データ記録媒体の紹介と展望 データ爆発時代に備えて 2018-10-22 SA 宇都宮

このプレゼンの目的 ● 昨今のデータ爆発からデータを記録する媒体(メディア)に対する注目 ● 様々な記録媒体の特徴・歴史・今後の展望などを紹介 ● ぶっちゃけビジネスには直接的に繋がりません。割と古くからITやっている人や記 録媒体に詳しい人と話をする際の軽いネタとして引き出しを持ってたら便利なので は、というノリです。

自己紹介 ● 宇都宮　卓也　(うつのみや　たくや） ○ 大阪生まれ、大阪育ち ○ 今週末に37歳になります ○ 阪神ファン(実は西武ファン) ● 2017/02 ~ レッドハット株式会社 ○ 2007/04 ~ 2017/02 外資系IT総合ベンダーでストレージのプリセールス ○ 2017/10からストレージSAやってます ● 基本的にはずっとストレージの人間です。今後もそのつもりです。

紹介する媒体 ● HDD ● SSD ● 磁気テープ ● 近未来的な媒体

HDD (ハードディスクドライブ) ● 60年以上前に開発された超枯れた技術 ○ 硬い素材 (ガラス, アルミ合金)に磁性体を塗 布した円盤(プラッタ)が回転 ○ ヘッドでプラッタの磁性体の磁界の向きを入 れ替えることで0/1を表現 ● プラッタは表裏両面使う。 HDD内に複数枚あって、 ヘッドも複数ある ● プラッタが回転している時、ヘッドの間はほんの僅 か浮いている ○ 10ナノメートル。ほんの少しの塵でも影響を受 ける ○ 回転が止まっている時はくっついている

HDDの歴史は小型化と大容量化の歴史 ● 最初の商用HDD ○ 1956年 IBM RAMAC ○ 重量 1トン ○ 容量 4.4MB ○ 当時最速の補助記憶装置 ● 2018年最新の大容量HDD ○ Seagate Ultrastar DC HC620 ○ 重量 660グラム ○ 容量 14TB 記録密度(1インチ四方辺りのデータ量 )　　 2000 bit → 1T bit 5億倍以上に

HDDの展望 ● 更なる大容量化を目指す。 40TBくらいまでは行くようだ。 ● HDDを大容量化する方法は 2通り ○ プラッタの数を増やす ■ ガラスプラッタ 剛性を保って薄く加工できるガラスはプラッタ数増加に向く ■ ヘリウム充填 気体の抵抗が減るのでヘッドやプラッタのふらつきを抑える ○ 記録密度を増やす ■ 瓦書き方式 (SMR : Shingled Magnetic Recording) トラックを重ねて記録することで密度を上げる。 ただし上書きが大変になるのでアーカイブ専用などで利用 ■ 熱補助磁気記録方式(HAMR) / マイクロ波補助磁気記録方式(MAMR) 磁気ビットを小さくするために強い磁性体を使う必要があるが、これだと従来方 式では帯磁できないためアシストをする ■ 3次元磁気記録方式(MAMR) 磁気ビットを多層にする

ちなみにHDDの性能は ... ● これ以上飛躍的に性能が伸びることはない ○ 回転数の限界 ○ シークタイムの限界 (アーム制御の限界) ● マルチアクチュエータ (アームをバラバラに動かす )など性能を高める技術は存在するが、 Flashデバイスの 性能には勝てない ● これからのHDDは容量指向

SSD (ソリッド・ステート・ドライブ ● 1986年に東芝が開発した NAND型フラッシュメモリを、 サンディスクが商用モジュール化 ● フラッシュメモリはセルという記憶素子の集合 ● セルのフローティングゲートに電子を出し入れして 0/1 を表現 ○ 電圧を掛けることでトンネル酸化膜を通して ゲートへ電子を出し入れする (トンネル効果) ● トンネル酸化膜は何度も電子が通ると劣化する。 ○ 劣化するとゲートから電子が漏れてしまうことが ある。 ○ データロスにならないような仕組み ■ オーバーサブスクリプション ■ ウェアレベリング ■ ECC, CRC ■ etc...

SSDの種類 ● インターフェース ○ SAS, SATA : HDDをエミュレート。一時点で一つしか I/Oできない ○ NVMe (PCIe) : 一時点で複数データに並列 I/O ● セルにいくつの電子 (bit)を保存するかによって SLC, MLT, TLC, QLCの4種類 ○ bitが少ないほど長寿命で性能が優れる。ただし容 量は少なく、コスト高 ○ bitが多い程大容量でコスト安。ただし寿命は短く性 能は低い。 ○ 今の所エンタープライズで使われているのは SLC, (e)MLC

SSDの展望 : 3D NAND ● セルを多層化して配置したフラッシュメモリ ● フローティングゲートからチャージトラップへ ● 単純にセルの数が多くなるので、 2D NANDと比べて ○ 書き込み寿命が長くなる ○ I/Oの並列度が上がり性能が向上 ○ 容量密度が上がり大容量化が可能 ● 今日時点では東芝XG6が96階層をエンタープライズ向け で商用化。容量は最大 1TB ● 3D NANDはまだ技術的にこなれていないこともあり、 2Dと 比べてちょいと歩留まりが悪い。 ● 将来的には階層が増えて、 TLCやQLCと組み合わせること で512TB SSDとか途方もない物ができる予測

磁気テープ ● HDDと同様に、フィルムに磁性体を塗布した媒体 ○ 磁性体(BaFe)の磁界の方向で0/1を表現 ● 固定された磁気ヘッドが高速で送られるテープを走査し、 磁気を操って読み書きする ○ ヘッドは同時に複数のトラックを読み書きできるので HDDよりもシーケンシャル I/Oは速い ○ 一方でテープの戻し /送りが必要になるランダム I/Oは 遅い ● データの寿命が長い (10年は持つ) ● 安価 (1巻 数万円) ● 大量のテープを扱う場合は手で管理できないので、テープ ライブラリが使われる

テープライブラリの動画 (萌える)

磁気テープの展望 ● 進化するLTO (Linear Tape-Open) ○ 業界標準のテープの規格 ○ 最新はLTO8 ■ 1巻 非圧縮で12TB, 圧縮で30TB ■ 非圧縮で360MB/s ○ LTO12までロードマップあり ■ 1巻 圧縮で480TB ! ● 一度は死んだ技術と見られていたが、安価に大容量を 記録できることから再度注目を浴びている ○ 大量のCold Dataを扱うところで利用されている ● 今後全世界データの半分以上はテープに記録されるん じゃないかな Google DC CERN DC

近未来的な媒体 : DNAストレージ ● DNAを媒体として情報を記録しようとする試み ○ 4種の塩基(A, C, T, G)をそれぞれ 00, 01, 10, 11 と 対応させてバイナリデータを記録 ● DNAは従来の媒体と比べて、 ○ 遥かに記録密度が高くできる ○ 安定である(長持ちする) ○ 電力が要らない ● 2016年にMicrosoftが200MBのデータの記録に成功 ● とはいえまだ実験研究段階で実用化への課題 ○ 数百Bytes/secの記録速度 ○ ランダムアクセスへの対応 ○ 専用機器と情報を記録できる条件が揃った DNA媒体のコスト ● 10年後くらいには実用化されているかも

Thank you