2019年現在、PCをソリッドステートドライブ（SSD）以外で起動する理由はありません。パフォーマンスを重視するなら、高速なNVMeインターフェースと可能な限り高性能なメモリを搭載したドライブが必須です。ほとんどのSSDは依然として何らかのNANDフラッシュを使用していますが、IntelとSamsungはそれぞれOptane（別名3D Xpoint）とZ-NANDという高速な代替技術を開発しています。
では、どちらが優れているのでしょうか？その答えを見つけるために、Intel Optane 905P（960GB）とSamsung 983 ZET（960GB）の数値を用いて、OptaneとZ-NANDを7ラウンドで対決させました。まずは、これらのメモリがどのように機能するかを見てみましょう。
インテル Optane (3D XPoint)
IntelのOptaneは、Team BlueがMicronと共同開発した3D XPointテクノロジーをベースとした初のソリッドステートメモリです（Micronは今年後半に独自の3D XPointベースデバイスを発売する予定です）。Optaneでは、微細な層状の材料を柱状に切断し、各柱にメモリセルとセレクターを配置します。次に、柱の上部と下部にワイヤを垂直に接続することで、クロスポイント構造を形成します。
従来のNANDメモリとは異なり、このメモリは電荷トラップやフローティングゲートアレイに電子を蓄積して情報ビットを保持するのではなく、セル材料の抵抗レベルに基づいて1または0を指定します。メモリセルは、上部と下部のワイヤをそれぞれ1つずつ選択することで個別にアドレス指定できます。そして、各セレクタに送られる電圧を変化させることで、メモリセルの読み出しまたは書き込みを行います。これによりバルク特性が変化し、材料がセルを高抵抗状態または低抵抗状態に変化させます。これが、このメモリの高速化の大きな要因となっています。
3D XPointは個別にアドレス指定できるため、ガベージコレクション（読み取り・変更・書き込みプロセス）が不要です。ガベージコレクションは、データが削除された占有セルの回復に役立ちます。ガベージコレクションはデバイスのコンピューティングリソースを消費するため、この処理が不要なため、書き込み負荷の高いワークロードにおいてOptaneはNANDよりも高速です。この材料特性に加え、この特性によりOptaneは寿命全体を通して書き込み回数が大幅に増加し、レイテンシプロファイルも大幅に低減します。
サムスンZ-NAND
SamsungのZ-NAND（別名Low Latency V-NAND）は、Optaneに対するSamsungの回答です。Z-NANDは通常のフラッシュメモリとある程度同じ欠点を抱えていますが、その設計により、通常のNANDよりも3D XPointに近いパフォーマンスを実現しています。
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Z-NANDは改良されたV-NAND設計に基づいており、現在48層構造でシングルレベルセル（SLC）モードで動作するため、各セルの電荷レベルは1または0のみとなります。MLC、TLC、QLC NANDはいずれも電圧状態が多く、パフォーマンスと耐久性が低下します。そのため、データ読み取りエラーを防ぐために、より強力で複雑なECCアルゴリズムが必要となり、速度も低下します。
Z-NANDのページサイズは2～4KBと非常に小さいのに対し、通常のNANDのページサイズは8～16KBです。これにより並列処理能力が向上し、ドライブはより小さなデータチャンクをより高速に読み書きできます。また、レイテンシの低減にも役立ちます。
レイテンシーパフォーマンス
誰にでも経験があるでしょう。アプリケーションやファイルをクリックし、回転する円形のロゴが表示され、しばらくしてようやく開く。従来のNANDを搭載したSSDは、従来のHDDに比べてレイテンシが大幅に低いため、リクエストをほぼ瞬時に処理できますが、Z-NANDと3D XPointドライブはさらに優れています。
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QDが1の場合、983 ZETの4KBランダムリード/ライト要求のレイテンシは約0.023～0.024ミリ秒で、これは通常のSSDの約4分の1です。一方、3D XPointベースのIntel Optane SSD 905Pは、レイテンシが0.017ミリ秒と、はるかに優れています。
さらに、読み取りと書き込みの両方で低レイテンシを維持できます。983 ZETが905Pを上回ったのは、QD32以上の4Kランダム読み取り時と、シーケンシャル読み取りまたは書き込みワークロード時のみでした。
勝者： Intel Optane。エンタープライズワークロードのほとんどはQD 1～16の範囲で、多くの場合は混在しているため、このラウンドではIntelに決定しました。Optaneは、これまでにテストした中で最も低レイテンシのストレージメディアです。
ランダムパフォーマンス
Intel 905Pはガベージコレクションを実行する必要がないため、高速で安定したIOPSを実現し、ランダムパフォーマンスにおいてOptaneの強みとなっています。純粋な読み取り、書き込み、あるいはその両方の組み合わせにおいて、Optaneは重要なキュー深度において、これまでで最も高速なパフォーマンスをノンストップで提供します。
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Intel Optane SSD 905Pは、QD1では読み取り/書き込みでそれぞれ58k/53k IOPS、QD4ではその約4倍の性能を発揮しました。QD128では、読み取り/書き込みで最大約580K IOPSに達しました。さらに、読み取り/書き込み比率が70%/30%の場合でも、平均526K IOPSを達成しました。
ランダム性能は3D XPointの得意分野ですが、Z-NANDを搭載した983 ZETも決して劣っていません。QDが32以上の高QDではZ-NANDが優位に立ちます。QDが128の場合、Z-NANDは80万IOPS近く、Optane 905Pは58万IOPSです。
QD1-4では、Samsungドライブのパフォーマンスは905Pに近いですが、書き込み処理を繰り返すと3D XPointに遅れを取り、最大75K IOPSに制限されます。SZ985は最大170K IOPSの書き込み性能を発揮しますが、それでもIntel 905Pの580K IOPSという書き込み性能には遠く及びません。
勝者： Intel Optane。安定したランダムパフォーマンスに関しては、Intelのメモリは他社の追随を許しません。
シーケンシャルパフォーマンス
シーケンシャルパフォーマンスが最も重要になるのは、数GB規模のファイルにアクセスしたり移動したりする場合です。ほとんどのゲームでも、ファイルの読み込みはシーケンシャルです。この点において、Z-NANDベースのドライブはOptaneベースの競合製品よりも優位性があります。
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Intel Optane SSDの性能制限がコントローラによるものかメモリ自体によるものかは定かではありませんが、ほとんどの製品はシーケンシャルスループットが約2.5～2.7GB/秒に制限されています。983 ZETは、Samsungのコンシューマー向けPhoenix SSDコントローラを搭載しており、最大3.4GB/秒のシーケンシャル速度を実現します。QDが1の場合でも、SamsungのZ-NANDベースSSDはIntel 905Pをリード/ライトで2～2.1GB/秒で上回ります。
勝者： Samsung Z-NAND。優れたシーケンシャルリード/ライト性能を備えたSamsungのZ-NANDが、このラウンドの勝者となりました。
ゲームの読み込みパフォーマンス
PCゲームで最もイライラする瞬間の一つは、レベルの読み込みを待つ間、親指を叩きながら待つことです。ゲームに最適なストレージ技術を見つけるために、私たちは「ファイナルファンタジーXIV 紅蓮のリベレーター」テストを使用しました。これは、ストップウォッチを必要とせず、ゲームの読み込み時間を簡単かつ正確に比較できる無料の実ゲームベンチマークです。
SamsungのPhoenixコントローラーは、コンシューマー向け製品において、ランダムリードIOPSが約80万IOPS、シーケンシャルスループットが最大3.5GB/秒という性能を誇り、非常に高性能です。その統計データを見れば、ゲームロード性能の高さも期待できるのは当然と言えるでしょう。
しかし、983 ZETが実際にIntelの905Pに勝てるとは思っていませんでした。Z-NANDは、905Pではシーケンシャル性能がやや制限されているものの、高速なシーケンシャル性能により、Intelの3D XPointをわずかに上回っていることがわかります。
勝者： Samsung Z-NAND。QD1でのシーケンシャルリード性能が優れていた983 ZETは、ゲームシーンの読み込みにおいてIntel Optane SSD 905Pを上回るパフォーマンスを発揮しました。
生産性/アプリケーションパフォーマンス
生産性の比較には、2つの非常に有名なソフトウェアスイートを使用しました。1つ目は、PCMark 8のトレースベースのStorage Test 2.0です。このテストでは、Microsoft Office、Adobe Creative Suite、World of Warcraft、Battlefield 3を使用し、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。もう1つは、PCMark 8に似たアプリケーションベースのテストであるSYSmark 2014 SEです。SYSmark 2014 SEは、PCMark 8よりも多くのアプリケーションを使用し、複数の操作を同時に実行することで、より現実的なパフォーマンスを描き出します。
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PCMark 8では、983 ZETと905Pはどちらも驚異的な高スコアを記録しました。983 ZETは5,140ポイント、平均帯域幅は1423MB/秒を記録しました。しかし、Intelの905Pは5,144ポイント、平均帯域幅は1609MB/秒で、983 ZETを上回りました。
SYSmark 2014 SEでも同様の結果が得られました。983 ZETはこれまでテストしたどのNANDベースドライブよりも高いスコアを記録しましたが、Intelの905Pはそれでもわずかながら3ポイント上回りました。
勝者： Intel Optane。シーケンシャルパフォーマンスは劣るものの、Intelのメモリは超低レイテンシと低キューでの高ランダムIOPSを実現し、作業効率を最速に高めるストレージメディアとして最適です。
持久力
SSDテクノロジーの唯一の欠点は、すべてのドライブが最終的に摩耗するまでに書き込み回数が限られていることです。1日に10～20GB程度の書き込みを行うほとんどの消費者にとって、最も安価なNANDベースのSSDでさえ摩耗するには何年もかかります。しかし、サーバーやワークステーションでSSDを使用する大企業には、より厳しい耐久性要件があります。
朗報なのは、OptaneベースとZ-NANDベースの両製品が驚異的な耐久性を誇っていることです。Samsung 983 ZETとIntel Optane SSD 905Pは、約17.5ペタバイト（PBW）の書き込み耐久性という同じ数値を達成しています。これは、消費者による書き込み回数で約2世紀（20GB/日×365日/年×2000年=14.6PB）に相当します。つまり、どちらもほぼあらゆるワークロードを必要な期間、必要なだけ処理できるということです。
エンタープライズグレードのIntel Optane DC P4800Xに目を向けると、750GB容量で41PBWの耐久性を備えていることがわかります。また、ZETの上位機種であるSamsung ZS985も、800GB容量で最大43.8PBWと、ほぼ同等の書き込み容量を処理できます。
しかし、3DXPoint および Z-NAND ベースの製品の容量が小さい 375GB および 480GB の場合、Intel の DC P4800X は 983 ZET のほぼ 3 倍の書き込み回数に耐えることができ、480GB の 905P も 1PB 強多い書き込みデータに耐えることができることがわかります。
引き分け:両方のストレージ メディアは非常に高い耐久性を示し、最終製品と容量に応じて打撃を交代します。
電力効率
コンピューターのハードウェア、特にストレージにおいては、消費電力は重要な要素です。CPUやGPUと同じくらいの電力をストレージデバイスが消費するのは望ましくありませんよね？
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幸いなことに、まだそうではありませんが、ここ数年、消費電力の大きいSSDデバイスが数多く登場しています。960GBのIntel Optane 905Pは15W以上を消費します。一方、960GBのSamsung 983 ZETは、平均7.5～8Wと、その約半分の消費電力です。
Z-NANDデバイスは消費電力が少ないとはいえ、Optaneの圧倒的なパフォーマンスが効率性に大きく貢献しています。ランダム書き込みワークロードを扱う場合、905PはZ-NANDの2～4倍の効率性を実現できます。しかし、その他の指標ではZ-NANDが勝っています。
純粋なシーケンシャルワークロードでは、983 ZETは1ワットあたり350～430MB/秒以上のパフォーマンスを発揮し、ランダムリードワークロードでは1ワットあたり10万IOPS以上のパフォーマンスを発揮します。IntelのOptane SSD 905Pの性能は、その半分です。2つの製品を比較したシンプルな50GBファイルコピーテストでも、983 ZETが勝利を収めました。
勝者： Samsung Z-NAND。IntelのOptaneは、純粋および混合書き込みワークロードでより優れたランダム効率を提供しますが、全体的にはSamsungのZ-NANDの方が、特にシーケンシャルおよびランダム読み取りワークロードでより優れた効率を提供します。
結論
スワイプして水平にスクロールします
| オプタン | Z-NAND | |
| 持久力 | ✗ | ✗ |
| 電力効率 | 行2 - セル1 | ✗ |
| レイテンシーパフォーマンス | ✗ | 行3 - セル2 |
| ランダムパフォーマンス | ✗ | 行4 - セル2 |
| シーケンシャルパフォーマンス | 行5 - セル1 | ✗ |
| 生産性/アプリケーションパフォーマンス | ✗ | 6行目 - セル2 |
| ゲームの読み込みパフォーマンス | 7行目 - セル1 | ✗ |
| 合計 | 4 | 4 |
それぞれに長所と短所があるとはいえ、今日の試合の後では必ずしも勝者が決まっているわけではありません。
IntelのOptaneは、画期的なメモリテクノロジーです。優れた耐久性、超低レイテンシ、そしてNANDフラッシュの欠点を克服しています。しかし、その人気ゆえに価格は高めです。しかし、IntelのOptane搭載製品に採用されているコントローラーには、改善の余地があります。
まず、Team Blueは次世代Optane SSD製品のシーケンシャル速度を向上させ、ランダムリード性能をさらに向上させる必要があります。コンシューマー向け製品でありながら、リード/ライト比率が70%/30%の環境下でも50万IOPS以上を実現しているのは驚異的ですが、NANDベースのソリューションは高負荷時にさらに高いスケール性能を発揮します。
それだけでなく、Optane ではアイドル時の消費電力と全体的な消費電力が同じ容量ポイントの NAND ベースの製品よりもはるかに高くなりますが、効率性を考慮すると驚異的なパフォーマンスがそれをいくらか補います。
SamsungのSLC NANDフラッシュの最適化も非常に印象的です。QD読み取り性能はOptaneと同等で、シーケンシャルスループットも高いため、多くのワークロードでOptaneに匹敵します。また、電力効率も非常に優れています。価格は3D XPointほど高くはありませんが、それでも高価であり、3D XPointにはないパフォーマンス面での妥協点もいくつかあります。
3D XPointに代わる独自の技術を開発しているベンダーが登場しつつある今、今後何が起こるかは誰にも分かりません。次回はWDのReRAMと対決するかもしれません。
インテル Optane SSD 905P (1TB)
サムスン 983 ZET SSD (960GB)
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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。
