第7回　ストレージ概論～HDDの進化～

HDD(Hard Disk Drive)が使用されるようになってから、すでに50年以上が経過していますが、データを読み書きするための方式は何ら変わっていません。当初は24インチでプラッターは数十枚を搭載しているにも拘わらず、全体容量は5MB程度でした。

HDDは小型化と高速化が進むと同時に、最近では大容量化と低価格化にも注力しています。

HDDも小型化が進み、現在のストレージに挿入されるHDDは3.5インチが主流となっていますが、基本的な構造は後で述べるように変化がありません。ただし、小型化された結果としてHDDはFRU(フィールドで交換可能な部材: Field Replaceable Unit)扱いとなり、手動で簡単に抜き差しが可能な構造になっています。

HDDの構成要素で理解すべきなのは、プラッターと呼ばれる磁気ディスクとヘッド(またはアーム)の部分で、ディスクが回転、アームはスライドすることで任意のポジションにヘッドの先を移動させてデータの読み書きを行います。電源を投入すると、ディスク部は高速回転(一分間に7,200-15,000回転)を始め、ヘッド部はピボットと呼ばれる付け根の部分を制御することで、ディスクの中心と外周の間を移動します。非常に原始的な構造が今でも使われており、耐久性は他のITコンポーネントと比較するとあまり良い方ではなく、長く使うためには衝撃とほこりは絶対厳禁です。

HDDの属性としては「タイプ(インターフェース規格)」、「容量(MB)」、「回転速度(RPM)」、「転送速度(MB/s)」が一般的ですが、他に「回転待ち時間」とか「シーク時間」といったものもあります。これらはそれぞれ、HDDの回転速度とヘッドの性能に関係しています。図2の絵で、HDDが黄色のポジションにアクセスするには、まずアームが黄色い部分の同心円上にヘッドを移動しなければなりません。この移動に要する時間を「シーク時間」と呼びます。すでにヘッドは同心円上にあるので、あとはディスクが回転して黄色の部分がヘッドに到達するのを待つだけですが、これに要する時間を「回転待ち時間」と呼びます。

HDDの回転数が大きいほど回転待ち時間は小さくてすむ、つまりパフォーマンスが高いことになります。また、I/Oがランダムアクセスになった場合の性能は、シーク時間に大きく依存します。

最後に、HDDのインターフェースについても触れておきます。HDDのインターフェースとしては長い間SCSIが使用されてきましたが、このインターフェースでは種々の限界も見えてきたこともあって、現在では次のようなインターフェースが存在しています。

• FC (Fiber Channel)
• SATA (Serial Advanced Technology Attachment)
• SAS (Serial Attached SCSI)

次の節では、これらのインターフェースについて解説します。

SCSIはコンピュータのハードディスク・インターフェースとして最も一般的なものでした。開発当初はバス幅が8ビットで転送速度が5MB/S程度でしたが、どんどん改良が加えられた結果、最終的には16ビットで320MB/Sまで性能向上が図られました。高速転送のためにパラレル転送(複数の信号線を使い、データを同時並列に流す)方式を採用していたことが逆に近年では制限となり、現在の主流はシリアル転送(本の信号線に連続してデータを流す)のインターフェースへと移っています。

パラレル転送の場合にはデータを分割して同時並列で流すために、データの受け手側でデータをまとめて整列する作業が必要になります。この仕組みの欠点として容易に想像できるのは、転送距離が長くなったときには同時転送されたビットがほぼ同時に届くことが困難になることや、エラーが起きた場合の処置が煩雑になるということです。このため、SCSIインターフェースによって接続された装置の両端は、25m以内という制限がありました。距離の問題に加えて、SCSIではサポートできるデバイス数の制限や速度の限界が見えてきたため、それを補うようにしてFibre Channelが開発されました。

シリアル転送でも十分な高速通信が出来るようになると、データ転送の方式はシリアル転送が主流となってきます。HDDのインターフェースも、SCSIに替わってシリアル転送方式を採用したFibre Channelが登場しました。信号線にはファイバー(Fiber)を使いますが、敢えてスペルがFibre(eとrが逆転)となっているのはFCが物理層からプロトコル層までの全てを含んでいる事を強調するためで、単にファイバー(Fiber)を使ったデータ転送と誤解されないためと言われています。

FC自体はSCSIの拡張として開発されたわけではなく、次の図からも判るようにサポートされるプロトコルは多岐に渡っています。HDDのインターフェースがFCを採用したことにより、転送速度(4Gbps)や装置間の最大接続距離(100Km以上)が大幅に改善されただけでなく、サーバとストレージの接続形態が非常に柔軟になり、接続可能なデバイスの数も大幅に増えました。FCについては後述する「FC-SAN」の項目でさらに詳しく説明します。

ストレージのディスクとして、現在ではFCとSAS、およびSATAの3種類が存在しており、ほとんどのストレージは同一筐体内での混在をサポートしています。ディスクの特性からわかるように、FCとSASはアクセス頻度の高いオンラインデータ用途に使うべきで、SATAは比較的アクセスの少ない領域で、大容量のデータを一定期間保持する場合に便利です。具体的な使用方法としては、バックアップ用のミラー領域やアーカイブ領域などです。もちろん、この用途以外に使用することが不可能というわけでもなく、アプリケーションの特性やSLA、予算などに応じて検討すべき事項となります。

なお、FCとSASについては使い分けの指針となるものは存在していません。性能・容量・価格などについても差異はなく、今後はどちらが主流になっていくのかは現時点では不明です。ただし、ストレージ本体はどちらもサポートして混在可能なので、ビデオやDVDのように互換性がないために「どちらを買うべきか?」という深刻な問題は発生していません。少なくとも、FCは歴史がありSASは出てきたばかりなので、しばらくの間はFCを購入するケースが続くと思われます。