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AI や HPC（ハイパフォーマンスコンピューティング）アプリケーションが急速に拡大する中、データ の容量とコンピューティング密度も増加し続けています。大規模言語モデルのトレーニング、気候変動のシミュレーション、遺伝子配列の処理など、これらのワークロードは高速かつ安定した データ アクセスに大きく依存しています。もし ストレージ システムが GPU やアルゴリズムの進化に追いつけなければ、パフォーマンスとコスト効率の両面で重大なボトルネックとなります。
同様に、4K/8K ビデオ 編集、VDI、エンタープライズ 仮想化、クラウドサービスといったシナリオでも、ストレージ システムにはより高い安定性とリアルタイム処理能力が求められています。これらの課題に対応するため、オールフラッシュアーキテクチャや iSCSI + RDMA 技術が主流の選択肢となりつつあります。しかし、その真価を発揮するには、ストレージ システムのソフトウェア層を継続的に最適化することが鍵となります。
ストレージ アーキテクチャ最適化の次のステップ: ソフトウェア層の重要な役割
QNAP は QuTS hero オペレーティングシステムにおいて、基盤リソースの潜在能力を最大限に引き出すことに一貫して注力しています。システムには複数の主要なパフォーマンス向上設計が組み込まれており、コンピューティングや ストレージ の進化するニーズに対応するため、複数の層で継続的に改善が行われています。
しかし、ソフトウェアのパフォーマンス向上は継続的な取り組みであり、特にハードウェアの進化がさらなる最適化の機会を生み出しています。QNAP チームはシステム分析を通じて、継続的な最適化のためのシステムレベルの重点領域を2つ特定しました:
1. マルチコアおよび並列コンピューティングのパフォーマンス強化
プロセッサのコア数が増加し続けることで、システムはより高度な並列処理能力を発揮できるようになっています。より多くの作業モジュールへのマルチスレッドモデル導入やタスク分離メカニズム、処理フロー内でのワークロード特性やスレッド割り当て戦略の継続的な分析、スレッドアフィニティや並列処理メカニズムの最適化により、実際のアプリケーションでマルチコア性能を最大限に引き出すことが可能です。
2. メモリおよびI/O サブシステム効率の継続的な向上
プロセッサ性能が急速に向上している一方で、I/O チャネルの設計は I/O 効率の調整において依然として重要な役割を果たします。データ アクセス経路のボトルネックを継続的に分析し、必要な設計改善を実施することで、伝送性能をさらに高め、システム全体が一体となって最大効率を実現できるようにします。
効率的な データ チャネルの構築: iSCSI と ZFS の実践的な統合
前述のボトルネックに対応するため、QNAP チームはコアとなる データ チャネルに対して徹底的な最適化を実施しました。ネットワークスタックから iSCSI トランスポート層、バックエンドファイルシステム（ZFS をコアとする）まで一貫した設計アプローチを採用し、データ フローのあらゆる段階を効率化して真の高速伝送を実現します。
導入「ゼロコピー」：データの移行を削減し、パフォーマンスを引き出す
現代のシステムアーキテクチャにおいては、通信プロトコル層とファイルシステム層間のソフトウェア統合が、効率的なデータ交換とストレージの実現の鍵となります。QuTS heroは、ネットワークスタックからiSCSI層、さらにファイルシステム層までのゼロコピーデータ転送を可能にし、伝送中のコアモジュール間での複数回のデータコピーを回避します。これにより、CPU負荷が大幅に削減され、データ転送効率が向上します。
これによりメモリ帯域幅の消費が減少するだけでなく、レイテンシも低減され、AI、HPC、仮想化プラットフォームなどの高頻度I/Oワークロードに特に有効です。このような統合設計により、iSCSIは従来のストレージプロトコルから高性能なデータパスの重要なコンポーネントへと変貌します。
パラレルデカップリング：iSCSI データ処理ワークフローの再構築
従来、iSCSIモジュールはパケット受信、コマンド解析、データ移行、応答送信を順次処理していました。コマンドとデータが直列で処理される場合、処理のボトルネックが発生しやすくなります。実際のアプリケーションでの応答性を高めるため、アーキテクチャはタスクの分離と並列化によって再設計されました。
データ処理とコマンド解析のスケジューリングを分離し、並列で実行することで、処理段階間の相互ブロッキングを低減します。同時に、ロックスプリッティングヘルプの概念を導入し、グローバルロックによるリソース競合を回避し、同期オーバーヘッドと並列処理時のデータ移行コストをさらに削減し、最終的に高性能なiSCSIサービスを実現します。
クロスレイヤー協調スケジューリング：iSCSIとZFSのパフォーマンス統合
現代のストレージシステムにおいては、iSCSIトランスポートモジュールとZFSファイルシステム間のパフォーマンス連携が全体のI/O性能の鍵となります。協調されたスレッドスケジューリング戦略により、高い同時実行シナリオ下でも両者が干渉なく独立して動作でき、マルチコアリソースの利用効率とデータ処理のスムーズさがさらに向上します。
結論：ハードウェアの潜在能力を引き出すソフトウェア実践
最適化後、複数のシミュレートテストシナリオ全体で大幅なパフォーマンス向上が観察され、特にランダムI/O負荷下でシステム全体の応答性と処理効率が顕著に向上しました。一部のテストケースでは、最大約50%のパフォーマンス向上も確認され、特定のアプリケーションシナリオにおけるシステム最適化の明確な効果が示されました。
これらの結果は、iSCSI、ZFS、スケジューリングロジックなどの主要モジュールにおけるQNAPの協調的な最適化が、マルチコア処理や高性能ストレージアーキテクチャのシステム潜在能力を効果的に引き出すことを裏付けています。これにより、データ伝送およびストレージ経路全体の効率が向上し、高密度コンピューティングや仮想化アプリケーションに対して安定かつ信頼性の高い技術基盤とパフォーマンスを提供します。また、QNAPが製品体験の継続的な最適化と重要なアプリケーション対応力の向上に技術的コミットメントを持っていることも示しています。
今後も、さまざまな規模や負荷タイプの利用シナリオに対応するため、安定的・予測可能・拡張性のあるストレージプラットフォームを提供できるよう、アーキテクチャの強化とパフォーマンス最適化への投資を継続していきます。
