Live Optics | 平均日次書き込み量

環境にSSDを実装することによる3つの最大のデメリットは、コスト、速度、耐久性です。幸いなことに、この業界はこれら3つの点すべてで快適さを実現しています。

この記事では、価格とパフォーマンスについて触れていますが、耐久性に重点を置いています。特に、1日あたりのドライブ書き込み数(DWPD)について詳しく説明します。1日あたりのドライブ書き込み数(DWPD)は、SSDドライブの摩耗や耐久性に関する予想値を示すための基準となっています。

価格と容量
NANDは、USBまたはSSD「フラッシュ」に見られる基盤テクノロジーであり、継続的に低価格で提供されています。このコスト削減は、NANDの製造方法を変更することで実現されました。2つの一般的な方法として、(1)セルあたりのビット数を増やしてMLCおよびTLCテクノロジーを実現する方法、および(2)これらのセルを垂直に積み重ねる技術である3DまたはV-NANDと呼ばれる方法があります。今日の大容量かつ費用対効果の高いSSDドライブは一般的に、TLCと3D技術を組み合わせて作成されています。

パフォーマンス
SSDの容量と価格の面では、製造におけるこれらの進歩の恩恵を受けていますが、パフォーマンスと耐久性の面では企業での採用に課題があります。TLC NANDのプログラミング サイクルが長いため、高ビット セル方式のNAND (TLC) SSDの書き込みパフォーマンスについて大きな懸念があります。ただし、SSDの書き込みパフォーマンスはSSD SoC (System on Chip)によって支配されており、その懸念を軽減するのはファームウェアです。

容量の増加が、この問題の克服にも役立ちました。ドライブが100%フルになることはめったになく、ファームウェアはその特性を利用してガベージ コレクションと呼ばれるプロセスを実行できます。ガベージ コレクションは、書き込みスペースをプロアクティブに準備して、書き込みが発生した場合の準備によるペナルティーを軽減します。SSDはハードドライブのシーク時間のペナルティーを共有しないため、ドライブ上のどのスペースを使用しても、他の場所と同様に最適な性能を発揮します。その結果、今日の大容量3D TLCドライブは驚くほど高速です。

また、ほとんどの宣伝文句で使用されるIOPSを必要とする企業は10%未満です。Live Opticsを実行して確認してください。より大容量でコスト パフォーマンスに優れたドライブを使用することで、より多くの本番データをフラッシュに移行できるというメリットが得られます。  これにより、より多くのデータ容量にわたって一貫したサービス品質がI/Oに提供されます。

DWPDまたは1日あたりのドライブ書き込み数

ほとんどの企業ではI/Oのニーズが考えられているより低いところに、さらに大容量ドライブを組み合わせると、3D TLCドライブをTier 1容量ドライブとして採用するかどうかの意見が劇的に変わる可能性があります。

DWPDは、1日あたりにSSDの容量を完全に上書きできる回数で、メーカーの推奨値の範囲内にとどまります。
 

オールフラッシュ テクノロジーは、フラッシュへの書き込みプロセスによってメモリー セルが徐々に劣化するという欠点を受け継いでいます。ストレージ管理者は、SSDディスクおよびキャッシュ製品を導入する前に、アプリケーションの書き込みワークロードを考慮して、製品の寿命が要件と一致することを確認する必要があります。SSDディスクの耐久性を測定するための基準は、1日あたりのドライブ書き込み数(DWPD)です。DWPDは、ディスクの総容量に対して測定されます。例えば、100 GBのSSDが1日に100 GBを書き込む場合、DWPDは1です。この基準では、ディスクが推定DWPDに少なくとも5年間耐えることができるとされています。

Live Opticsは、各レイヤー（ディスク、サーバー、クラスター ディスク、コレクター実行、プロジェクト）で推定平均日次書き込み量を表示することで支援します。

1日あたりの平均書き込み量
特定のI/Oレコード セットの1日あたりの平均書き込み量を計算するには、すべてのレコードの書き込みスループット（MB/秒）と各レコードの期間を合計します。これはLive Opticsで自動的に実行され、毎日容量値が書き込まれます。1日あたりの平均書き込み量を理解するための基本的な式は次のとおりです。

したがって、どのSSDドライブ タイプでも、次の式でこの容量値を使用して、バックエンドI/O操作を含む毎日の書き込みアクティビティーに対応するために必要な最小ドライブ数を計算できます。

注：この式の「RaidPenalty」について、このドキュメントの後半でさらに詳細に説明する必要があります。

この式を使用するには、まずドライブのDWPD指標を確認します。この製造元の指標は、そのドライブの仕様に関連する一般に入手可能なデータです。ここでは、このデモを行うために、さまざまなドライブ タイプで許容されるDWPD指標をいくつか紹介します。

RAID：RAIDがDWPDに及ぼす影響についての概要
RAID 10は、最も理解しやすいRAID形式です。書き込みと追加コピーのたびに、ミラー内の他のディスクに書き込まれます。したがって、使用されるRAIDペナルティーは2です。RAID 5と6はより複雑で、一見したところ、DWPDの計算で使用されるRAIDペナルティーは、「容量効率比」に関する一般的な認識とは異なるように見えるかもしれませんが、これらは関連しているが相互に排他的な容量の要素であることが簡単な図で理解できます。

RAID 5：RAIDペナルティーは2。
RAID 5 (4+1)の有効容量効率比は80%です。4台の容量ディスクと1台のパリティ ディスクにより、4/5の比率が実現されます。

DWPDは、書き込まれたデータの容量に基づいて計算されますが、より重要なのは、データがディスクに書き込まれた方法です。ここでは、一般的なRAIDの用語についていくつか説明します。各RAIDセットは、RAIDストライプ幅とRAIDストライプ深度で構成されています。

RAIDストライプ幅：RAIDストライプがスパンされるドライブの数（4台のディスク + 1台のパリティ ディスク）。

RAIDストライプ深度：この用語には多くの名前がありますが、書き込みが次のディスクに移動する前に各ディスクに書き込まれるデータの量です。これは、DWPDを見積もるロジックを理解する上で重要な要素です。

次の図は、ストライプ深度が64KBのこのRAIDストライプに書き込む場合の最良のシナリオと最悪のシナリオを示しています。

最良のシナリオ：
システムは、ディスクへの影響を最適化するために、書き込みの連結または結合を試行する場合があります（完全な256 KBが書き込まれます）。各ディスクには、64 KBが均等に割り当てられます。パリティも64 KBになりますが、書き込まれた256 KBの20%のオーバーヘッドにすぎません。 

最悪のシナリオ：
ほとんどの書き込みは小規模であり、多くの場合、ストライプ深度よりも小さくなります（64 Kのデータのみが書き込まれたと仮定します）。これは、RAIDストライプ内の2台のディスク（64 KBが書き込まれたディスクと、同じく64 KBである再書き込みパリティ ディスク）にのみ影響するため、有効容量が80%効率のままであっても、書き込みオーバーヘッドは100%になります。

RAID 6：RAIDペナルティーは3。
デュアル パリティRAIDに対しては、追加のペナルティーを追加する必要があります。同じ最悪のシナリオでは、64 KBが書き込まれ、1つのディスクにのみ影響します。ただし、2つのパリティ ディスクを再計算して再書き込みする必要があります。したがって、RAID 6の最悪のシナリオは、3倍のペナルティー（64 Kデータ + 128 Kパリティ）になります。

まとめ
DWPDは書き込まれるデータ容量に対する指標であるため、SSDは同じデータ スペースを上書きするのではなく、事前に準備されたドライブの新しいスペースを見つけて書き込みを最適化しようとします。これは、既知の「平均日次書き込み」容量に基づいて、特定のドライブの摩耗を非常に安全に見積もることができます。

以下のページの計算は、100%最悪のシナリオの予測を反映しているため、システムによって提供される書き込み最適化により、これらの予測はより安全になります。

DWPD：平均日次書き込み量を適用して耐久性を見積ります。
何を達成しようとしているかに応じて、DWPD値を求める方法が異なります。必要なアクティブ ディスクの最小数を計算する方法と、既知のワークロードを持つ特定の数のSSDの推定寿命を計算する方法があります。

アクティブ ドライブの最小数
この方法は、Live Opticsプロジェクトで観察されたワークロードの需要に基づいて、1台のドライブまたは一定数のドライブを推奨されるDWPD指標内に維持する必要があるかどうかを見積もるのに役立ちます。

平均日次書き込み量：3.5TB
ターゲットRAIDセット：RAID 10
評価対象のSSD：TLC 3.8 TB SSD

 平均日次書き込み量：3.5TB
ターゲットRAIDセット：RAID 5-5 (4+1)
評価対象のSSD：TLC 3.8 TB SSD

平均日次書き込み量：3.5TB
ターゲットRAIDセット：RAID 6-6 (4+2)
評価対象のSSD：TLC 3.8 TB SSD

小容量のドライブと高いDWPD
ここで示されているのは、1日あたり3.5TBという極端な量の書き込みを行い、RAIDペナルティーを考慮した場合でも、ドライブの容量が大きいため、すべての構成で必要な最小ディスク数が3台以下になるということです。

ディスク容量とDWPD指標の関係を示すために、次の例では、容量がわずか400 GBで、DWPD指標が10と高い、小容量のドライブを使用します。

平均日次書き込み量：3.5TB
ターゲットRAIDセット：RAID 6-6 (4+2)
評価対象のSSD：SLC 400 GB SSD

 
その結果、書き込みワークロードに対応する最小ドライブ数は3のままです。ただし、TLC構成のraw容量は約10TBですが、SLCは1200GBです。

実際に必要なDWPDファクター
推奨される最小ドライブ数よりも多くまたは少なく使用することで、ドライブの摩耗の予測値が早まるか遅くなります。この計算は、推奨されるドライブ数を使用されたドライブ数で割るのと同じくらい簡単です。

この構成は、オーバープロビジョニングされています。これらのドライブの摩耗耐久性は、期待を上回るはずです。この構成は、推奨事項を満たしていません。そのため、ドライブの摩耗が早まります。

DWPD：平均日次書き込み量を適用してドライブ寿命を見積もります。既知の日次平均書き込み容量に対する既知のドライブ数の推定寿命を計算するには、計算を逆にして、実際に必要なDWPDファクターを使用します。

推定寿命
ほとんどのRAIDセット、特にストレージアレイでは、通常、最小構成として4〜12台のドライブが含まれています。その結果、SSDの寿命を計算すると、ドライブを使用できる年数が冗談のように見積もられることがよくあります。ただし、システムが不適切またはアンダープロビジョニングされている場合は、これらの見積もりが理解に役立つ可能性があります。
システムは、予期しないダウンタイムを回避するために増分を更新します。

前のページの2つの実現されたDWPD値を使用して、以下の式で各シナリオの効果を示します。

サンプル データ：

メーカーの推定年数：5
実際に必要なDWPD：0.27
 

メーカーの推定年数：5
実際に必要なDWPD：1.67
 

結論

今のところ、SSDのサイズ測定としてのIOPSは、一般的に利用可能になったことでコモディティ化され、価格が下がり、容量が増加し続けています。SSDに移行する最大のメリットは、すべてのディスク アクティビティーについて、より多くのデータを一貫して高いサービス レベルに移行できることです。

しかし、企業固有のワークロードや、SSDメーカーが容量の限界を押し上げるために使用している革新的なテクノロジーに関しては、速度と耐久性に関連するため、未知のものに対してまだ躊躇があります。

Live Opticsは、環境の独自性を測定し、この情報を使用して、ワークロードの固有性や実装対象のドライブにかかわらず、ドライブの寿命に関する快適なレベルを見つけることができます。

このドキュメントでは、1日あたり3.5TBの平均日次書き込み量を使用しています。これは、誰が見ても、ほぼすべての業種における平均的な企業の需要をはるかに超えています。したがって、1日あたりの平均書き込み量が3.5TB未満の場合、摩耗の予測値はこのドキュメントの推定値を超えます。

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Live Opticsは、Dell Technologies, Inc.からコミュニティーに提供される、環境からパフォーマンスに関するファクトを取得するための、ベンダーやプラットフォームに依存しない標準的な方法です。

ご不明な点がございましたら、Live Opticsサポート(liveoptics.support@dell.com)までお問い合わせください。