Optaneは低レイテンシのランダム読み取りにおいて、NVMe SSDキャッシュより本当に優れているのでしょうか？

エヴァ・ウォン

IceWhale author

エヴァ・ウォン は テクニカルライター であり ZimaSpaceの常駐ティンカーでもあります。 生涯のオタクであり、 ホームラボとオープンソースソフトウェアに情熱を持っています。彼女は複雑な技術的概念をわかりやすく、 実践的なガイドに翻訳することを専門としています。エヴァはセルフホスティングは楽しくあるべきで、怖がるものではないと信じています。彼女のチュートリアルを通じて、コミュニティが ハードウェアのセットアップを解明する手助けをしています。初めてのNAS構築からDockerコンテナの習得まで。

Does Optane Offer a Real Advantage Over NVMe SSD Cache for Low-Latency Random Reads? - Zima Store Online

RAMに収まらず、低いキュー深度でキャッシュに到達するワーキングセットが繰り返しアクセスされ、アプリケーションが最大帯域幅よりも小さなレイテンシースパイクに敏感な場合、Optaneは実際の優位性を発揮します。容量、交換品の入手性、コントローラーとの互換性、長期的な所有の予測可能性が、ランダム読み取りレイテンシーを可能な限り低くすることより重要な場合は、最新のNVMe SSDがより適したデフォルトの選択肢です。

まず、キャッシュデバイスが実際にボトルネックか確認する

RAMがすでに繰り返し読み取りの大半を処理している場合、この比較は意味を持ちません。また、ワーキングセットがどちらのキャッシュよりも大きい場合、アクセスパターンがほぼシーケンシャルな場合、あるいはクライアントがEthernet、CPU、暗号化、メタデータロック、アプリケーション自体の処理を待っている場合も同様です。このようなケースでは、OptaneをNAND NVMeに変更しても、ユーザーが感じる遅延は変わらず、ベンチマークの結果だけが変わります。

まず、同じ遅いタスクの実行中に、キャッシュヒット率、RAMヒット率、バックエンドディスクのレイテンシー、低キュー深度でのランダム読み取りレイテンシーを確認します。ZimaSpaceによる繰り返し行われるNAS読み取りでSSDキャッシュが有利になる場合の分析は、最初の境界条件を明らかにしています。つまり、ワークロードが繰り返しSSD層に到達するようになって初めて、メディアの選択が重要になります。

Optaneが今なお測定可能な優位性を発揮する場面

Optaneの最大の強みは、低キュー深度での小ブロックアクセスと、厳しいテールレイテンシー要件への対応です。エンタープライズ向けOptaneドライブは、単に高いシーケンシャル性能を示すのではなく、混在した持続的な負荷の下でも応答時間を一定に保つよう設計されました。StorageReviewのOptane P5800Xのワークロードテストでは、ランダム、データベース、VDIの各テストで際立って低いレイテンシーが示されました。

この違いが役立つのは、1回の遅延した読み取りによって、データベース検索、VMの起動シーケンス、メタデータサービス、インデックス処理のいずれかが停止する場合です。Optaneは、ガベージコレクションや大量書き込み時にレイテンシーを拡大させる可能性があるNAND特有の挙動もいくつか回避します。優位性の本質は、すべてのキャッシュリクエストが劇的に高速になることではありません。処理が難しいリクエストが予想外に遅くなりにくいことにあります。

判断軸	Optaneキャッシュ	最新のNVMe SSDキャッシュ
低キュー深度でのランダムレイテンシー	通常、より強力で一貫性の高い選択肢	高速だが、コントローラー、NAND、ファームウェア、充填状態によって結果は異なる
高負荷時のテールレイテンシー	歴史的に最も優れた強み	エンタープライズ向けTLCモデルは高い性能を発揮できるが、コンシューマー向けドライブはばらつきが大きい
シーケンシャルスループット	主な選択理由にはならない	現行のPCIe世代ではより高いことが多い
デバイスあたりの容量	入手可能な製品が限られ、調達はますます困難	幅広い容量範囲と容易な拡張
耐久性	エンタープライズモデルでは非常に優れている	ドライブのクラスと書き込みワークロードに大きく左右される
交換の手段	中古市場と予備在庫に依存	現行製品で、同等品への交換が容易
最適な用途	互換性が確認された、狭い用途のレイテンシ重視キャッシュ	容量と保守性が求められる一般的なNASキャッシュ

製品ライフサイクルが技術面での勝者を逆転させる理由

Optaneの技術的な強みは依然として健在ですが、Intelは2022年に新しいOptane製品の開発を終了しました。製品終了後のOptaneを取り上げた現在のレビューでは、拡大する製品ラインではなく、既存のドライブを中心に成り立つ市場について説明しています。

この点で、所有するかどうかの判断が変わります。サーバーがすでにそのフォームファクターに対応しており、十分な予備ユニットを用意でき、データを失わずにキャッシュを再構築できるなら、中古のOptaneデバイスは魅力的かもしれません。一方、1台のドライブの故障によってプラットフォームの変更、困難なアダプター探し、または不明なメディア履歴の受け入れを強いられるなら、依存する対象としては不適切です。

キャッシュは、常に交換可能なインフラとして扱うべきです。キャッシュが高速化するデータを復元するよりもキャッシュデバイスの交換のほうが難しいなら、その設計ではパフォーマンス用コンポーネントが運用上のリスクになっています。

ピークIOPSの比較ではなく、制御されたテストを使用する

RAMとキャッシュの挙動が再現可能になるまでワークロードをウォームアップする。
RAMヒット率、キャッシュヒット率、バックエンドディスクのレイテンシ、アプリケーションの応答時間を記録する。
実際のNASタスクに近い低いキュー深度でテストし、最大の合成同時実行数だけをテストしない。
1つの平均値だけでなく、中央値、95パーセンタイル、99パーセンタイル、観測された最悪のレイテンシーを比較してください。
キャッシュデバイスが一部まで埋まっている状態と、バックグラウンド書き込みがアクティブな状態でテストを繰り返してください。
SSDキャッシュを無効にし、測定対象のタスクが本当にキャッシュの影響を受けるか確認してください。
ドライブを選ぶ前に、許容できる最大応答時間を決めてください。

ZimaSpaceによるSSDの違いが明らかになるNASワークロードの比較は、判断を打ち切るための有用な基準を示しています。ネットワークやアプリケーションがストレージ性能の差を隠しているなら、メディアの速度をさらに高めても、次に効果的なアップグレードにはなりません。

この構成に適したキャッシュメディアはどれですか？

Optaneを選ぶべき場合

互換性のあるハードウェアをすでに所有しており、キャッシュがデータの必須コピーではなく、低キュー深度でのテールレイテンシーが残されたボトルネックであることを測定で確認できた場合は、Optaneを選んでください。検証済みの交換計画を用意し、小容量のコンシューマー向けOptaneモジュールがエンタープライズ向けPシリーズのデバイスと同じように動作すると考えないでください。

どちらのアップグレードも見送るべき場合

RAMが繰り返し読み取りをすでに吸収している場合、キャッシュヒット率が低い場合、ワークロードがシーケンシャルな場合、または現在のネットワークが飽和している場合は、メディアの比較を省略してください。低レイテンシーのキャッシュデバイスを購入する前に、支配的なボトルネックを解消しましょう。

よくある質問

すべてのOptaneドライブは、すべてのNVMe SSDより優れていますか？

いいえ。Optane製品は世代、容量、インターフェース、想定用途によって異なります。最新のエンタープライズNVMeは、より高いスループットと大容量を提供できる一方、小容量のコンシューマー向けOptaneモジュールは、本格的なNASキャッシュには適さない場合があります。必ず実際に使用するデバイスとワークロードを比較してください。

NASに十分なRAMがある場合、Optaneは読み取りキャッシュを改善しますか？

再利用されるワーキングセットが実効RAMキャッシュの容量を超え、なおかつSSDキャッシュに収まる場合に限ります。繰り返し使用されるデータがメモリに残っているなら、OptaneもNAND NVMeも読み取りの大部分を処理していません。

キャッシュデータはバックアップすべきですか？

バックアップすべきなのは元データであり、使い捨てのキャッシュ内容ではありません。読み取りキャッシュは再構築できる状態にしておくべきです。システムがキャッシュ内に一意のデータや書き込み完了通知済みのデータを保存する場合は、その障害時および電源喪失時の設計を別途評価する必要があります。

最終結論

Optaneは、低キュー深度でテールレイテンシーの影響を受けやすいランダム読み取りという限られた用途では、依然として技術的に優れています。現在のほとんどのNAS構築では、十分な低レイテンシー、大容量、交換のしやすさ、そして持続可能な運用を実現できるため、最新のNVMeが実用面で優れています。Optaneを選ぶのは、管理されたテストによって、残された優位性がアプリケーションの結果を変えることを確認してからにしてください。