DirectStorage のメリット: Phison IO+ SSD ファームウェア プレビュー

Phisonは、ハイエンドPCIe 4.0 E18コントローラを搭載したドライブ向けに、OEMメーカーにI/O+ファームウェアを無償で提供します。特に、Micronの高速176層TLCフラッシュ（B47R）を搭載したモデルに重点を置きます。メーカーはファームウェアの提供方法を​​選択できますが、このファームウェアは次世代ゲーミングパフォーマンスを実現するDirectStorageの高品質基準を満たすように設計されています。E26コントローラ搭載モデルなど、今後発売されるPhison SSDには、このファームウェアのバージョンがデフォルトで搭載される予定です。

まず、このファームウェアがどのように機能して DirectStorage クラスのパフォーマンスを実現するかを確認し、次にベンチマーク スイートでテストします。 

基本的な考え方は、StorNVMeドライバとストレージデバイスへの最適化されたパスであるBypassIOを介して非効率性を排除することで、ストレージスタックのオーバーヘッドを削減することです。BypassIOは、データアクセスに必要なステップ数を大幅に削減します。例えば、BypassIOはパスを11ステップから3ステップに削減し、CPUオーバーヘッドとレイテンシを削減します。NVMe SSDは、ストリーミングアセットやデータのキャッシュとして使用できるようになり、GPUのVRAM負荷を軽減します。これは、将来的にGPUアクセラレーションによる解凍によってさらに改善される予定です。

これらすべてが、現在のコンシューマー向けSSDにとって課題となります。なぜなら、これらのSSDは持続的なワークロードではなく、突発的なワークロード向けに設計されているからです。Phisonのカスタマイズされたテストでは、数時間にわたる膨大な量のデータ読み取りアクティビティに耐えられる、より大容量のドライブが求められています。低品質の場合、2.5GBpsは最低限の速度ですが、5GBps以上が望ましいとされています。例えば、Forspokenの最初の公開デモは中程度の詳細度で実行され、SSDから安定した4GBpsのストリームが必要でした。 

従来、「実世界」の消費者向けパフォーマンス指標は、1から4までの低いキュー深度における4KBアクセスに焦点を当ててきましたが、DirectStorageは非常に高いキュー深度での大規模なランダム読み取りアクセスを使用します。そのため、ここでは32KB以上のブロックサイズと512以上のキュー深度を扱います。これは、DirectStorageの潜在的なワークロードの典型です。実際、最大1MBのI/Oサイズを想定しており、一貫性を保つための典型的なターゲットは64KBです。

この種のワークロードは、「ブロック読み取り障害」と呼ばれるプロセスによってドライブの耐久性にも悪影響を及ぼします。このプロセスは、頻繁に読み取られるブロックを摩耗させ、耐久性を低下させます。DirectStorage SSDでは、この状態の管理が非常に重要です。ゲームデータの各ブロックは、ドライブの60～100GBの範囲で、  1時間あたり最大20,000ページの読み取りが発生することがあります。

ブロック読み取り障害は、標準的なドライブでは無視できるレベルです。しかし、新しいファームウェアでは、DirectStorageのワークロードの高負荷性に対応するため、ホストI/O要求を優先しながらフラッシュメモリのメンテナンスを行う必要があります。フラッシュメモリへの読み取り負荷が大きくなると、時間の経過とともにビットエラーが発生し、一時的にパフォーマンスに影響を与える可能性がありますが、ドライブへのアクセスは依然として高い需要があります。Phisonは、バックグラウンドでシームレスに動作するアダプティブ・ウェア・アルゴリズムを用いたスマートなメンテナンス・スケジューリングを開発しました。これにより、摩耗の増加を最小限に抑えながら、パフォーマンスを安定的に維持できます。

NVMe SSDのネイティブな並列処理能力と処理能力を最大限に活用できることは、ゲーム開発者が追いつくまでには多少時間がかかるとしても、確かに大きなメリットです。この技術はアプリケーション開発にも役立ち、特にコンテンツ制作とデザインに活用できます。コンテンツ制作ではビデオ編集とレンダリング、コンテンツ制作ではディープラーニングやバイオインフォマティクスなどが挙げられます。CAD/CAM（コンピュータ支援設計・製造）も、早期の改善が見込まれる分野です。Phison社によると、ソースコードのコンパイル速度も大幅に向上しています。 

本日は、Phisonが推奨するDirectStorageの合成テストをいくつか使用し、将来のワークロード条件下でドライブがどのようなパフォーマンスを維持できるかを確認します。また、このファームウェアを当社の標準的なテストスイートに通し、日常的なアプリケーションにどのような影響を与えるかを確認します。Phisonは、通常のパフォーマンス、または若干のパフォーマンス向上を期待しています。今後、新しいAPIのテストを目的とした市販製品、ベンチマーク、そして実環境アプリケーションを提供する予定です。同様の技術は現世代のゲーム機にも使用されているため、そこでの影響についても調査する必要があるかもしれません。今のところは、ほんの一端をお伝えするだけです。

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Phison社は、このファームウェアを搭載したドライブにはヒートシンクの使用を推奨しています。これは、関連するワークロードが長時間かつ高負荷になるためです。具体的には、このファームウェアは大きなブロックサイズでの持続的なランダム読み取り向けに設計されていますが、Phison社はパフォーマンスが最適化されていない領域でパフォーマンス低下が発生しないように配慮しています。また、Micron社の176層TLCには未開拓のポテンシャルがあるため、このファームウェアによってこの特定のフラッシュメモリからの書き込みパフォーマンスが向上する可能性もあります。

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サンプルドライブの外観は、特に変わったところはありません。Micronの176層フラッシュを搭載したPhison E18コントローラ向けに出荷された、オリジナルの2TBプレビュードライブと似ています。コントローラの中央にDRAM、合計8つのNANDパッケージ、そして背面にもう1つのDRAMパッケージが配置されています。

プレビュードライブにはヒートシンクが付属していましたが、このドライブには付属していませんでした。見た目はそれで納得できるのですが、これらのワークロードには冷却が必要です。幸いにも、Phison社からプレビュードライブに使用されていたものと同じヒートシンクも同梱されていたので、非常に助かりました。

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こちらは昨年半ばに製造されたPhison E18コントローラです。メーカーが既存のドライブ向けにこのファームウェアを提供することは確かに可能です。しかし、特にSSDにかかるワークロードの厳しさを考えると、そうしないのには正当な理由があるかもしれません。

SK hynix製の1GB DDR4モジュール2基が、このドライブの安定した動作を支えています。今後テストしたい点の一つは、DRAMがDirectStorageワークロードに与える影響です。通常、DRAMキャッシュは読み取りよりも書き込みに有効で、特に「最もホット」なデータが優先されるため、その効果は顕著です。また、I/Oが大きいほど、アドレス指定に必要なメモリ量も少なくなります。

ローカル コントローラ SRAM と、ホスト メモリ バッファ (HMB) 機能経由の 64MB の外部システム メモリで十分であると思われますが、最適な操作のために必要なメンテナンス シャッフルには、特に大容量ドライブの場合、DRAM が役立つと思われます。

このドライブには、Micron製の176層TLCフラッシュが搭載されています。I/O+ファームウェアはこのフラッシュで動作するように設計されていますが、古いNANDでも動作するように拡張できます。MicronのB47Rは、複数のコントローラを搭載した様々なドライブで非常に良好なパフォーマンスを発揮しました。非常に高速なので、ここでは堅牢なテストベッドとして最適です。

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Shane Downing は、Tom's Hardware US のフリーランス レビュアーで、消費者向けストレージ ハードウェアを担当しています。