ストレージ・コントローラーとは

人間が生み出すデータの量は驚くべきものです。2024年時点で、世界のデータ量は149ゼタバイトと推定されており、2025年末までに181ゼタバイトにまで膨れ上がると予測されています。

分かりやすく言うと、1ゼタバイトは、1,000エクサバイト、10億テラバイト、または1兆ギガバイトに相当します。言い換えれば、 1ゼタバイトはDVD2,500億枚に相当します。

つまり、データ管理は、エンタープライズ・データセンター、クラウド・プラットフォーム、IoT（モノのインターネット）デバイス、デジタル・プラットフォームなど、すべてのコンピューティングシステムの主要なコンポーネントです。しかし、すべてのデータが同じように作成されるわけではありません。

私たちが作成するデータの多くは一時的なもので、瞬時に使用され、破棄されることを目的としていますが、他のタイプのデータはより永続的なものです。一部のデータは中期的な保管と検索のために保存され、他の種類のデータは長期のアーカイブまたはバックアップ目的で保存されます。

データの作成や保管の目的に応じて、最適なストレージ・メディアは異なります。ディスケットやUSBフラッシュ/ドライブなどの単純なオプションから、ストレージ・エリア・ネットワーク（SAN）やネットワーク接続ストレージ（NAS）システムなどの堅牢で複雑なオプションまで、コンピューターはストレージ・コントローラー（ディスク・コントローラーまたはストレージ・プロセッサーとも呼ばれます）を利用して、ストレージ・デバイスとコンピューターのメインCPU間でデータの書き込みと取得を行います。

ほとんどの場合、ストレージ・コントローラー・カードは物理的なハードウェア装置であり、コンピューターのシステム・ボードに直接統合されていることもあります。ただし、仮想マシン（VM）やその他の仮想化環境を扱う場合は、ソフトウェアベースの仮想ストレージ・コントローラーを使用して物理コントローラーの機能をシミュレートできます。これらのタイプのコンピューター・システムでは、仮想化ストレージ・コントローラーは、複数の物理デバイスからプールされたストレージ・リソースの管理に使われる包括的なハイパーバイザー・ソフトウェアのコンポーネントです。

ストレージ・コントローラーの主なコンポーネントは次のとおりです。

• ホスト・インターフェース：ストレージ・コントローラーがホスト・システムと通信できるようにする物理接続。内部ストレージ・デバイスは高速接続にPCI Express（PCIe）などの規格を使用し、SANは外部接続にファイバー・チャネル（FC）やNVMe over Fabricなどのプロトコルを使用します。
• プロセッサー：ストレージ・コントローラーには、入出力（I/O）操作を管理するための独自の専用プロセッサーが搭載されています。
• キャッシュ・メモリー：ストレージ・コントローラのキャッシュ・メモリーは、通常、揮発性DRAMで構成されます。この高速の一時的なストレージはコントローラー自体にあり、接続されたストレージ・デバイスやデバイスに保管されているデータよりも迅速にアクセスできる、頻繁にアクセスされるデータを保管します。
• ディスク・インターフェース：ディスク・インターフェースは、ストレージ・コントローラーとストレージ・デバイス間の物理的な接続です。
• バッテリーまたはコンデンサー・バックアップ・ユニット：オンボードのキャッシュ・メモリーに書き込む機能を持つストレージ・コントローラーの場合、バッテリー・バックアップ・ユニット（BBU）またはコンデンサーとフラッシュ・モジュールが重要なコンポーネントとなります。この装置により、突然の停電が発生した場合でも、コントローラーは揮発性フラッシュ・メモリーに書き込まれたデータを保持できるようになります。これらは実質的にユニット式電源です。

データ転送を容易にするため、ストレージ・コントローラーは特定のストレージ・メディアのメリットを活用するためにいくつかのタスクを実行します。また、コンピューター・システムがストレージ機能を完全に最適化するのを妨げる可能性のあるさまざまな潜在的な課題や障害も軽減します。

スムーズで効率的なストレージ・アクセスを実現するためのストレージ・コントローラーの主な機能には次のようなものがあります。

• データ転送と管理：ストレージ・コントローラーの最も基本的な機能は、ストレージ・デバイスとコンピューターの動作メモリーの間のブリッジとして機能することです。ストレージ・コントローラーは、特定の種類のストレージ・メディアや関連するインターフェースやプロトコルに応じて、データ転送を最適化して速度と効率性を高め、システム全体のパフォーマンスを促進および維持しながら、レイテンシーに対処します。
• データ検証とフォールト・トレラント処理：ストレージ・コントローラーは、転送されたデータの正確性を検証し、誤ったデータのフォールト・トレラント処理を実行して、データの正確性を確保し、エラーによる中断を軽減できます。
• 圧縮と解凍：ストレージ・コントローラーは必要に応じて、データを圧縮および解凍することで、転送速度を向上させ、大きなファイルによって生じるデータ圧力を軽減できます。
• データ保護およびバックアップ・サービス：多くのストレージ・コントローラーには、RAID（Redundant Array of Independent Disks）構成や消去コーディングなど、データ保護と冗長性のために設計された機能が搭載されています。これらの主要な機能はデータの保護とバックアップに役立ち、フォールト・トレランスと復旧時間を向上させるために非常に役立ちます。
• インターフェースの互換性：多種多様なストレージ・ソリューションをオペレーティング・システムやコンピューター・ハードウェアの無数の構成と組み合わせる場合、互換性が大きな懸念事項になります。ストレージ・コントローラーは、さまざまなストレージ・デバイス・インターフェース（たとえば、Serial ATA（SATA）、Serial Attached SCSI（SAS）、周辺コンポーネント相互接続エクスプレス（PCIe））と、さまざまなハードウェアやオペレーティング・システム（たとえば、Microsoft Windows、Linux）とを管理することで、互換性の問題解決を支援します。
• キャッシュ管理：すべてのオプションで標準搭載されているわけではありませんが、内蔵キャッシュ・メモリーは、ストレージ・コントローラー間で一般的な機能です。動的自動管理を備えた組み込みキャッシュは、頻繁にアクセスされるデータを保存して迅速にアクセスできるようにし、システムが最適化して迅速な応答性を発揮できるようにします。
• 論理ボリューム管理のサポート：論理ボリューム管理（LVM）は、使用可能なシステム・ストレージを効率的にパーティショニング、整理、使用するための重要なテクノロジーです。LVMは、共有ストレージ領域から物理ディスクをボリューム・グループ（VG）にプールすることで、論理ボリュームと呼ばれる柔軟で動的な仮想ストレージ・プールを作成するために使用されます。ストレージ・コントローラーを使用すると、システム管理者はストレージ・ボリュームをリアルタイムで管理およびサイズ変更し、バックアップ・スナップショットを作成し、複数の物理ディスクを統合できるようになります。この統合により、最小限のダウンタイムで最適なストレージ容量を提供する共有可能なプールを実現できます。
• 監視とレポート：ストレージの可用性とパフォーマンスを監視するストレージ・コントローラーは、リアルタイムの監視とスナップショットを提供する上で非常に役立ち、ストレージに接続されたストレージ・デバイスのストレージの正常性、パフォーマンス、容量、運用状況に関する貴重な知見を提供します。この情報を活用すれば、システム管理者は保守を実施し、潜在的な問題を特定して修復して、ダウンタイムや重要なデータ損失を回避するための準備をしっかりと行うことができます。

ストレージ・コントローラーは、インターフェースまたは機能に基づいて、2つのメイン・グループに分類できます。

すべてのストレージ・コントローラーはCPUとストレージ・デバイス間の通信の管理に責任を負いますが、各タイプは独自の目的と環境に特化しています。

インターフェースの互換性を重視して設計されたインターフェースベースのストレージ・コントローラーには、次のものがあります。

• SATA（AHCI）コントローラー：SATA（AHCI）コントローラーは、SATA HDDやSSDなどのSATAベースのストレージ・デバイスの管理に使用されます。SATA はコスト効率が高く、汎用コンピューティングに適しているため、デスクトップ、ノートPC、ゲーム機器、パーソナル・サーバーなどの消費者向けシステムで使用される一般的なインターフェースです。ストレージの需要が少なく、高速データ転送の必要性が低い家庭や中小企業環境では多くの場合、SATAストレージおよびSATAストレージ・コントローラーを使用します。
• SASコントローラー：SAS コントローラーは、シリアルアタッチドSCSI（SAS）HDDおよびSSDで使用されます。高性能コンピューティングのタスクに使用されるSASは、SATAよりも高い転送速度に対応します。SASコントローラーはSATAデバイスと互換性があることも多く、より柔軟でより多くのオプションを選べるストレージ構成を実現します。このタイプのコントローラーとデバイスはエンタープライズ・レベルの環境でよく見られます。これらは、信頼性が高く高速なデータ転送が極めて重要である場合に、大規模データベースや複雑な仮想化タスクに使用されます。

SASコントローラーは、複数のストレージ・デバイスをデイジーチェーン接続するのにも適しているため、スケーラブルなソリューションを重視する運用に適しています。このような状況では、SASエキスパートと呼ばれるハードウェア・コンポーネントを使用して、システムのホスト・バス・アダプター（HBA）が受け入れられるSASまたはSATAディスク・ドライブの数を増やすことができます。

機能ベースのコントローラーは、インターフェース・プロトコルと意図した機能に基づいてストレージ・デバイスに対応するように設計されています。その例を一部紹介します。

• RAIDコントローラー：RAIDストレージ・テクノロジーは、複数のストレージ・ドライブを単一のストレージ・プールに統合して、パフォーマンスと冗長性を向上させます。RAIDは、ストライピング（データをより小さな部分に分割することで複数のドライブで高速に同時書き込みを行う）やミラーリング（冗長性のためにデータを複製する）などの技術を通じて、ドライブの障害に対する保護手段を提供し、データ・スループットを向上させます。RAIDコントローラーは、RAID 0、RAID 1、RAID 5から最大RAID 60などの複数のRAIDレベルをサポートするように設計されており、それぞれがさまざまなレベルとパフォーマンスおよび冗長性の組み合わせを提供します。
• ストレージ・アレイ コントローラー：ディスク・アレイ・コントローラーは、信頼性の高い冗長性を備えた高速で可用性の高いデータ転送を必要とするハイエンド・システム向けに設計された、膨大なディスク・アレイを管理するために使用されます。このタイプのコントローラーを使用するディスク・アレイ・システムには、機能と信頼性を向上させるために、複数のコントローラーが搭載されている場合があります。