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FL6000 フラッシュアレイストレージ概要
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フラッシュアレイストレージ概要
概要
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1. FL6000 フラッシュアレイストレージ概要 FL6000 フラッシュアレイストレージは、RAS（信頼性、可用性、および保守性）に重点を置き、 持続的なパフォー マンス、拡張性と共有機能を有したモデルです 。サー バー に直結、または ハイエンドのエンタープライズ環境での共有接続で利用可能です。 FL6000フラッシュアレイストレージは、1秒間に最大 100 万 入/出力操作(IOPS)の連続読 み書き性能があります。これは、VIMM(Violin Intelligent Memory Module)の全個体にわたり並列でデータの読み書き を行うことで、高 IOPS と高いバンド幅を実現しています。
ノンブロッキングイレースと並列読み/書きは、VIMMを管理する最大4つのvRAIDコントロ ーラーで制御します。
また、他に類のない FL6000 フラッシュアレイストレージのアーキテクチャーの特長として、 Violin Switched Memory interconnect(VXM)があります。
VXM は、アレイ内のフラッシュメモリモジュールに接続されており 、3U の筐体内に高密度 32TB の MLC フラッシュメモリの実装を実現しております。なお、最大 64 筐体で最大 2PB のフ ラッシュメモリを 8 ラックに集約できる拡張性を提供します。 各 VIMM は二重障害時においても、システムの継続稼働を実現するために３つのポートを 持っています。 vRAID は、FL6000 フラッシュアレイストレージ用に設計されており、データ消失保護、可用性 の最大化を実現する複数の VIMM にわたる制御を行っています。 さらに、全てのコンポーネントはホットスワップに対応しています。 2. プラットフォームアーキテクチャー FL6000 フラッシュアレイストレージは、アクティブなコンポーネントの単一障害点（SPOF）を 無くすように開発され、すべてのアクティブなコンポーネントがホットスワップ可能です。 FL6000 フラッシュアレイストレージのプラットフォームアーキテクチャーおよび機能の重要な 要素は以下の通りです。
Violin Switched Memory interconnect（VXM）は、高パフォーマンス、高拡張性、高密度、 高可用性を提供。
vRAID コントローラーは RAID 制御、ノンブロッキングイレース、超並列読み/書き、継続 的パフォーマンスを提供。
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無停止状態でのファームウェアアップグレードを実現。 冗長電源コントローラー(PC）、モジュール、ファンおよび、電源 冗長化されたアレイコントローラー（AC）のスイッチング·管理サービスを提供。 ネットワークインターフェースは、メモリゲートウェイにPCIe 経由で接続され、SANまた は LAN への物理的な接続を提供。
2.1. Violin Switched Memory interconnect (VXM)
Violin Switched Memory interconnect（VXM）は、FL6000 フラッシュアレイストレージの高パ フォーマンスを実現するためのプラットフォームのコア技術です。
ほとんどのベンダーのフラッシュメモリは、従来の PCIe または SAS のような内部接続方式を 取っておりますが、VIMM は、Violin Switched Memory interconnect(VXM)に組み込まれている パッシブメモリプレーンに直接接続されています。
ファイバーチャネル（ＦＣ）や SAS テクノロジーと異なり、VXM は PCI Express（PCIe）のような、 低レイテンシのメモリ·アクセス用に設計されています。同時に同じインフラストラクチャ上のフ ラッシュメモリから読み出すことができます。 また、VXM は、冗長化されており、ホットスワップに対応しています。 VXMは、PCIeの4倍のモジュール密度をサポートし、モジュールごとに複数のルート/マス ターに設定することができ、非常に高い可用性を達成することができます。 各モジュールは、3 点接続され、これにより二重障害にも耐える構造となっています。ネット ワーク内の任意の2つのモジュールは、データの損失なしで取り外すことができます。 従って、 モジュールは、システムの電源切断が発生した場合、ユーザーのデータアクセスに影響を与 えることなく交換することが可能です。
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VIMMアレイは、2つのVIMMコントローラーにより、冗長性確保と帯域幅の向上を実現して います。高パフォーマンスを得るために、2 つの VIMM コントローラーを追加することも可能で す。 この場合、最大 3 つのコントローラー障害にも対応し、障害時においても高速にデータアク セスすることができます。 FL6000 フラッシュアレイストレージは、完全冗長かつ、最大 64 VIMM モジュールまで接続す ることができます。システムとの物理的な接続は、１ホストに対して 1/2/4 の PCIe 接続又はフ ァイバーチャネル（ＦＣ）経由の接続となり、パスの冗長化を行うこともできます。 2.2. vRAID vRAID は、FL6000 フラッシュアレイストレージ固有の基本的な技術です。 vRAID は VIMM を制御する vRAID コントローラーに実装されています。 vRAID の機能は以下のとおりです。 ノンブロッキングイレース 並列読み/書き 高負荷時のレイテンシ 連続性能 帯域幅 可用性 vRAID は、FL6000 フラッシュアレイストレージの構築におけるベースとなる機能です。 フラッシュでは、書き込み時間が読み込み時間に比べ時間がかかり、消去が読み取りを中 断される場合があります。 vRAID は RAID 機能以外に、“ノンブロッキングイレース“をも管理しています。 エンドユーザにとっての“ノンブロッキングイレース“の利点として、低スパイクフリーのレイテ
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ンシをあげることができます。 vRAID コントローラーがどのようにフラッシュメモリを管理するかをここで紹介します。 まず 64 枚の VIMM があり、60 枚がデータ用で 4 枚が予備領域となります。 データは論理ブロックアドレス（LBA）を使用して、512 バイトから 4M バイトまでの任意のサイ ズのブロックとして FL6000 フラッシュアレイストレージに入ります。 ブロックは 4 キロバイトのブロックに分割され、複数の vRAID のグループにまたがってストラ イ プ されます 。これは、帯域幅の増加と大きいブ ロックによるレイ テンシの低下を防ぐために 行われます。それぞれの vRAID グループは 5 つの VIMM（4D+1P）で構成されています。 4キロバイトのブロックは、それぞれ論理ページアドレスを共有した異なるVIMM に5 つの1 キロバイトのページとして書かれます。 FL6000 フラッシュアレイストレージでは、4 つの vRAID コントローラーが実装されています。 vRAID コントローラーにより VIMM のホットスワップが可能となり、単一 VIMM の障害時の RAID グループの自動再構築が可能となっています。
また、vRAID コントローラーは、MLC の性能を改善するための独自の技術も持っています。
すべての VIMM またはフラッシュメモリに障害が発生した場合、データはパリティ VIMM を使 用して再構築することができます。
必要に応じて、VIMMの交換を行い、システム内のスペアVIMMを使用してRAIDを再構築 することができます。
また、フラッシュメモリのビットエラーは通常、ECC 保護を使用して修正もされます。
2.3. Highly Available Memory Gateways
FL6000 のフラッシュメモリゲートウェイには高可用性の 4 つの主要要素があります。
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最初の要素は、冗長ゲートウェイです。1台のアレイ装置に2つのゲートウェイを内蔵し、そ の 2 つのメモリ·ゲートウェイがアレイ装置自体に統合されています。 2 番目の要素は、ホストベースのシンプルかつ高可用性の双方を実現するマルチパスソフト ウェアです。ひとつのゲートウェイがオフラインになった場合は、すべてのI/ Oが自動的に残 りのゲートウェイへの代替パスにルーティングされます。 3 番目の要素は、冗長ゲートウェイがアクティブ/アクティブとなっていることです。アクティブ /アクティブゲートウェイにより、すべての VIMM への高帯域幅となっています。仮にひとつの ゲートウェイがオフラインになった場合、帯域幅は縮小しますが、ホストからの I / Oを妨げる ことはありません。 4 番目の要素は、中断せずにファームウェアアップグレードする機能です 1 。 メモリゲートウェイ＃1をオフラインにしても、メモリゲートウェイ＃2は動作することが出来ま す。メモリゲートウェイ＃１のファームウェアをアップグレードし、オンラインに戻し、その後、メ モリゲートウェイ＃2 でも同様のプロセスを繰り返します。前のファームウェアのバージョンにロ ールバックすることも可能です。 また、同じような手順でアレイコントローラーと vRAID コントローラーの両方のフォームウェア をアップグレードすることが可能です。
2.4. Violin Intelligent Memory Module (VIMM)
VIMM は FL6000 フラッシュアレイストレージの重要なアーキテクチャー要素です。VIMM は、 個 々 の フ ラ ッ シ ュ メ モ リ チ ッ プ を 含 む パ ッ ケ ー ジ で す 。 VIMM は Violin Switched Memory interconnect（VXM）と一緒にネットワークに接続されています。 VIMM には、メタデータや書込みバッファ用の DRAM が少量搭載されています。 VIMM 上でメタデータ用に DRAM を使うことで、書き込み性能同様にオンボードデータがフラ ッシュにアクセスする速度を上げることができ、電源障害が発生した場合にもデステージ書込 みを行うための十分な容量を持っています。 書込みは、DRAM への書込みが完了した時点で完了とされます。VIMM は VXM に 3 点接続 されており、二重障害に耐えることができます。 FL6000フラッシュアレイストレージのvRAIDコントローラーはVIMMの隣にあり、直接VXM ネットワークに接続されています。 FL6000 6616 モデル（以下 FL 6616）は、256GB SLC を搭載した 64 枚の VIMM で構成され、 FL6000 6232 モデル（以下 FL6232）は、512GB MLC を搭載した 64 枚の VIMM で構成されま す。 VIMM は、フラッシュメモリの大規模なアレイのスケーラビリティを可能にするために設計さ れています。 VIMM のアーキテクチャーには以下のような特徴があります。 持続的な書込みの性能のために統合されたガベージコレクション 1本機能は最新ファームウェア（vMOS5.6およびvMOS6.3以降）での提供となります。
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DRAM のメタデータとフラッシュメモリへの低レイテンシのアクセス 障害回復の為にメタデータへの安全なアクセス確保とメタデータのローカル保管 フラッシュメモリの健全性（不良ブロックや不良ダイ）を統合的に監視および管理 最大帯域幅のための分散 ECC 訂正 ホットスワップと冗長性の管理 2.5. vRAID コントローラー（VCS）
vRAIDコントローラー（VCS）は VIMM に接続されるViolin Switched Memory interconnect （VXM）を制御し、vRAID アルゴリズムを実装しています。 FL6000 フラッ シュ アレイ ストレー ジの性能と可用性の双方を実現する為に、最大 4 つの vRAID コントローラーを利用することができます。最大 3 つの vRAID コントローラーに障害が発 生した場合でも、システムは動作を継続できます。 2.6. ホットスワップ 電源およびファンは冗長化され、ホットスワップに対応しています。 メモリプレーンは非常に高い MTBF を確保するためにパッシブ動作となっております。他の すべてのコンポーネントは、アクティブ動作であり、ホットスワップが可能です。 すべてのコントロー ラー 、電源、ファン、および メモリ ·イ ンフラストラクチャに、システム管理 用のイーサネットとシリアルのインターフェースがあります。 障害管理と操作を簡素化する為に、各スロットとソケットを個別に電源ＯＮ／ＯＦＦすることが できます。個々のスロットをホットスワップする前に完全に電源断できるように専用の電源コン トローラーを持たせることによって実現しています。 電源コントローラーは、単一障害発生時でもストレージサービスを提供するシステムの能力 に影響を与えないように設計されています。 ファイバーチャネル(FC)、10GbE および InfiniBand 接続がサポートされます。
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通常、これらのインターフェースは、Violin Intelligent Memory Module(VIMM)に障害が発生し た際も、データ損失が発生しないように冗長化されたカードとスイッチに接続されるように設定 されています。 3. パフォーマンスとレイテンシ FL6000 フラッ シュ アレイ スト レー ジは 、最高のパフ ォー マ ンス とバイ ト単 価を実現 します 。 3.1. IOPS 書き込み IOPS は、設定容量とVIMM の数で決まります。構成された容量の増加に伴って、 ガベージコレクション機能は、非効率となり、すべてのフラッシュストレージシステムの性能低 下につながります。図6 に示すように、FL6000フラッシュアレイストレージは使用可能領域が 87％と 75％の時に高いパフォーマンスレベルを維持します。使用可能領域が65%の時に最高 の性能を発揮します。 HDD ストレージシステム（一般的な HDD ストレージの性能は 50 から 150 IOPS）と比較する と、100,000 IOPS を実現するには、1,000 台の HDD が必要となります。 FL6616 １台の IOPS 性能は、図 6 に示すように、4 キロバイトのブロックサイズにおいては、 約 10,000 台の HDD と同等となります。 3.2. 帯域幅 FL6616 モデルの帯域幅は、128 キロバイトブロックを利用し 5 GB/sec と優れています。 FL6000フラッシュアレイストレージはトランザクション負荷を処理するために優れたIOPSを提
図 5 Consolidated Performance data FL6616 and FL6232 Flash Array Storage
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供するだけでなく、高帯域幅によりデータウェアハウスなどの他の用途においても効率的にデ ータを移動する機能を提供します。 3.3. レイテンシ FL6000フラッシュアレイストレージのアーキテクチャーは、MLC フラッシュを利用して業界で 最も低いレイテンシを提供するために最適化されています。 低レイテンシによりシステム性能を高速化することができます。 これは、サーバーとCPU 使用率の大幅な増加につながり、ソフトウェアライセンスの統合を 実現することが可能です。 SSD と比較して FL6000 フラッシュアレイストレージのアーキテクチャーの大きな利点は、 vRAID によって提供されるノンブロッキングイレースです。これは、フラッシュメモリデバイスに おける読み込みの割合が低いときに、これらのイレースレイテンシは非常に顕著となります。 4. 信頼性、可用性·保守性（RAS） システムの可用性は、多くのアプリケーションにとって重要です。 FL6000 フラッシュアレイストレージは、モジュールの交換を最小限におさえるように障害処 理を自動化するように設計されています。 FL6000 フラッシュアレイストレージは、多種多様の障害管理技術を組合せてシステムの高 可用性を実現します。 主要な特徴は、次のとおりです。 単一障害点なし（SPOF） 冗長 RAID コントローラーを搭載したインテグレーテッド RAID すべてのモジュールの冗長性 フラッシュメモリコンポーネントの Fail-in-Place ホットスワップ可能なモジュール 4.1. プラットフォームのメカニカル
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FL6000 フラッシュアレイストレージは、エンタープライズなシステムでの RAS 要件を満たすよ うに設計されています。 VIMM、コントローラーとファンは、筐体上部から稼働状態で保守することができます。 シャーシは、背面ケーブルマネジメントアーム付のスライドレールにマウントされています。 どちらの蓋もシステムの停止なしに取り外すことができます。
VIMM とファンには、故障ユニットを示すための LED があり、LED を使用してモジュールの交 換を行うことができます。 独立するファンは横 3 つ、2 列に配置されています。それぞれが独立して交換することがで き、多重障害でもシステムダウンしない可能性もあります。ファンの障害または空気の閉塞が 原因で問題が発生した場合、システムの温度センサーが自動的にシステムをシャットダウンし ます。 電源は背面から稼働状態でも保守できます 。これらは、電源の障害を管理する能力と AC 電源装置で、冗長化されています。 VIMM コントローラー、アレイコントローラー、パワーコントローラー、メモリ·ゲートウェイおよ びネットワーク·インターフェースは、すべての冗長ペアとしてプロビジョニングすることができま す。故障したユニットが交換されるまで、任意の単一の障害が自動的に処理されます。 4.2. フラッシュのエラー処理 FL6000 フラッシュアレイストレージは、ECC と RAID データ保護による高レベルを提供し、 RAID5 HDD のストレージシステムと比べて桁違いに大きい平均データ消失時間（MTTDL）を 実現します。 フラッシュメモリにも、ビットエラー、不良ブロック、ビット線とダイ障害など、多くの障害モード があります。エラーは、データ·エージングや隣接ブロックの読み書きによって、引き起こされま す 。 FL6000 フ ラッ シュ ア レイ ス ト レー ジ の アー キ テ クチ ャ ー は 、 ECC 、 デ ー タ · スク ラ ビ ン グと vRAID の組み合わせによって、これらの問題に対処します。 4.3. Fail-in-Place
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フラッシュデバイスは、経年劣化や使用（例えば、消去）により障害が発生します。FL6000 フ ラッシュアレイストレージは、以下のような Fail-in-place ストラテジーにより、これらの障害を管 理しております。 サービスイベントを最小限に抑える RAID の再構築を最小限に抑える データの損失率を最小限に抑える システムの可用性を最大化する Fail-in-place ストラテジーにより、FL6000 フラッシュアレイストレージは稼働を継続できなくな るほど多くの VIMM を失わずに、5 年以上動作します。これは、RAID 機能による各モジュール と複数のスペアモジュール上の予備のフラッシュデバイスによって達成されています。 ●資料の内容はお断りなしに変更することがありますのでご了承ください。 ●本資料に記載されている製品、数値および表現は平成26年1月15日現在のものです。 【お問い合わせ先】 株式会社東芝 クラウド＆ソリューション社
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