラッターを使用する従来のハードディスクドライブ（HDD）とは異なり、SSDは半導体チップを使用してメモリを保存および取得します。可動部品がないため、SSDはより堅牢なインフラストラクチャを備え、HDDよりもはるかに高速にデータにアクセスできます。
画像1：HDDとSSDの比較
データの書き込みと読み取りには、SATAとNVMeという2つの主要な方法があります。帯域幅の拡大とレイテンシーの短縮を目的として、NVMeはSSDが高速ストレージメディアにアクセスするために特別に開発されました。一方、SATAはSSD、HDD、光学ドライブを接続するための確立されたストレージプロトコルです。ただし、SATA SSDにはインターフェースコントローラーが必要であり、これがデータ転送のボトルネックとなり、CPUのパフォーマンスを制限する可能性があります。NVMeは、SATAを含む他のレガシーインターフェースと比較して、はるかに効率的でスケーラブルであり、低レイテンシーのストレージアクセスを提供します。
このブログでは、ストレージテクノロジーであるNVMeとSATA、その主な違い、堅牢なエッジコンピューティングにとってNVMeが重要である理由、そしてPremioがNVMeを堅牢なエッジコンピューティングにどのように組み込んでいるかを説明します。
NVMeとは？
NVMe、または非揮発性メモリ・エクスプレスは、ホストをPCIエクスプレス（PCIe）バスを介してメモリサブシステムに接続するデータストレージプロトコルです（1）。このインターフェース仕様は、データボトルネックの大部分を軽減し、複数のコマンドキューやレイテンシーの短縮など、さまざまなパフォーマンス向上をもたらします。
NVMeフォームファクターと標準規格
フォームファクターとは、SSDの物理的な寸法を指します。NVMe仕様は、以下を含むすべてのフォームファクターにおけるPCIeソリッドステートドライブ（SSD）の業界標準です（2）。
- 標準2.5インチU.2ドライブ。
- M.2モジュール（旧称次世代フォームファクター（NGFF））。
- アドインカード（AIC）。
- エンタープライズおよびデータセンターSSDフォームファクター（EDSFF）。
画像2：M.2フォームファクター
さらに、NVMeインターフェースには、エンドツーエンドのデータ保護、改善されたエラー報告、仮想化などのエンタープライズ機能があります（3）。
- 明確に定義されたアービトレーションメカニズムを持つ、各I/Oキューに関連付けられた優先度。
- 効率的で合理化されたコマンドセット。
- 複数の名前空間のサポート。
- I/O仮想化アーキテクチャの効率的なサポート。
- マルチパスI/Oと名前空間共有のサポート。
NVMeインターフェースの機能の詳細については、nvmexpress.orgのNVMe 1.4a仕様をご覧ください。
SATAとは？
SATA（シリアルATA）は、SSD、HDD、光学ドライブを接続するための確立されたプロトコルです。2000年に導入されて以来、この規格はいくつかの性能向上改訂を受けてきました。たとえば、SATA Iは最大150 MB/sのデータ転送速度を実現できますが、SATA IIIは最大600 MB/sの速度に達することができます。
それにもかかわらず、SATA SSDにはインターフェースコントローラーが必要であり、これがデータ転送のボトルネックとなり、CPUのパフォーマンスを制限する可能性があります。具体的には、SATAはAdvanced Host Controller Interface（AHCI）を使用しており、ホストからSSDにデータを送信する単一キューブロックI/Oレイヤーが含まれています。下の図1は、ホストでSATAおよびNVMe SSDをサポートするブロックI/Oレイヤーの種類を比較しています。
Figure 1: ブロックI/Oレイヤーの種類 (4)
図1に示すように、AHCIとNVMeインターフェースコントローラーの主な違いは、ブロックI/Oレイヤーのタイプです。AHCIは、シングルキューI/Oブロックレイヤーを特徴としています（図1a）。これは、各CPUコアで実行されているタスクからのすべてのI/Oリクエストが、単一のリクエストキューを介して処理されることを意味します。これにより、単一のキューではストレージの可能性を十分に活用できないため、根本的にボトルネックが発生します。一方、NVMeはマルチキューブロックI/Oレイヤーを利用しており、これによりスケーラビリティが大幅に向上します。レイテンシを削減するために、マルチキューブロックI/Oレイヤーは、ソフトウェアキュー（SWQ）とハードウェアキュー（HWQ）の2つのレベルのキューを使用します（図1b）。任意のCPUコアで実行されているタスクは、コアにマッピングされた対応するSWQに送信できるため、単一のリクエストキューを競合するCPUコアに起因するレイテンシが排除されます。要するに、NVMe SSDは、SSDの内部並列性を完全に活用し、パフォーマンスのボトルネックに関連する問題を軽減する、高度にスケーラブルなアーキテクチャを備えています。
通信ドライバー：SATA対NVMe
これらの通信ドライバー間のアーキテクチャの根本的な違いを考えると、ストレージデバイスとの互換性、パフォーマンス、データレイテンシなど、さまざまな側面で異なる特性を備えています。SATAとNVMeの主な違いを以下にまとめます。
Figure 2: コンピューターストレージ技術
NVMeの主なメリット
- 低レイテンシ: 帯域幅と内部並列性の向上により、NVMeは従来のストレージプロトコルで持続していたI/Oボトルネックを排除し、データの読み書きにおけるレイテンシを削減します。
- スケーラブルなパフォーマンス: NVMeはPCIe 3.0レーンと直接接続することでデータを転送し、接続技術で発生する可能性のあるデータボトルネックを軽減します。この機能は、エッジでの反射的推論分析に必要なスケーラブルなパフォーマンスを提供します。
- 信頼性の高いストレージ: NVMeは、可動部品のないフラッシュメモリにデータを保存します。これにより、壊滅的な故障の可能性が最小限に抑えられ、エッジデバイスの堅牢性に貢献します。
- 電力効率: NVMeアーキテクチャには、SSDの電力を調整する機能が含まれています。効率的な電力管理は、企業が最適な総所有コスト（TCO）を達成し、バッテリー寿命を延ばすのに役立ちます（5）。
なぜ NVMeは 堅牢なエッジ コンピューティングにとって重要なのか
NVMe技術は、頑丈なエッジで新しいアプリケーションを可能にします。スマートデバイスの数が増えるにつれて、エッジコンピューティングにはより多くの帯域幅と処理能力が必要になります。NVMeのスケーラブルなパフォーマンスと低遅延データ転送の機能により、スマートアプリケーションは、より高速で効率的なデータ処理を通じて大きなメリットを得ることができます。例えば、機械学習アルゴリズムは、AIのトレーニングと推論のために高速な不揮発性ストレージを必要とします。同時に、貴重なデータは高度なIoT管理のためにデータセンターにフィルタリングされ、コアでのより高速なストレージの必要性を促進します。したがって、データの永続的な増加とIoTデバイスの広範な採用を考慮すると、NVMe技術の採用は単なる「あれば良いもの」ではなく、おそらく「必要不可欠なもの」になるでしょう。
Premioはどのように堅牢なエッジ コンピューティングに NVMeを組み込んでいますか？
Premioは、次世代の処理およびストレージ技術に、
当社のVCO-6131E-4M2 AIエッジ推論コンピューターで参加しています。 その高速 NVMeストレージと高速I/O拡張性により、インテリジェントな機械のトレーニングのための効率的なデータ収集と処理を推進し、より高度なIoT管理のために不可欠なデータをクラウドアーカイブにすばやくオフロードします。 強力なGPU拡張性により、主要なエッジネットワークポジションで推論分析タスクに情報提供されたアルゴリズムをリアルタイムで適用します。さらに、堅牢なハードウェアアーキテクチャは、AIエッジ推論コンピューターを過酷な環境から保護し、シームレスな接続により、リモートおよび分散型ロケーションからの信頼性の高い通信を保証します。 したがって、AIエッジ推論コンピューターは、産業オートメーション、計測、欠陥検出、監視、スマートシティ、スマート小売など、さまざまなアプリケーションにとって理想的な堅牢なエッジソリューションです。
リファレンス:
- Hernandez (2018).NVMe vs SATA: ストレージ技術の比較。
- MetzとLynn (2018). NVMe™フォームファクターブログシリーズ パートII：「NVMeの構成要素 – コントローラー、バッファメモリ、メディア、フォームファクター」。
- NVM Express基本仕様書。NVM Express™リビジョン1.4a。
- Kim, S.、Kim, K.、Shin, H.、& Kim, T. (2020). NVMeSSDにおけるユーザーエクスペリエンスの実践的強化。Applied Sciences, 10(14), 4765.
- NVMe™技術の電源管理機能。