Silicon Motion SM2263XT HMB SSD プレビュー

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市場ポジションと仕様

Silicon Motion, Inc. (SMI) のSM2263コントローラは、2018年のCESトレードショーで大きな存在感を示しました。ショーの後すぐに市販製品が発表される予定ですが、新しいコントローラの性能を確かめるのに待つ必要はありません。本日は、2018年の低価格SSDの常識を覆すDRAMレスドライブ、SM2263XTをご紹介します。

DRAMレスSSDには否定的なイメージがありますが、ここで言っているのは2000年代半ばに市場に登場した第一世代のコンシューマー向けSSDのことではありません。当時のDRAMレスSSDは十分に問題でしたが、業界はわずか数か月でその誤りを修正しました。

DRAMレスSSDは2015年に復活の兆しを見せました。当初はノートパソコンに搭載されていたHDDの低価格な代替品として設計されましたが、後に小売アップグレード市場にも浸透しました。NAND不足の際には、複数の企業がDRAMレスSSDで価格高騰に対抗しようとしましたが、ほとんどの消費者は古いSSDを新しいSSDに流用するか、より高品質な製品に多少の出費を惜しまない傾向にありました。

長年にわたる失敗の歴史からインスピレーションを得られないまま、どこかで誰かがこのカテゴリーを潰そうとしません。幸いなことに、DRAMレス設計の次期バージョンでは、新しいホストメモリバッファ（HMB）テクノロジーが採用されており、DRAMレスSSDがついに成功するはずです。驚くべきことに、DRAMレスSSDのパフォーマンスを主流モデルに近づける魔法の要素は…DRAMです。

コンシューマー向けDRAMレスSSD 3.0: ホストメモリバッファ

本日は、ラボに初めて導入されたホストメモリバッファ（HMB）ドライブをテストします。HMBテクノロジーの詳細に入る前に、キャッシュとは何か、そしてSSDとどのように関係するのかを定義する必要があります。キャッシュというと、多くの人が高速メモリを経由して低速な宛先へデータが送られる様子を思い浮かべます。しかし、ほとんどのSSDでは、ユーザーデータは実際にはDRAMキャッシュを通過しません。DRAMには、NANDに保存されているデータのアドレスを抽象化したマップである変換（マッピング）テーブルが保持されています。

SSDはハードディスクドライブのようにデータを保存しませんが、オペレーティングシステムはそれを前提としています。フラッシュベースのデバイスは、NANDメモリ全体の摩耗を均等に分散させる必要があるため、オペレーティングシステムが要求する場所にデータを配置しません。基本的に、SSDはLBAアドレスの2つのマップを持っています。1つはホストがデータを配置すると「想定している」論理マップ、もう1つはSSDが実際にデータを配置する物理マップです。オペレーティングシステムが読み取りまたは書き込み要求を発行すると、SSDは変換テーブルを使用して保存されたデータを検索します。

フラッシュはディスクよりも高速ですが、どちらもDRAMよりも低速です。残念ながら、DRAMは電源を切るとすぐに保存されているデータをすべて失ってしまいます。SSDにデータの保存場所を知らせる変換テーブルが失われると、壊滅的な被害を受ける可能性があります。しかし、アクセスを高速化し、ひいてはSSDのパフォーマンスを向上させるためには、変換テーブルをDRAMに保存することが重要です。

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最新のSSDはNANDにテーブルの永続的なコピーを保持していますが、フラッシュメモリは非常に小さなデータビットの書き込みに苦労するため、そのコピーは必ずしも最新のレコードではないことがよくあります。更新のたびに、SSDはNANDのデータを読み取り、小さな変更を加えてから、ページ全体をNANDに書き戻す必要があります。このプロセスは遅く、耐久性を低下させます。SSDは代わりに、マップデータの最新のレコードをDRAMに保存し、フラッシュメモリ上のコピーを定期的に更新します。

変換テーブルはかなり大きく、SSDの容量に応じて拡張されます。1TBのSSDには通常1GBのDRAMキャッシュが搭載されています。ほとんどのコンシューマーワークロードでは、「ホット」データのごく一部だけが頻繁に変更されます。DRAMレスSSDは、テーブルのホット部分をコントローラー内の非常に小さなSRAMキャッシュにキャッシュしますが、アドレスがSRAMですぐに利用できない場合、SSDはNAND内のマップにアクセスする必要があります。テストの結果、この小さなSRAMキャッシュは、ハイエンドユーザー向けのワークロードには不十分であることがわかりました。その結果、ハードディスクドライブよりもパフォーマンスが低下することがよくあります。

HMBテクノロジーは、システムメモリ（RAM）を使用して変換テーブルをキャッシュします。ある企業は24MB、別の企業は最大128MBを使用していると聞いています。将来的には、割り当てられた容量をより詳しく調べる必要があるかもしれませんが、これは個々の製品レビューで検証する予定です。現在、HMBが有効になっているかどうかを確認するツールすら存在しません。MicrosoftはFall Creator's UpdateでHMBを自動的に有効化しますが、それ以前のバージョンのWindowsでは利用できません。

Windowsは、SSDのSRAMバッファよりもはるかに多くのシステムメモリ容量を変換テーブルに割り当てますが、SSDコントローラに直接接続される専用のDRAMモジュールほどではありません。これを補うために、HMB SSDはホットデータアドレスを検出するアルゴリズムを使用し、最も頻繁に更新されるテーブルデータのみをシステムメモリに保存します。

新しいハードウェアとオペレーティングシステムでは、PCIeデバイスがシステムメモリに直接向かうデータにフラグを付けることができます。システムメモリとPCIeバスはCPUの反対側にありますが、フラグ付けされたデータは寄生負荷を加えることなくプロセッサを通過します。パスが長くなるにもかかわらず、システムメモリはデバイス上のDRAMの代替として十分な役割を果たしているようです。

仕様

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コントローラ	SM2263	SM2263XT
ホストインターフェース	PCIe 3.0 x4	PCIe 3.0 x4
PCIeプロトコル	NVMe 1.3	NVMe 1.3
パッケージ	288ボールTFBGA（12mm x 12mm）	288ボールTFBGA（12mm x 12mm）
NANDフラッシュチャネル	4	4
CE/チャネル	4	4
NANDサポート	ONFi 3.0 / 4.0Toggle 2.0 / 3.0NV-DDR3 から 667MT/s	ONFi 3.0 / 4.0Toggle 2.0 / 3.0NV-DDR3 から 667MT/s
DRAMインターフェース	DDR3、DDR3L、LPDDR3、DDR4	DRAMレス
シーケンシャルリード	2,400 MB/秒	2,400 MB/秒
シーケンシャルライト	1,700 MB/秒	1,700 MB/秒
ランダム読み取り	30万IOPS	280,000 IOPS (HMB)140,000 IOPS (HMBなし)
ランダム書き込み	250,000 IOPS	250,000 IOPS
安全	AESTCG Opalプロトコルを使用したリアルタイムFDEハードウェアSHA 256およびTRNG	AESTCG Opalプロトコルを使用したリアルタイムFDEハードウェアSHA 256およびTRNG

SM2263の両モデルとも、優れたパフォーマンスを誇ります。本日はHMB搭載のDRAMレスモデルSM2263XTに焦点を当てますが、ランダムリード性能を除けば、上位モデルも多くのスペックを備えています。DRAM搭載のSM2263は最大300,0000 IOPSのランダムリード性能を発揮しますが、DRAMレスのSM2263XTはHMB搭載時でも280,000 IOPSにとどまります。HMB非搭載時は、ランダムリード性能は140,000 IOPSに低下します。

その他のパフォーマンス仕様はほぼ同等です。シーケンシャルリード/ライト性能は、どちらのコントローラーでも2,400/1,700MB/秒に達します。ランダムライト性能は250,000IOPSと驚異的です。SM2263が発売されれば、ランダムライト性能がさらに向上することを期待しています。現時点では、SM2263XTのみが入手可能です。

特徴

2つの新しいコントローラの中核を成すのは、モジュール式のデュアルコアARM Cortexプロセッサです。SSDはPCI Express 3.0 x4接続を介して通信します。また、コントローラは4つのNANDチャネルそれぞれに4つのCE（チップイネーブル）を備えています。内部SRAMバッファはエラー訂正機能を備え、コントローラはエンドツーエンドのデータパス保護機能を備えています。

この設計は、TCG OpalとIEEE-1667（MicrosoftのeDrive）を使用した256ビットAESによるフルディスク暗号化をサポートしています。パフォーマンスの低下を気にすることなく暗号化を有効にできます。NANDXtend ECCテクノロジーは、SMI独自の低密度パリティチェックコードであり、フラッシュメモリ上のデータの安全性を確保します。