昨年のSpectre/Meltdownから、最近ではZombieloadやFalloutまで、Intel CPUはこれまで数多くのセキュリティ脆弱性を抱えてきました。残念ながら、これらのセキュリティホールの修正にはコストが伴います。Intelとそのパートナー企業は、パッチをリリースするたびに、パフォーマンス向上を可能にしていたプロセスを削除することで、攻撃経路を遮断してきたのです。
パッチがストレージ パフォーマンスにどの程度影響するか、またチーム ブルーがチーム レッドと比べてストレージ パフォーマンスがどの程度優れているかを調べるために、Intel Core i7-9700K を搭載したデスクトップと AMD Ryzen 7 2700X を搭載したデスクトップの 2 台でテストを実行しました。
ハードウェア構成
テストに使用したCore i7-9700Kはハイパースレッディング対応プロセッサではない点に注意してください。Intelは、リスクの高い環境では最新の脆弱性から100%保護するためにハイパースレッディングを無効にすることを推奨しています。そのため、パフォーマンスへの影響はここで概説したよりも大きくなる可能性があります。Intelの9700Kには、以前の脆弱性の影響を軽減するシリコン内緩和策も搭載されているため、古いプロセッサでは以下で概説したよりも大きなパフォーマンス低下が発生することにご注意ください。AMDのプロセッサはMDS脆弱性の影響を受けませんが、既存のSpectreパッチによるパフォーマンス低下は最小限に抑えられます。
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| インテル | ASRock Z390 Taichi Ultimate – FW: 4.10 (最新マイクロコード)i7 9700K – 8C/8T - 最大4.9GHzブースト周波数Noctua NH-U14SIntel Optane SSD 905P – 1.5TBMSI GT720Kingston HyperX Predator RGB DDR4 - 2x8GB @3000MHz |
| AMD | ASRock Z390 Taichi Ultimate – FW: 3.10 (最新マイクロコード)R7 2700X – 8C/16T - 最大4.3GHzブースト周波数。Noctua NH-U14SIntel Optane SSD 905P – 1.5TBMSI GT720Kingston HyperX Predator RGB DDR4 - 2x8GB @3000MHz |
ソフトウェア構成
私たちは最近、別の記事のために最新の Spectre および Meltdown パッチをすべて適用した新たな一連のテストを実施しましたが、そのわずか数日後に Intel が最新の Microarchitectural Data Sampling (MDS) の脆弱性 (より広義には Zombieload、RIDL、Fallout と呼ばれる) を発表しました。
本日は比較のために2つのデータセットを用意しました。1つ目のテスト構成は、Windows 10 64ビット、OSビルド17763.504です。Intelシステムでは、InSpectreアプリケーションを使用してMeltdownとSpectreのパッチを無効にし、パッチ未適用の「クリーン」なシステムを構築しました。また、両システムで同じWindowsビルドを使用し、Meltdown、Spectre、MDSの緩和策をすべて有効にした状態でテストを行いました。
オリジナルのテストには、Windows OS Build 17763.475 をインストールした Intel システムを使用し、Spectre および Meltdown パッチは有効にしましたが、MDS パッチは適用していません。これにより、最新の緩和策が以前のパッチとどの程度影響するかを確認できます。
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ゲームシーンの読み込み – ファイナルファンタジーXIV
パッチがゲーム中のフレームレート（FPS）に大きな影響を与えないことは承知していますが、ゲームの読み込み時間が遅くなることが懸念されます。ゲームの読み込みは基盤となるストレージシステムの速度に依存しており、SSDがゲームレベルの読み込みを高速化するのはそのためです。しかし、パッチによるストレージパフォーマンスの低下は、ある程度の影響をもたらすはずです。
Final Fantasy XIV StormBloodベンチマークは、ストップウォッチを使用する際の不正確さがなく、ゲームのロード時間を簡単かつ正確に比較できる無料の実際のゲーム ベンチマークであるため、このタスクに最適です。
当社のゲーム負荷テストでは、Meltdown/Spectreパッチを有効にするとIntelのパフォーマンスが6.2%低下し、MDSパッチを追加するとさらに約1%低下しました。これはIntelにとって悪いニュースです。AMDシステムが4%のリードを奪ったからです。
転送速度 – DiskBench
PC上でファイルをあちこち移動するのは非常に一般的な作業です。ファイルの移動や作成を高速に行えるということは、ファイルの圧縮や解凍といった他の種類のワークロードのパフォーマンスについても、ある程度の見当をつけることができます。そこで、DiskBenchストレージベンチマークツールを用いて、当社独自の50GBデータブロックでファイル転送パフォーマンスをテストしました。データセットには、画像、PDF、動画など、様々な種類のファイル31,227個が含まれています。これらのファイルを新しいフォルダにコピーし、新たに書き込んだ6GBファイルの読み取りテストを行いました。
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DiskBench によると、Meltdown/Spectre パッチを有効にすると、Intel のファイルコピー性能が 8.2%、シーケンシャルリード性能が 1.4% 低下することがわかりました。MDS 緩和策を追加すると、コピー性能がさらに 2.5%、リード性能が 0.5% 低下することが示されました。
当社の AMD システムと比較すると、Intel のファイルコピーは依然として約 1.5% 高速ですが、ファイル読み取りテストでは 6.3% 低下しています。
トレーステスト – PCMark 8 ストレージテスト 2.0
PCMark 8は、Microsoft Office、Adobe Creative Suite、 World of Warcraft、Battlefield 3を使用したトレースベースのベンチマークで、実際のシナリオにおけるストレージデバイスのパフォーマンスを測定します。この万能テストは、一般的なPCタスクにおける全体的なパフォーマンスを的確に測定します。
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PCMark 8では、パッチの有効化と無効化によって合計スコアに大きな変化は見られませんでしたが、平均帯域幅は確実に変化しました。ランダムおよびシーケンシャルパフォーマンスの低下により、Intelの平均帯域幅は2%減少しました。AMDシステムはこのテストでIntelよりわずか0.2%低いスコアを記録し、帯域幅も約14%低下しました。Ryzen 2700Xはスレッド数が多く、合成ストレージテスト（後述）での高速パフォーマンスも優れていますが、それでもIntelシステムは高い動作周波数によってAMDシステムを上回るパフォーマンスを発揮しました。
アプリケーションテスト – SYSmark 2018
PCMarkと同様に、SYSmarkは実際のアプリケーションを使用してシステムパフォーマンスを測定します。しかし、SYSmarkはさらに高度な機能を備えています。このソフトウェアは、14種類の異なるアプリケーションを使用し、実際のワークロードと実際のデータセットを用いて、システム全体のパフォーマンスがユーザーエクスペリエンスに及ぼす影響を測定します。BAPCoのSYSmark 2014 SEは、Microsoft Office、Google Chrome、Corel WinZip、複数のAdobeソフトウェアアプリケーション、GIMPなど、テスト用に一連のアプリケーションをインストールします。そのため、新規OSのインストール後に広く使用されているプログラムのインストールにかかる時間を測定するのにも最適なテストです。
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SYSmark 2018では、パッチ適用後、Intelの総合パフォーマンススコアは2.6%低下しました。しかし、さらに顕著なのは、Intelがシステムの応答性（動作の軽快さを測る指標）で約6%も低下していることです。これは、テストの他の側面よりも、ストレージの変更に対する影響が大きいことが直接の原因です。全体的に大きな変化ではありませんが、AMDは総合スコアで1%、応答性で2%のリードを獲得しました。
合成 – CrystalDiskMark
それでは、合成テストを行い、上記の実際のワークロードにおいて、パッチがパフォーマンス低下にどのような影響を与えたのかを見てみましょう。CrystalDiskMark (CDM) は、比較のための豊富な測定値を提供するシンプルなファイルサイズベンチマークツールです。
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キュー深度（QD）32（PCでは滅多に見られない非常に高い負荷）でのシーケンシャルパフォーマンスは、Meltdown/Spectreパッチのオン/オフを切り替えてもパフォーマンスに変化は見られませんでした。しかし、より現実的なQD 1でテストしたところ、Intelのパフォーマンスは14%低下しました。これは、1つのファイルの転送速度が大幅に低下することを意味します。新しいMDSパッチが以前の実装と比較してパフォーマンスに与えた影響を見ると、さらに約1%のパフォーマンス低下が見られます。
残念ながら、4Kランダムアクセスのパフォーマンスが最も影響を受けています。これは、Windowsなどのオペレーティングシステム内で最も一般的なファイルアクセスであるため、残念な兆候です。QDが64と高い場合、読み取りパフォーマンスが18%、書き込みパフォーマンスが12%低下しますが、PCではこれほどの高負荷は一般的ではありません。ほとんどのPCワークロードはQD1～2の範囲に収まり、ワークステーションユーザーはQD8以上に達することもあります。これらの低いQDでテストすると、Meltdown/Spectreパッチを有効にすると、読み取りおよび書き込みパフォーマンスが41%も低下するという驚くべき結果が出ています。新しいMDS修正プログラムを追加すると、さらに2.5%～6%のパフォーマンス低下が見られます。
AMDシステムと比較すると、高QD 32ではシーケンシャルパフォーマンスの差はわずかですが、QD1ではAMDはIntelシステムよりも10.7%～12.4%高速です。4Kランダムパフォーマンスを比較すると、その差はさらに広がります。QD64では、AMDシステムは読み取りパフォーマンスが26%向上し、書き込みパフォーマンスは30%向上しました。高QDワークロードで観察されたように、AMDシステムは軽いワークロード（低QD）でもIntelシステムを上回りました。AMDシステムは、Intelテストミュールよりも33～35%高いパフォーマンスを提供します。ワークロードをQD2～QD8にスケールアップすると、読み取りと書き込みの両方でAMDが15～20%リードしていることがわかります。
結論
Intel、そしてチップ製造業界全体が、最近、多忙を極めています。新たな脆弱性が次々と出現するだけでなく、パッチ適用によってパフォーマンスが大幅に低下することも珍しくありません。AMDはこうした脆弱性にそれほどさらされておらず、その結果、レッドチームはIntelにかなり追いつき、一部の分野ではリードさえ奪っています。
合成テストでは、パフォーマンスへの影響は甚大になり、4Kのランダムメトリックで最大41%の低下が見られます。しかし、実際のアプリケーションにおけるパフォーマンスの低下はそれほど深刻ではありません。当社のアプリケーションテストでは、テスト内容に応じて約1～10%のパフォーマンス低下が測定されました。差は大きくありませんが、データの安全性を確保するために、これらのパッチによるパフォーマンスの低下は避けられません。
ハイパースレッディング対応のIntel CPUをお使いの場合、状況はさらに悪化する可能性があります。MDS脆弱性から完全に保護するには、ハイパースレッディングを無効にするしかありません。そのため、GoogleはChrome OS 74以降でハイパースレッディングを無効化しました。ハイパースレッディング対応プロセッサをお使いの場合、アプリケーションのパフォーマンスが最大40%低下する可能性があります。完全な保護を得るには、ユーザーが既に購入している機能を犠牲にしなければならない場合もあります。最新の脆弱性から100%保護するには、高価な8コア/16スレッドのCore i9-9900Kを8コア/8スレッドのCore i7-9700Kに換装する必要があるのです。
Intelにとってさらに悪い状況は、最新のパッチにより、AMDがストレージ性能でIntelに追いつき、場合によっては追い越したことです。Intelのハイパースレッディングに類似したAMDの同時マルチスレッディング（SMT）も、今回の一連の攻撃の影響を受けません。これにより、アプリケーション性能の差がさらに大きくなり、熾烈な競争が繰り広げられているミッドレンジ価格帯における価値比較が変化する可能性があります。
Intelは現在、次世代CPU向けチップに脆弱性軽減策を組み込んでいるが、今後どれだけの脆弱性が残るのだろうか？そして業界は完全に追いつくことができるのだろうか？新たな軽減策によって、今後数ヶ月でシステムはどれほど遅くなるのだろうか？これらの疑問への答えはまだ不明だが、AMDにとって現状は確かに明るいと言えるだろう。
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Sean は Tom's Hardware US の寄稿編集者で、ストレージ ハードウェアを担当しています。
