データセンターアプリケーションのためのOpen Channel SSDデザインを実現

SM2270 NVMe SSDコントローラー

ビッグデータ、ビデオオンデマンド、ソーシャルネットワーク、コンシューマーおよびエンタープライズを対象としたアプリケーションにおいて急速に採用されているクラウドコンピューティングは、大規模のデータストレージの要件を劇的に変化させています。Amazon WebサービスやMicrosoft Azureなどデータセンターのオペレーターやクラウドサービスプロバイダー（CSP）は、新たな、厳しい要求に次ぐ要求に直面しています。ストレージ容量を継続的に拡大するニーズ、変化し続ける要件に対応するためのニーズ、インフラストラクチャにおける出費を抑制するためにギガバイト単価を抑えつつ、一連のソリッドステートディスク（SSD）の効率とパフォーマンスを最適化するニーズ。

これらの新しい要件に応えるべくOpen Channelアーキテクチャが生まれ、複数のテナントとアプリケーションに対して機能し、個々のSSDデバイスの制御と操作を行う新しいモデルが提供されることとなりました。CSPとデータセンターのストレージソフトウェアエンジニアは、ストレージ容量の管理や最適化には並々ならぬ知識を持っており、彼らの作業環境においては、ストレージ設備に柔軟なプラットフォームを採用し、新しいアプリケーション要件に迅速に対応でき、新しい機能をタイムリーに採用できる必要があります。

また、同じような理由から、完全なハードウェア/ソフトウェアソリューションをエンタープライズ顧客に提供するシステムインテグレーターも、カスタマイズしたストレージシステムの高速かつコスト効率の良い開発を行うため、柔軟なプラットフォームを必要としています。

Open Channelモデルは、重要なメリットを提供します：

Open Channel SSDの主要特性Open Channelの仕様は、ホストとSSD間のインターフェイスのNVMeプロトコルに基づいて新しいタイプのSSDアーキテクチャを提供します。これにより、機能の分離が可能になり、FTL（Flash Translation Layer）ソフトウェアの主な機能であるデータ配置がホスト側で実行されます。一方、NAND Flashアクセスとエラー修正などの機能であるメディア管理は、SSDデバイスに実装できます（図1を参照）。

Open Channel SSDの並列内部パスがホストに表示されます。そのため、ホストは個別のSSDデバイス内の物理的な場所に対してI/Oチャンネル全体を制御することができます。これにより、SSDデバイスで実行しているアプリケーションの要件を把握しているホストが、データの配置を最適化し、適切なI/O分離を維持できるようになります（図2を参照）。SSDのメモリの場所がアプリケーションソフトウェアに表示されるとき、データの割り当てが手配できるようになり、各種アプリケーションまたはマルチテナント環境の各種テナントに属するI/Oの分離を利用できるようになります。

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App Note

特定のワークロードのためのストレージアレイの最適化。マルチテナント環境では、複数のタイプの、幅広い動作要件を持つアプリケーションが、共有物理ストレージデバイスで動作しています。Open Channelアーキテクチャでは、各SSDのストレージ容量は、各アプリケーションに最適に設定できます。また、これらは動的に変更させることができます。

コスト低減を促進する新しいSSDデバイスの急速な採用。超高容量の3DとQLC NAND Flashテクノロジーは、最 も 安 価 な ギ ガ バ イ ト 単 価 を 提 供 し ま す 。 O p e n Channelに準拠したSSDを適格とするのに必要な時間が短くなり、新しいストレージテクノロジーをデータセンターインフラストラクチャに導入するためのコストも下がっています。

より大きく、多様なSSDエコシステムの構築。ストレージ容量継続的にスケールアップする際、データセンターのオペレーターとCSPは、複数のサプライヤーからの新しいSSDを調達します。これにより、交渉立場を強化し、柔軟なサ プ ラ イ チ ェ ー ン の 選 択 が 可 能 に な り ま す 。 O p e n Channelアーキテクチャは、SSDデバイス側でコントロールテクノロジーを簡素化します。また、より互換性があり、相互作用性のあるSSDサプライヤーのエコシステムもサポートしています。

SM2270 Supports Project Denali Pre-standard

ビッグデータ、ビデオオンデマンド、ソーシャルネットワーク、コンシューマーおよびエンタープライズを対象としたアプリケーションにおいて急速に採用されているクラウドコンピューティングは、大規模のデータストレージの要件を劇的に変化させています。Amazon WebサービスやMicrosoft Azureなどデータセンターのオペレーターやクラウドサービスプロバイダー（CSP）は、新たな、厳しい要求に次ぐ要求に直面しています。ストレージ容量を継続的に拡大するニーズ、変化し続ける要件に対応するためのニーズ、インフラストラクチャにおける出費を抑制するためにギガバイト単価を抑えつつ、一連のソリッドステートディスク（SSD）の効率とパフォーマンスを最適化するニーズ。

これらの新しい要件に応えるべくOpen Channelアーキテクチャが生まれ、複数のテナントとアプリケーションに対して機能し、個々のSSDデバイスの制御と操作を行う新しいモデルが提供されることとなりました。CSPとデータセンターのストレージソフトウェアエンジニアは、ストレージ容量の管理や最適化には並々ならぬ知識を持っており、彼らの作業環境においては、ストレージ設備に柔軟なプラットフォームを採用し、新しいアプリケーション要件に迅速に対応でき、新しい機能をタイムリーに採用できる必要があります。

また、同じような理由から、完全なハードウェア/ソフトウェアソリューションをエンタープライズ顧客に提供するシステムインテグレーターも、カスタマイズしたストレージシステムの高速かつコスト効率の良い開発を行うため、柔軟なプラットフォームを必要としています。

Open Channelモデルは、重要なメリットを提供します：

Open Channel SSDの主要特性Open Channelの仕様は、ホストとSSD間のインターフェイスのNVMeプロトコルに基づいて新しいタイプのSSDアーキテクチャを提供します。これにより、機能の分離が可能になり、FTL（Flash Translation Layer）ソフトウェアの主な機能であるデータ配置がホスト側で実行されます。一方、NAND Flashアクセスとエラー修正などの機能であるメディア管理は、SSDデバイスに実装できます（図1を参照）。

Open Channel SSDの並列内部パスがホストに表示されます。そのため、ホストは個別のSSDデバイス内の物理的な場所に対してI/Oチャンネル全体を制御することができます。これにより、SSDデバイスで実行しているアプリケーションの要件を把握しているホストが、データの配置を最適化し、適切なI/O分離を維持できるようになります（図2を参照）。SSDのメモリの場所がアプリケーションソフトウェアに表示されるとき、データの割り当てが手配できるようになり、各種アプリケーションまたはマルチテナント環境の各種テナントに属するI/Oの分離を利用できるようになります。

デバイス/SSDメディア管理

アプリケーション

メディア

ホストデータ配置

Open Channel SSDインターフェイス

図1：Open Channelアーキテクチャは、データ配置とメディア管理のパーティショニングを提供します

これによりあるアプリケーションのリード・ライト動作が別のリード・ライト動作を干渉するリ ス ク を 低 減 し 、 そ の 結 果 、 デ ー タ 転 送 での レ イ テ ン シ が 減 少 し 、 レ イ テ ン シ が 予 測可能になります（図3を参照）。

図3：Open Channelアーキテクチャでは、SSDメディアのレイテンシへの貢献は、ホストに対して透明で、完全に予測可能です

図2：FTLがホスト側に実装されると、ホストは適切なI/O分離を維持し、データの配置を最適化できます

ホストFTL

IOストリーム#2IOストリーム#1 IOストリーム#3

物理ブロック

Open-Channel SSD従来のSSD

ホスト

ドライブ

データ配置 (Tx)メディア管理 (Tmedia)

レイテンシ ~ = Tx + Tmediaレイテンシ ~ = Tmedia低および予測可能

ホストデータ配置

メディア管理 (Tmedia)

Tx : 不確か．コマンド処理．IOスケジュール設定．ガベージコレクション...

Tmedia : メディアによって固定．ある期間内

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デバイスとホスト間のメディア管理とデータ管理機能のパーティショニングは、NAND Flashストレージデバイスメーカーの強みを生かし、一方では、データセンターソフトウェアエンジニアの強みを生かしています。SSD製造業者は、NAND Flashの専門家の大規模なチームを維持しています。これらは、NAND Flashの動作、動作温度とその他の条件の効果、劣化率対プログラム消去サイクルの数、適切なフォルト診断および復元操作についての徹底的な知識を習得してきた人物です。

同じように、CSPのソフトウェア開発エンジニア、データセンターオペレーター、システムインテグレーターは、アプリケーションに関する深い知識を活用して、データ配置やI/Oスケジュール設定の最適化を行うことができます。

Open Channel SSDの導入Open Channel仕様の作成に続き、データセンターのオペレーターとクラウドコンピューティングサービスプロバイダーは、Open ChannelコンプライアントSSDデザインの導入に利用できるハードウェアオプションを検討しています。これにより、Open Channelサポートを含む新製品を導入するため、SSDコントローラーソリューションの業界をリードするサプライヤーを促進することになりました。Silicon Motionは、収益と出荷という点において、商業SSDコントローラーの世界最大の製造業者です。2018年8月、Flash Memory Summitで、SM2270は、標準NVMeまたはカスタマイズ可能なOpen Channel SSDの運営を実現した、世界初のデュアルモードNVMeコントローラーソリューションとして発表されました。

このカスタマイズ機能は、SSDデバイスをOpen Channel環境で使用するのに欠かせない機能です。Open Channel v1.2とv2.0の仕様は、ストレージ業界によって認められましたが、標準のテクノロジーとして広く実装されてはいません。むしろ、これらはデータセンター、CSP、SSDストレージの大規模ユーザーが独自のシステムソリューションを、ホストとSSD間の独自インターフェイスとともに実装するフレームワークを提供しています。

Silicon MotionのSSDコントローラーソリューションは、Open Channelアーキテクチャのカスタム実装要件を直ちにサポートします。

これは、すべてのSilicon Motionコントローラーソリューションの中心のASICとファームウェアのユニークな構成によって実現されています。ユーザーの個別の仕様に対応するためSSD設計において幅広いカスタマイズ性を提供しているSM2270では、ユーザーは以下を指定できます。

Open Channel SSDのコントローラーに求められるその他重要な属性には以下の2つがあります。

高度なメディア管理NAND Flash製造業者は、最先端の3DおよびQLC（Quad Layer Cell）NAND Flashメモリを製造するためのプロセスの改良に成功しています。これらのNAND Flash ICは、旧世代のNAND Flashに比べ相当な容量とギガバイト単価のメリットを提供しています。しかしながら、すべての物理ストレージの場所にわたりバランスの取れたライト動作を行い、リード・ライト動作のビットエラーを修正するためには、テクノロジーを利用しなければなりません。

SM2270 SSDコントローラーソリューションに統合されているテクノロジーは、信頼できる操作を長く利用できる最も効率的なもので、ミッションクリティカルな産業・組込みアプリケーションで実証されています。Silicon Motionは、NAND Flashメディアの管理における20年を超える経験を活用しています。Silicon Motionの世界の業界をリードするFlash製造業者との連携により、最新の3D TLCおよびQLCテクノロジーイノベーションを含め、NANDの特性にユニークなレベルの洞察を導入します。

この専門知識は、Silicon Motion SSDコントローラーソリューションに実装されている高度なメディア管理テクノロジーに反映されおり、例えば、機械学習のエラー復元アルゴリズムを組み込んでいる、Silicon MotionのNANDXtend™ テクノロジーを含みます。

また、Open Channelアーキテクチャでは、データ管理がホストによって実行されるため、SSDはDRAMでマッピングテーブルを維持する必要はありません。これにより、DRAMコストが低減する可能性があります。DRAMを排除し、最小のギガバイト単価、最高容量のNAND Flashテクノロジーを利用できるようにすることで、Silicon Motionは、Open Channelイニシアチブをサポートしつつ、データセンター、CSP、システムインテグレーターが求める最も厳しいキャパシティおよびコスト仕様を満たす製品の提供を支援しています。

高度なデータ整合性NAND Flashアクセスの際には、何種類かのNANDエラーが発生する可能性があります。Open Channel SSDの信頼できる動作環境を確立するには、これらのエラーの検出と修正が必要になります。

SM2270コントローラーソリューションに基づいたOpen Channel SSDは、コントローラーに高度なデータ整合性を導入しているため、ほぼエラーなしのデータ出力を提供できます。これらには、エンドツーエンドのパス保護が含まれ、バッファメモリ同様にプライマリNAND Flashメモリ配列にもECC（エラー訂正符号）が適用されます。これにより、データがホストとSSD間、そしてメモリとNAND Falsh間で転送されるため、すべてのデータの整合性が維持されます。

また、Silicon Motionは4kB LDPCも実装し、メモリ配列にわたる包括的なエラー検出と修正も提供しています。

SM2270により、ほぼエラーのないデータ出力をホストに提供することができます。このため、データの入出力の整合性を監視することなく、データ配置とI/Oスケジュール設定のコア機能に集中できるようにホストを開放し、SSDデバイスとホスト間のタスクのパーティショニングがより効率的になります。

Open Channel SSDのための柔軟かつ高パフォーマンスなコントローラーソリューションOpen Channel仕様とOpen Channelコンセプトのカスタム実装サポートにより、SM2270は、データセンターとクラウドコンピューティング設備向けの新しいアーキテクチャをサポートするSSD開発に理想的なコントローラープラットフォームを提供します。

SM2270に基づいたSSDは、最新の高容量世代のNAND Flashメディアを安全に使用できると同時に、非常に優れたレベルの信頼性、エンタープライズレベルの動作寿命、高度なデータ整合性を実現することができます。

このホワイトペーパーのすべての画像は、Silicon Motionの厚意によるものです。

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インターフェイスのコマンドセットホストとSSD間のFTLジョブのパーティショニング

最新世代のNAND Flash テクノロジーに対応するメディア管理包括的なエラー検出と修正を行うデータ統合テクノロジー

デバイスとホスト間のメディア管理とデータ管理機能のパーティショニングは、NAND Flashストレージデバイスメーカーの強みを生かし、一方では、データセンターソフトウェアエンジニアの強みを生かしています。SSD製造業者は、NAND Flashの専門家の大規模なチームを維持しています。これらは、NAND Flashの動作、動作温度とその他の条件の効果、劣化率対プログラム消去サイクルの数、適切なフォルト診断および復元操作についての徹底的な知識を習得してきた人物です。

同じように、CSPのソフトウェア開発エンジニア、データセンターオペレーター、システムインテグレーターは、アプリケーションに関する深い知識を活用して、データ配置やI/Oスケジュール設定の最適化を行うことができます。

Open Channel SSDの導入Open Channel仕様の作成に続き、データセンターのオペレーターとクラウドコンピューティングサービスプロバイダーは、Open ChannelコンプライアントSSDデザインの導入に利用できるハードウェアオプションを検討しています。これにより、Open Channelサポートを含む新製品を導入するため、SSDコントローラーソリューションの業界をリードするサプライヤーを促進することになりました。Silicon Motionは、収益と出荷という点において、商業SSDコントローラーの世界最大の製造業者です。2018年8月、Flash Memory Summitで、SM2270は、標準NVMeまたはカスタマイズ可能なOpen Channel SSDの運営を実現した、世界初のデュアルモードNVMeコントローラーソリューションとして発表されました。

このカスタマイズ機能は、SSDデバイスをOpen Channel環境で使用するのに欠かせない機能です。Open Channel v1.2とv2.0の仕様は、ストレージ業界によって認められましたが、標準のテクノロジーとして広く実装されてはいません。むしろ、これらはデータセンター、CSP、SSDストレージの大規模ユーザーが独自のシステムソリューションを、ホストとSSD間の独自インターフェイスとともに実装するフレームワークを提供しています。

Silicon MotionのSSDコントローラーソリューションは、Open Channelアーキテクチャのカスタム実装要件を直ちにサポートします。

これは、すべてのSilicon Motionコントローラーソリューションの中心のASICとファームウェアのユニークな構成によって実現されています。ユーザーの個別の仕様に対応するためSSD設計において幅広いカスタマイズ性を提供しているSM2270では、ユーザーは以下を指定できます。

Open Channel SSDのコントローラーに求められるその他重要な属性には以下の2つがあります。

高度なメディア管理NAND Flash製造業者は、最先端の3DおよびQLC（Quad Layer Cell）NAND Flashメモリを製造するためのプロセスの改良に成功しています。これらのNAND Flash ICは、旧世代のNAND Flashに比べ相当な容量とギガバイト単価のメリットを提供しています。しかしながら、すべての物理ストレージの場所にわたりバランスの取れたライト動作を行い、リード・ライト動作のビットエラーを修正するためには、テクノロジーを利用しなければなりません。

SM2270 SSDコントローラーソリューションに統合されているテクノロジーは、信頼できる操作を長く利用できる最も効率的なもので、ミッションクリティカルな産業・組込みアプリケーションで実証されています。Silicon Motionは、NAND Flashメディアの管理における20年を超える経験を活用しています。Silicon Motionの世界の業界をリードするFlash製造業者との連携により、最新の3D TLCおよびQLCテクノロジーイノベーションを含め、NANDの特性にユニークなレベルの洞察を導入します。

この専門知識は、Silicon Motion SSDコントローラーソリューションに実装されている高度なメディア管理テクノロジーに反映されおり、例えば、機械学習のエラー復元アルゴリズムを組み込んでいる、Silicon MotionのNANDXtend™ テクノロジーを含みます。

また、Open Channelアーキテクチャでは、データ管理がホストによって実行されるため、SSDはDRAMでマッピングテーブルを維持する必要はありません。これにより、DRAMコストが低減する可能性があります。DRAMを排除し、最小のギガバイト単価、最高容量のNAND Flashテクノロジーを利用できるようにすることで、Silicon Motionは、Open Channelイニシアチブをサポートしつつ、データセンター、CSP、システムインテグレーターが求める最も厳しいキャパシティおよびコスト仕様を満たす製品の提供を支援しています。

高度なデータ整合性NAND Flashアクセスの際には、何種類かのNANDエラーが発生する可能性があります。Open Channel SSDの信頼できる動作環境を確立するには、これらのエラーの検出と修正が必要になります。

SM2270コントローラーソリューションに基づいたOpen Channel SSDは、コントローラーに高度なデータ整合性を導入しているため、ほぼエラーなしのデータ出力を提供できます。これらには、エンドツーエンドのパス保護が含まれ、バッファメモリ同様にプライマリNAND Flashメモリ配列にもECC（エラー訂正符号）が適用されます。これにより、データがホストとSSD間、そしてメモリとNAND Falsh間で転送されるため、すべてのデータの整合性が維持されます。

また、Silicon Motionは4kB LDPCも実装し、メモリ配列にわたる包括的なエラー検出と修正も提供しています。

SM2270により、ほぼエラーのないデータ出力をホストに提供することができます。このため、データの入出力の整合性を監視することなく、データ配置とI/Oスケジュール設定のコア機能に集中できるようにホストを開放し、SSDデバイスとホスト間のタスクのパーティショニングがより効率的になります。

Open Channel SSDのための柔軟かつ高パフォーマンスなコントローラーソリューションOpen Channel仕様とOpen Channelコンセプトのカスタム実装サポートにより、SM2270は、データセンターとクラウドコンピューティング設備向けの新しいアーキテクチャをサポートするSSD開発に理想的なコントローラープラットフォームを提供します。

SM2270に基づいたSSDは、最新の高容量世代のNAND Flashメディアを安全に使用できると同時に、非常に優れたレベルの信頼性、エンタープライズレベルの動作寿命、高度なデータ整合性を実現することができます。

このホワイトペーパーのすべての画像は、Silicon Motionの厚意によるものです。

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