3D XPoint: ストレージクラスメモリの未来へのガイド

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3D XPoint は停滞しているのか?

2015年7月、IntelとMicronが歴史的な3D XPointの共同発表を行った際、業界は大きな期待を寄せました。しかし、その間、両社が3D XPointが具体的にどのようなものかを明らかにしていないことが主な要因となり、憶測が飛び交いました（IMFTの共同CEOは公開フォーラムでその概要を示しましたが）。また、両社は最近、当初の大胆な性能と納期に関する主張の多くを撤回しました。

また、ブリーフィングや最近のカンファレンス マラソンでは、パフォーマンス (Optane と QuantX のパフォーマンスを比較することもできます)、3D XPoint の内部動作、ソフトウェア エコシステムなど、さらに多くの情報が得られました。そこで、より広い視点でこのトピックを再検討することにしました。

当初の主張

インテルとマイクロンは、10年以上にわたりスカンクワークス級のプロジェクトとして3D XPointを開発し、1966年以来世界初の新メモリを生み出しました。3D XPointは永続性（電源を切ってもデータを保持する）を備えているため、メモリとストレージの両方の役割を果たし、両者のギャップを埋めるように設計されています。そのため、25年前のNAND導入以来、初めて製品化されたストレージメディアとなる可能性も秘めています。ある意味で、3D XPointはコンピュータ業界がいかに停滞しているかを浮き彫りにしています。

2006年に発足し、NANDの共同生産も手掛けるIMFT（Intel/Micron Flash Technologies）の合弁会社は、3D XPointの発売当初、かなり大胆な性能を謳っていました。両社は「NANDの1000倍の速度と1000倍の耐久性、DRAMの10倍の密度」という謳い文句を執拗に繰り返していました。しかし、あらゆるマーケティング戦略と同様に、これらの予測は鵜呑みにしてはいけません。3D XPointをどの世代のNANDと比較しているのかが不明瞭なため、真の性能優位性を見極めることが困難だからです。

インテルは、精神的にめまいを起こさせるほどのマーケティング宣伝を盛り込んだ、曖昧なデモを巡回するロードショーに着手しました。ヒット作の中には、3D XPointをバックアップデバイスとして使用するというデモ（高価格のため、あり得ない使用例です）や、Thunderbolt 3インターフェースの背後に配置することで真のパフォーマンスを隠蔽するデモなどがありました。3D XPointはまだ開発が進んでおらず、もっと印象的なデモを見せられるほどではないのではないかと、多くの人が推測しました。

IntelはComputex 2016でBlenderレンダリングベンチマークを発表し、その成果に応えました。しかし、その目覚ましいパフォーマンス向上には技術的な詳細がほとんど示されていませんでした。懐疑的な人々は、Intelがパフォーマンス向上の恩恵を受けられる実用例を見つけるのに苦労しているのではないかと推測しました。既存のインターフェースによる制約もあって、確かにその通りかもしれませんが、今回のデモが分かりにくいのは、戦略的な駆け引きによるところが大きいでしょう。Intelは競合他社に手の内を見せたくないだけかもしれません。それでも、IDF 2016ではBlenderベンチマークをはじめとする多くの情報が公開され、実際のメリットを浮き彫りにしています。これらの情報については、パフォーマンスのセクションで詳しく説明します。

立ち直る

どうやら、マーケティングの腕前を誇示したことが IMFT に打撃を与えたようだ。残念なことに、両社は最近になってパフォーマンスに関する主張を撤回し始めた。

両社は基盤となる3D XPoint素材を共有していますが、設計はそれぞれ異なり、最終製品は異なる名称で販売されます。Intelの製品はOptaneブランドで、MicronはQuantX（量子飛躍）製品を展開しています。Intelは、ランダム書き込み性能がわずか4倍、耐久性がわずか3倍という改訂仕様を発表し、現実への長い道のりを歩み始めました。これは当初の予測を大きく下回る数値です。 

Micronはまた、QuantXの主張である10倍のIOPS（NAND比）によって1000Xの批判を鎮めました。この主張には、この優位性は低いキュー深度（QD）でのみ発揮されるという明確な条件が含まれています。軽量QDワークロードにおけるパフォーマンスは、これまでで最も重要な指標ですが、IMFTが既存のインフラストラクチャの制限に適合する必要のある製品に3D XPointを組み込むにつれて、その魅力が薄れてきたことは明らかです。10倍以上の応答時間の改善は重要な改善点として際立っており、これは新しいデバイスによって実現される劇的に低いレイテンシを示唆しています。

予想通り、メディアは両社の性能と耐久性予測に大きな差があったことを痛烈に批判しました。IMFTはこれに対し、当初の予測は最終製品の速度ではなく、生のメディアの速度に基づいていたと反論しました。このシステムはストレージ関連のあらゆるものに莫大なオーバーヘッドがかかるため、これは技術的には理にかなっています。この点については次ページで詳しく説明します。仕様の改訂によって多くの熱狂が冷めてしまいましたが、3D XPointは最高性能の数値だけにとどまらず、多くの具体的なメリットをもたらします。この点についても詳しく見ていきます。

IMFTは、比較的期待外れのパフォーマンス仕様について、事実に基づき理路整然と説明しましたが、耐久性仕様は全く別の問題です。パフォーマンスはシステムオーバーヘッドによって低下しますが、各社はECCチューニング以外に、耐久性仕様がなぜこれほどまでに劇的に低下したのかをまだ説明していません。この乖離は、ECCの問題だけにとどまらないようです。

3D XPointのレシピの鍵となる要素は永続性です。この技術が最終的に揮発性DRAMに取って代わったり、補完したりすれば、スタックのあらゆるレベルでコンピューティングを変革する可能性を秘めています。しかし、NANDと同様に、3D XPointはデータを永久に保持するわけではなく、IMFTは電源なしでどれくらいのデータを保持できるかを明らかにしていません。データ保持期間は、あらゆる永続メディアの耐久性を示す重要な指標です。例えば、高負荷のデータセンターワークロード向けに設計された高耐久性SSDの保持期間はわずか3か月ですが、低耐久性のクライアントSSDでは1年間データを保持できます。

3D XPointの耐久性は、対象とするユースケースを決定する上で重要な要素です。Micron社によると、QuantXはストレージアプリケーション向けに25 DWPD（Drive Writes Per Day：1日あたりのドライブ書き込み回数）を実現しており、これは既存のミッドレンジエンタープライズSSDの大半の3倍に相当しますが、同等の耐久性を提供する高耐久性NANDベースSSDも存在します。また、保持期間が3ヶ月と規定されている場合、クライアント向け製品では耐久性の閾値がさらに低くなる可能性があります。

しかし、ベンダーはメモリ用途にも3D XPointをDIMMに採用しており、ストレージと比較して飛躍的な耐久性が求められます。耐久性仕様が大幅に低下したことは深刻な懸念材料ですが、この点については後ほど詳しく説明します。

タイムライン

3D XPointに関する当初の共同発表では、量産開始は「12～18ヶ月」、サンプル出荷は2015年とされていました。つまり、今回の取り組みはその予定より約1年遅れていることになります。IntelとFacebookが緊密に協力していることは周知の事実ですが、Optaneのサンプルを保有していることが公に認められているのはFacebookだけです。Micronはその後、QuantXのリリースを2017年第2四半期まで延期しました。IntelはOptaneのサンプルを今年中に出荷することを引き続き約束しています。

IDF 2016において、インテルはサービスプロバイダーにクラウドベースのアクセスを提供すると発表しました。これは、今年はサンプルの広範な提供が期待できないことを示唆しています。3D XPointへのクラウドベースのアクセスは、競合他社による技術検証を阻止するため、インテルがサンプル数を厳しく管理していることを示唆していると考えられます。インテルのCEOはその後、今四半期にサンプルの適格性を確認し、数千個のサンプルを出荷する予定であり、2016年の修正目標達成の可能性があると発表しました。

インテルのCEOは、3D XPointが第2世代Xeon Purleyプラットフォームに搭載される予定であることにも言及しました。これは、インテルが当初この技術を第1世代Purley製品のリリーススケジュールに合わせていたため、遅延を意味します。しかし、CEOが他のオンパッケージ技術と共にこの技術を搭載すると言及したことから、この発言はオンパッケージまたはオンダイ実装を指している可能性がほぼ確実です。広く推測されているのとは異なり、Optane SSDおよび／またはDIMMは、インテルが提案するタイムラインに収まる第1世代Purleyプラットフォームでデビューする可能性があります。

最近リークされた文書によると、Intelは2016年第4四半期後半にSSDとメモリ製品の両方を出荷する予定であることが示唆されています。Stony Beach Intel Optane Memory製品のベンチマークデータがリークされましたが、報道機関はテスト結果を大きく誤解しています。多くの人は、Intelのロードマップ上では別々の製品であるStony Beach MemoryとMansion Beach Optane SSDの違いを無視し、メモリ製品の仕様を既存のSSDと誤って比較しています。

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3D XPointはDDR2に近い速度を提供し、ストレージの速度をミリ秒単位から数百ナノ秒単位へと引き上げます。これにより、既存プラットフォームではハードウェアとソフトウェアのボトルネックが顕在化します。3D XPointをメモリとして使用するには、既存のDDR4仕様に大幅な変更を加える必要がありますが、業界関係者は独自仕様のインターコネクトの使用に反対する動きを見せています。

IMFTは、生産と販売に伴う経済性に加え、全く新しいタイプのメモリに対するハードウェア、ファームウェア、コントローラー、そしてソフトウェアのサポートなど、数々のハードルを乗り越えなければなりません。IntelとMicronがどのように製品を市場に投入し、その他の重要な要件にどのように対処していく予定なのか、詳しく見ていきましょう。

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