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論題(和文)

プライマリ・バックアップ構成を有効利用したストレージシステムの省電力化手法の提案

Title(English)

An Energy Reduction Method for Disk Storage Systems Utilizing thePrimary-Backup Configuration

著者(和文)

引田諭之, 横田治夫

Authors(English)

Satoshi Hikida, Haruo Yokota

出典(和文)

DEIM Forum 2010 E6-4, , ,Citation(English)

DEIM Forum 2010 E6-4, , ,

発行日 / Pub. date2010, 3

Powered by T2R2 (Science Tokyo Research Repository)DEIM Forum 2010 E6-4

プライマリ・バックアップ構成を有効利用したストレージシステムの省電力化手法の提案
引田 諭之†

横田 治夫††,†† 東京工業大学大学院情報理工学研究科計算工学専攻 〒 152–8552 東京都目黒区大岡山 2–12–1†† 東京工業大学学術国際情報センター 〒 152–8550 東京都目黒区大岡山 2–12–1
E-mail: †hikida@de.cs.titech.ac.jp, ††, †yokota@cs.titech.ac.jp
あらまし

近年における情報量の爆発的な増加に伴い，ストレージシステムにおける消費電力量の増加が大きな問題となっている．本研究では，ストレージシステムにおいてキャッシュメモリとディスクドライブの双方でプライマリ・バックアップ構成をとりデータ配置を工夫することによって，高信頼で優れた省電力効果を実現する手法を提案する．
手法の有効性を検証するために消費電力量を概算する理論式を構築し，その効果の見積もりを行う．
キーワード

省電力，ストレージ，ディスクドライブ

An Energy Reduction Method for Disk Storage Systems
Utilizing the Primary-Backup Conﬁguration
Satoshi HIKIDA† and Haruo YOKOTA††,†† Department of Computer Science, Graduate School of Information Science and Engineering,Tokyo Institute of Technology 2–12–1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo 152–8552, Japan†† Global Scientiﬁc Information and Computing Center, Tokyo Institute of Technology
2–12–1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo 152–8550, JapanE-mail: †hikida@de.cs.titech.ac.jp, ††, †yokota@cs.titech.ac.jp
Abstract The power consumption of disk storage systems in a data center is now a big problem corresponding to the information explosion in recent years. In this paper, we propose a method for reducing the power consumption of the storage
systems with keeping the reliability of data by utilizing the primary-backup conﬁguration. To verify the eﬀectiveness of theproposed method, we developed formulas calculating power consumption of the storage system roughly. The estimation resultswith varying the parameters indicate that the proposed method is eﬀective.
Key words Energy saving, Storage, Disk drive

1. は じ め にに今後は SNS(Social Networking Services) や SaaS(Software as aService)，クラウドコンピューティングなどのインターネット技

近年のデータセンターでは消費電力量が重要な問題となって術を利用した新しい情報基盤の登場や，昨今の企業のコンプラいる．杉浦 [6] の報告によると，2000 年から 2006 年にかけてイアンス上の問題などにより，記録すべきデータ，保持すべきの全米におけるデータセンターの消費電力量は約 28 億 kWh

データが急増してきており，ストレージに対する省電力化は重から約 61 億 kWh と，6 年間でおよそ 2 倍となっており，年率要な課題である．

19%で増加している．また，2006 年における消費電力量の内訳

このような状況から，従来よりストレージの省電力化についでは，IT 機器（サーバー，ネットワーク機器，ストレージ）のては様々な研究がなされてきた．しかし，それらは主に省電力占める割合は 47%であり，今後も増加が見込まれる．このよう化と性能の維持にのみ着目したものが多く，ストレージの重要な状況から，IT 機器に対する省電力化は重大な課題となってな要素である信頼性についてはあまり考慮していなかった．そいる．

こで，本研究ではストレージの信頼性の確保にも着目した新しIT 機器のうちストレージの消費電力量も増加しており，2000年から 2006 年にかけては約 3 倍の増加となっている [6]．さらい省電力化手法を提案する．
この提案手法ではキャッシュメモリとディスクドライブの双方でプライマリデータとバックアップデータを保持する構成をとる．そしてデータ配置やディスクアクセスの制御などを工夫することによりストレージの省電力化を実現する．
本論文の構成は以下の通りである．2. ではディスクドライブの動作のモデルと消費電力の概要を説明する．3. では提案手法の構成について詳細な説明を行い，4. では消費電力量を見積もるための概算式を示し，パラメータを変更することにより様々な状況での消費電力削減率を見積もる．5. では関連研究について述べ，6. でまとめと今後の課題について述べる．

図1

ディスクドライブの状態遷移図

2. ディスクドライブの動作モデル
ドルモーターで，ディスクの回転を停止させるとき（アクティディスクドライブは様々な部品から構成されており，部品によって消費される電力は異なる．以下ではディスクドライブを構成する部品のうち，消費電力に影響を与えるものに着目し，ディスクドライブの動作を状態遷移の観点から述べて，ディスクドライブの振る舞いとその消費電力について述べる．

2. 1 ディスクドライブの構成
ディスクドライブを構成する主要な部品は，データを記録するディスク（またはプラッター）と呼ばれる円盤と，データの読み取り/ 書き込みを行うヘッドを搭載したアーム，モーター駆動によりプラッターを回転させるスピンドル等がある．ディスクドライブはこれらの機械部品と，それらの動作を制御するコントローラー等の電子部品とから構成されている．

2. 2 ディスクドライブの状態遷移
ディスクドライブには大きく分けて以下の３つの状態がある [3] [5]．

•アクティブ（Active）状態

ディスクドライブが入出力処理を行っている状態であり，スピンドルモーターは最高回転数で回転しており，ヘッドはディスク上に存在し，データ転送を行っている． 消費電力量（Pread および Pwrite ）は他の状態に比べ一番大きい．

•アイドル（Idle）状態

ディスクドライブは入出力処理は行っていないが，スピンドルモーターは最高回転数で回転中であり，入出力要求に対して迅ブ状態からスタンバイ状態への遷移時）と，回転を開始させるとき（スタンバイ状態からアイドル状態への遷移時）に，非常に大きいエネルギー（アクティブ状態時よりも大きなエネルギー）を消費する．
各状態および状態遷移で消費電力量を比べてみると，一番大きいのはディスクが回転を開始する時，すなわちスタンバイ状態→アイドル状態への遷移時である．次に大きいのはアクティブ状態で，さらにアイドル状態，スタンバイ状態の順となる．
ディスクドライブの振る舞いから考えると，消費エネルギーを削減するためには長期間に渡るスタンバイ状態をつくることが重要である．ただし，ディスクの回転を停止させる為に無闇にスピンダウンを行うと，もしディスクアクセスが発生した場合はディスクのスピンアップが必要となり，スピンアップに伴うエネルギー損失が非常に大きいため，消費電力量はかえって従来よりも大きくなってしまう恐れもある．
そこで，ディスクのスピンダウンはどのような基準で行うべきかを判断するためにブレイクイーブン時間（break-even time）というものが用いられる．ブレイクイーブン時間とは，アイドル状態に対し，スタンバイ状態で節約できるエネルギーと，スピンアップとスピンダウンとで消費されるエネルギーの合計が等しくなる時間のことをいう．もしスタンバイ状態の期間がこのブレイクイーブン時間よりも長い場合，その分だけ省電力効果がある．

速に対応出来る状態である．ヘッドはディスク上に存在している．消費電力量（Pidle ）はアクティブ状態よりは低いが，スタンバイ状態よりも大きい．

•スタンバイ（Standby）状態

ディスクドライブは入出力処理を行っておらず，スピンドルモーターも停止しており，ヘッドはランプと呼ばれるプラッター外の機構に退避している状態である．消費電力（P standby ）は３状態の中で一番小さいが，入出力要求の発生時には一時的にだが

3. 提案手法について
3. 1 構成

2. 3 で述べた要求を満たすための手法として，本論文ではキャッシュメモリとディスクドライブでプライマリ・バックアップ構成をとり，データ配置を工夫することで省電力化と信頼性の確保を実現する手法を提案する．
本提案手法は以下の要素から構成される（図 2）．

アクティブ状態よりも大きな電力（ Ptran ）を消費する．また，•キャッシュメモリ

スピンドルモーターが最高回転数で回転するまでの時間および•データディスクヘッドがランプからディスク上に移動した後にデータをシーク•キャッシュディスクするため，時間的な損失も大きい．
ディスクドライブは図 1 に示すように，各状態間を遷移する．

2. 3 ディスクドライブの消費エネルギー
ディスクドライブの消費エネルギーは，スピンドルモーターと装置電源がほとんどを占めている [1]．特に大きいのがスピン

3. 1. 1 キャッシュメモリ
本提案手法ではキャッシュメモリは揮発性の記憶媒体であることを前提としているため，ノードの故障が発生した場合にはキャッシュメモリ上のデータが消失してしまう恐れがある．こPrimary Cache Layer

CPj

CPj+1

CBj-1

CBj

Backup Cache Layer

P1Bm

䞉䞉䞉

䞉䞉䞉

PiBi-1

Pi+1Bi䞉䞉䞉Pm
Bm-1

䞉䞉䞉䞉䞉䞉m
Data DisksnCache Disks

図2PiBi-1

提案手法の全体構成

Pi+1Bi

図 3 構成例 Ncu = 1の問題に対応するためにキャッシュメモリ上のデータに冗長性を持たせる．
具体的には，キャッシュ単位毎にプライマリのデータを保持す

CPi

CPi+1

CPi+2

CPi+3

CBi-3

CBi-2

CBi-1

CBi

るプライマリ層と，バックアップデータを保持するバックアッ䞉䞉䞉

プ層を構成する．あるキャッシュ単位のプライマリ層に書き込

䞉䞉䞉Pi
Bi-1

まれたデータは，別のキャッシュ単位のバックアップ層にバッPi+1
Bi

Pi+2Bi+1Pi+3Bi+2クアップデータを書き込む．ただし，それぞれのキャッシュ単
図 4 構成例 Ncu = 2位は物理的に異なるノードで構成され，各ノードで個別の電源を有し UPS 等の断電対策が施されているものとする．このプ
ライマリ・バックアップ構成は Chained Declustering [4] という抑制する効果があまり期待出来ない．そのため，キャッシュメ手法に基づいたデータ配置方法である．

モリよりも容量が格段に多い少数のディスクドライブを読み出

また，キャッシュメモリの効果はキャッシュサイズに依存するし処理専用のキャッシュとして用いることにより，データディと考えられる．そのため，本提案手法では複数のノードでメモスクへのアクセス頻度を低く抑える．キャッシュディスクを用リを共有する構成を考える．メモリを共有するノード数を一ついる手法は MAID [1] で提案されている．の単位としてデータの管理方法を考えるため，この単位のこと

3. 2 動をキャッシュ単位と呼び，キャッシュ単位を構成するノード数

3. 2. 1 書き込み処理を Ncu で表す．

書き込み時は，キャッシュメモリ，データディスク，キャッシュNcu = 1 では，メモリとノードは 1 対 1 で対応しているので，これを単純構成（図 3）と呼び，Ncu >= 2 では複数のノードでメモリを共有するのでこれを複数構成（図 4）と呼ぶ．
複数構成では，キャッシュメモリを複数ノードで共有するため，単純構成よりも大きい容量のメモリバッファを柔軟に利用

作

ディスクの順に処理を行う．
書き込みデータを dw とする．dw を格納しているディスクが所属しているキャッシュ単位のプライマリ層に dw を書き込む．
それと同時に別のキャッシュ単位を構成しているバックアップ層に dw のコピーデータを書き込む．

できる．例えば，アクセス頻度が極端に多いノードと，アクセ

もしバッファが閾値を超えた場合は，データディスクに実際ス頻度が極端に少ないノードでキャッシュ単位を構成すれば，に書き込み処理を行う．このとき，バッファ中で一番多くデー

ほとんどのデータはアクセス頻度の多いディスクのものなので，タをキャッシュしているデータディスクを処理対象とする．該

２ノード分のメモリバッファを実質 1 台のノードで使用してい当データディスクが回転中の場合，そのままキャッシュデータるように振る舞う．メモリバッファの効率はその容量に大きくを書き込む．もし該当データディスクが停止中であれば，デー依存するため，このような組み合わせでは優れたキャッシュ効

タディスクをスピンアップし，その後でキャッシュデータを書果が期待できる．

き込む．データディスクに書き込む際，もし書き込みデータが3. 1. 2 データディスク

ディスクのプライマリデータであれば，同一ディスクに格納す実際のデータを保持するディスクドライブ群である．ディスるべきバックアップデータをキャッシュしているキャッシュ単位クアクセスが，ある一定の閾値時間を超えて発生しなかった場からそのデータも同時にデータディスクに書き込む．こうする

合，そのディスクドライブの回転を停止させ，スタンバイ状態ことでプライマリデータの書き込みとバックアップデータの書とする．スタンバイ状態を長く維持し続けられれば，それだけき込みが異なるタイミングで発生することを防ぎ，無駄なディ消費電力の削減に寄与する．また，ディスクドライブでも信頼スクアクセスを低減させてディスクのスピンアップに伴う大き性の確保のためにプライマリ・バックアップ構成をとる．

なエネルギー消費を抑制することができる．

3. 1. 3 キャッシュディスク

データディスクに書き込んだデータはそのままキャッシュディデータをキャッシュするためのディスクドライブ群である．

スクにコピーする．その理由は，次回同じデータに対する読みキャッシュメモリでは大規模データを扱うディスクストレージ出し要求が発生した場合に，データディスクへのアクセスを抑群に対してはキャッシュ効果が限られてしまう．特に大量の読制させるためである．

み込み要求が発生する負荷においてはディスクアクセス頻度を3. 2. 2 読み出し処理せるために，読み出したデータおよびデータディスクに書き込

キャッシュメモリは主に書き込みデータに対するバッファとんだデータをキャッシュディスクに書き込む．

して用いているため，読み出し要求に対するプリフェッチとし3. 3 提案手法の拡張ての働きは少ない．そのため，書き込みバッファとして用いて回転数（RPM）を負荷に応じて動的に変更出来るディスクがいると読み出し時のキャッシュヒット率は著しく低下してしま研究されている [3]．これはディスクアクセスが無く，アクティい，該当データディスクへのアクセスが多くなってしまう．デー

ブ状態からスタンバイ状態に遷移する際，ディスクの回転を停タディスクへのアクセスが多くなるとデータディスクが回転を止させる変わりに低速な回転数で回転させることにより省電停止させるための閾値時間の確保が困難になってしまったり，力化を実現する技術である．回転を停止させないため，従来のデータディスクのスピンアップが頻繁に発生してしまい，省電ディスクに比べたらスタンバイ時の消費電力（ P standby ）は大き力効果が期待できず，最悪の場合は通常の運用時よりも大きなくなるが，ディスクアクセスが発生した時にスピンアップさせエネルギーを消費してしまう可能性がある．

ることによって生じる高い消費電力（Ptran ）を大幅に削減でき，

そこで，本提案手法では MAID [1] と同様のアプローチをとり，読み出し要求に対するキャッシュとして少数のディスクを場合によっては回転を停止させる方法よりも高い省電力効果をもたらす．

用意する．これらのディスクはキャッシュディスクと呼び，常さらに最高回転数に到達するまでの時間も従来のディスクよにアクティブ状態を維持し続け回転が停止することはない．しりも短いため，応答時間の損失も少なく済むという利点がある．

かし，本提案手法ではキャッシュディスクにデータを配置する

本提案手法でもこのような低速回転ディスクを採用することはステージング方法が MAID とは異なる．

容易である．

読み出し要求に対する処理としては，まずキャッシュメモリまた，ストレージの信頼性をより高めるために，データの冗に該当データがあるかを確認し，あればキャッシュメモリから長性を多重化する構成も考えられる．キャッシュ単位毎にプラ読み出す．もしキャッシュメモリに存在しなければ次にキャッイマリデータとバックアップデータをもつ場合は二重化構成だ

シュディスクを確認し，キャッシュディスク中に該当データがが，このバックアップが他の 1 つのキャッシュ単位のものでは存在すればそこから読み出す．

なく，他の複数のキャッシュ単位に対するバックアップを持つ

キャッシュディスク中にデータが存在しない場合は，データディスクにアクセスする．該当データはプライマリディスクとバックアップディスクのどちらかから読み出せばよいので，各ディスクが回転中かどうかをまずは確認する．どちらか一方のことにより，三重化やそれ以上の多重化も構成でき，より信頼性の高いストレージを実現できる．

4. 消費電力量の概算

みが回転中の場合，そちらのディスクからデータを読み出す．

本提案手法では，3. で述べたようにキャッシュメモリ，デー両方とも回転中の場合，メモリバッファのキューが長い方のディタディスク，キャッシュディスクで構成されている．消費電力

スクから読み出す．

量の概算式は，データディスクでの消費電力，キャッシュディ両方とも停止中だった場合，まず両ディスクの回転停止時間を調べ，ブレイクイーブン時間を超えているかどうかを確認す

スクでの消費電力をそれぞれ構築し，その合計が本提案手法における総消費電力量とする．

る．もし一方のディスクのみが超えていた場合，そちらのディ以下ではデータディスク，キャッシュディスクにおける消費スクをスピンアップさせる．両ディスクともにブレイクイーブ電力量の概算式を示し，その次に本提案手法を用いない従来方ン時間を超えて停止していた場合，それぞれの回転停止時間の式における消費電力量の概算式を示す．概算式で用いる記号と長さを確認する．回転停止時間が異なる場合は，停止時間の長

その意味は表 1 に示す．

かった方のディスクをスピンアップさせる．停止時間が両ディ4. 1 提案手法における概算式

スクで同じだった場合，メモリバッファのキューが長い方のディ4. 1. 1 データディスク

スクを調べ，そちらのディスクをスピンアップさせる．

まず書き込み処理時について考える．書き込み要求頻度をデータを読み出した後は，対応するメモリバッファのデータfw ，バッファ書き込み可能率を bw とすると，データディスクをディスクに書き込む（プライマリ層，バックアップ層の両方の総数 m に対して mbw fw のディスクはメモリバッファまでのから）．この時点でメモリバッファ上のデータを書き込むこと

アクセスのためディスクアクセスは発生しない．このとき，によってメモリバッファの容量に余裕が出来るため，次の書きrd の割合でディスクが回転中だとすると，回転中のディスク込み要求時にディスクアクセスが発生する頻度を低減させるこの割合は mrd で，停止は (1 − rd )m となる．このときのデーとが可能となる．さらに，異なるキャッシュ単位のキャッシュメ

タディスクの消費電力量は mbw fw (rd Pidle + (1 − rd )P standby ) とな

モリ上に格納されているプライマリ層とバックアップ層のデーる．また，メモリバッファのキューが閾値を超えていた場合，タを同期して書き込むことで，プライマリ層とバックアップ層データディスクに直接書き込むため，その時の消費電力量はのデータがそれぞれ異なるタイミングでメモリバッファの閾値m fw (1 − bw )(rd Pwrite + (1 − rd )(Pwrite + Ptran )) となる．

を超えた場合に比べ，ディスクのスピンアップ頻度を低減させることができる．
その後，読み出し要求に対するキャッシュヒット率を向上さ

次に読み込み処理時について考える．読み込み要求頻度を fr ，メモリキャッシュのヒット率を hc ，キャッシュディスクのヒット率を hd とすると，データディスクにアクセスが無い時の消費表1

概算式で用いる記号とその説明

これらより，キャッシュディスクの消費電力の合計は以下の式となる．

記号

説明n

キャッシュディスク数m

データディスク数

P standby

スタンバイ状態時のディスク消費電力

Pidle

アイドル状態時のディスク消費電力

PcacheDisk = n(hc fr +(1− fr ))Pidle+ fr n(1−hc )hd Pread+ fr n(1−hc )(1−hd )Pwrite

Ptran

スタンバイ状態からアイドル状態へ遷移する際の消費電力

Pread

アクティブ状態（read）時のディスク消費電力

Pwrite

アクティブ状態（write）時のディスク消費電力

PdataDisk

データディスク全体の消費電力
従来方式のストレージ全体の消費電力

hc

読み出しアクセスに対するキャッシュメモリのヒット率

hd

読み出しアクセスに対するキャッシュディスクのヒット率bw

メモリバッファに対する書き込み可能率Ptotal = PdataDisk + PcacheDisk

13Pwrite

13Pidle9.3

P standby

0.8

Ptran

24

4. 1. 4 従 来 方 式
用いないため消費電力の概算式は次のようになる．

Pnormal = fr mPread + fw mPwrite + m(1 − ( fr + fw ))Pidle

表 2 ディスクドライブの各状態における消費電力量
値 [Watt](3)

提案手法を用いない従来の方式では，キャッシュディスクはディスクアクセス時にディスクが回転している確率

記号4. 1. 3 提案手法における総消費電力できる．

キャッシュディスク全体の消費電力

PnormalPread+ fw n(1−bw )Pwrite

本提案手法における総消費電力量 Ptotal は以下のように概算

PcacheDiskrd(2)(4)

4. 2 MAID における概算式
提案手法との消費電力量削減率を比較するために，MAID に関しても同様に消費電力量の概算式を構築する．

4. 2. 1 データディスク（MAID）
MAID では，書き込み/読み出し処理の両方でキャッシュディスクを用いているため，キャッシュヒット率は hd のみを用いる．

電力は m(1 − hc )hd fr (rd Pidle + (1 − rd )P standby ) となる．また，メデータディスクに対してアクセスが発生しなかった場合の消費電

モリ，キャッシュディスクの両方でキャッシュヒットミスした場

力量は m(hd fr +hd fw +(1−( fr + fw )))(rd Pidle +(1−rd )P standby ) であり，合，直接データディスクから読み出すため，その時の消費電力データディスクに対して読み出しアクセスが発生している場合はは fr m(1 − hc )(1 − hd )(rd Pread + (1 − rd )(Pread + Ptran )) となる．

m fr (1−hd )(rd Pread +(1−rd )(Pread + Ptran )) となり，書き込みアクセ

従って，データディスクの消費電力の合計は以下の式で表せる．

スが発生している場合は m fw (1−hd )(rd Pwrite +(1−rd )(Pwrite +Ptran ))となる．したがって，MAID におけるデータディスクの消費電力合計は以下の式となる．

PdataDisk =m(hc fr +(1−hc )hd fr +bw fw +(1−( fr + fw )))(rd Pidle +(1−rd )P standby )+ fr m(1 − hc )(1 − hd )(rd Pread + (1 − rd )(Pread + Ptran ))+ fw m(1 − bw )(rd Pwrite + (1 − rd )(Pwrite + Ptran ))(1)

PdataDisk(MAID) =m(hd fr + hd fw + (1 − ( fr + fw )))(rd Pidle + (1 − rd )P standby )+ m fr (1 − hd )(rd Pread + (1 − rd )(Pread + Ptran ))+ m fw (1 − hd )(rd Pwrite + (1 − rd )(Pwrite + Ptran ))4. 1. 2 キャッシュディスク

(5)

キャッシュディスクでは基本的に読み込み処理時において電力消費が発生する．キャッシュディスクの総数を n とすると，キャッシュメモリにヒットした場合および読み出し処理自体が4. 2. 2 キャッシュディスク（MAID）
MAID におけるキャッシュディスクは，読み出し/書き込みの発生しなかった頻度 (1 − fr ) のときはアイドル状態のため，そ両方の要求からアクセスされるため，ディスクがアイドル状態の消費電力は n(hc fr + (1 − fr ))Pidle となる．となるのはアクセスが発生しないときである．そのときの消費

また，キャッシュメモリがヒットミスした場合において，キャッ電力量は n(1 − ( fr + fw ))Pidle であり，ディスクに対するアクセシュディスクではヒットした時の消費電力は fr n(1 − hc )hd Preadスが発生した場合を考慮すると，以下の式となる．となり，キャッシュディスクでもヒットしなかった場合はデーPcacheDisk(MAID) = n(1 − ( fr + fw ))Pidle + n fr hd Pread + n fw Pwrite (6)タディスクからデータを読み出し，さらにそのデータをキャッシュディスクに書き込むため fr n(1 − hc )(1 − hd )Pwrite の消費電力

4. 2. 3 MAID における総消費電力となる．

上記式（5），式（6）より，MAID における総消費電力量

さらに，メモリバッファをオーバーフローしてデータディスクにデータを書き込む際も，該当データはキャッシュディスクに書き込まれるため fw n(1 − bw )Pwrite の消費電力も発生する．

Ptotal(MAID) は以下のように概算できる．
Ptotal(MAID) = PdataDisk(MAID) + PcacheDisk(MAID)(7)

図 5 ディスクキャッシュのヒット率 hd を変化させた場合での消費電力削減率の概算．次のパラメータは固定値としている（hc = 0.5,bw = 0.5, rd = 0.5, fr = 0.8, fw = 0.2）

4. 3 算出式を用いた見積もり
図 5，6 では１つのパラメータに着目し，そのパラメータを変更したときに提案手法と MAID のそれぞれがディスクストレージの消費電力量に与える影響をグラフに表している．
図 7，8 で示しているグラフでは，MAID の概算式では用いていないパラメータについて，同様にそのパラメータを変数として消費電力量の見積もりを行った結果を示している．グラフにおける消費電力削減率は従来方式における消費電力量に対する本提案手法での削減率を表している．グラフ中，高負荷とはアクセス頻度の高い場合を示しており，これはパラメータの fwと fr の合計 F （F = fr + fw ）が 1 として計算している．中負荷は同様に F = 0.5 で，低負荷は F = 0.1 として算出している．
また，ディスクの総数を 100 台と固定し，そのうちキャッシュディスク n の台数を 5 台から 20 台まで変更した場合における消費電力削減率を求めた（データディスク m の台数は 95 台から 80 台）．
概算に用いる各状態や状態遷移時における消費電力量の値は
表 2 に示している．これは Seagate ST3500630AS のディスクド

図6

ディスクアクセス時での回転確率 rd を変化させた場合での消費電力削減率の概算．次のパラメータは固定値としている（hc = 0.5,

hd = 0.5, bw = 0.5, fr = 0.8, fw = 0.2）

ライブのモデルのもので，他の研究 [2] でも用いられている．

4. 4 消費電力量の概算における考察図 5 をみると，キャッシュディスクのヒット率 hd が高くなると MAID の省電力効果は提案手法より若干高くなるが，これは rd を固定して計算しているためで，実際は hd が高くなるとディスクの回転確率 rd は小さくなるため，実運用環境では省電力効果は提案手法の方がより効果的であると予想される．しかし，キャッシュヒット率が高くない場合では，提案手法の方が優れた省電力効果があるといえる．また，図 6 では負荷の程度に関わらず提案手法が MAID よりも省電力効果は高いことが示されている．実際には，rd が上がると hd が下がるので，提案手法の優位性がさらに増すと考えられる．
図 5，図 7，図 8 はデータのキャッシュ率を表しているため，キャッシュ率が高いほど省電力効果は当然高くなる．高負荷時においてはその効果が顕著にあらわれている．また，すべてのグラフにおいて，キャッシュディスクの台数は少ない方が省電力効果は高いことが分かる．現実には総ディスク数に対するキャッシュディスク数の割合はキャッシュヒット率とのトレード

図 7 キャッシュメモリのヒット率 hc を変化させた場合での消費電力

図8

メモリバッファへの書き込み可能率 bw を変化させた場合での消費削減率の概算．次のパラメータは固定値としている（hd = 0.5,電力削減率の概算．次のパラメータは固定値としている（hc = 0.5,bw = 0.5, rd = 0.5, fr = 0.8, fw = 0.2）

hd = 0.5, rd = 0.5, fr = 0.8, fw = 0.2）

オフとして考える必要がある．
また，図 6 においては，その他のパラメータと異なり負荷のの見積もりとその比較をおこなった結果を示している．両手法
において，n=10，m=90， fr =0.7， fw =0.2 を共通の固定値とし状況より省電力効果が変わってくる．高負荷では rd が高いほどており，ディスクの回転確率 rd が 0.1，0.5，0.9 の３パターン

省電力効果は高く，rd が 5% 以下ならば省電力効果は 71.4% 以に対してキャッシュディスクのヒット率 hd を 0.7 から 0.99 まで上となるが，総ディスク数に対するキャッシュディスクの割合0.05 間隔で変化させている．なお，MAID の概算式では用いらが高い場合（10% 以上）には従来方式よりも消費電力量は多くれていないキャッシュメモリのヒット率 hc とメモリバッファのなってしまう．中負荷から低負荷においては逆に rd が高いほど書き込み可能率 bw は，それぞれ hc =0.5，bw = 0.95 として計算

省電力効果が低くなるが，キャッシュディスクの割合が 20% まをおこなった．

であっても省電力効果自体は有効に働く．

図の結果より，rd が同じ場合においては MAID よりも提案手各パラメータのうち，最も省電力化に影響をあたえるのは法の方が電力削減率は高い値を示していることが分かる．さら

ディスクの回転確率 rd であることが分かる．ディスクドライブに，キャッシュディスクのヒット率が高い場合においても提案手における主要な電力消費の機構はスピンドルモーターであるこ法の方が MAID よりも高い電力削減率を維持している．MAIDとから，これは当然の結果といえる．その他のパラメータでは

ではキャッシュディスクのヒット率 hd の変化によって省電力効

hc と hd は省電力に与える影響はほぼ等しい．bw が多少劣るの果が大きな影響を受けているの対し，提案手法では hd が低くは，アクセス頻度の設定によるものと考えられる．今回の概算なったとしてもある程度の省電力効果を得ることが出来ること

では読み込み処理と書き込み処理の比率は 8:2 としている．

がわかる．

4. 5 提案手法と MAID の省電力効果の比較
図 9 では，提案手法と MAID における電力消費量の削減率

[2]
[3]

[4]

[5]
図9

提案手法と MAID との電力量削減率の比較[6]

5. 関 連 研 究
MAID [1] はキャッシュディスクを用いた手法を提案している．
データの局所性があれば非常に良い省電力効果と良い性能維持をもたらすが，データの局所性に依存し過ぎているため局所性のない負荷によってはパフォーマンスが著しく低下してしまうという問題がある．また，MAID では省電力化とパフォーマンスの維持にのみ着目しており，信頼性については考慮されていない．

DRPM [3] はディスクドライブの回転数（RPM）を負荷に応じて動的に変更することにより，省電力化と性能の維持を実現する．しかし技術的な課題も多く，未だに実用化はされていない．

6. まとめおよび今後の課題
本研究では，キャッシュメモリとディスクドライブの双方でプライマリ・バックアップ構成をとることにより，データ配置を有効活用して省電力化，性能の維持，および信頼性の確保を実現する手法の提案を行った．提案手法についてその省電力効果を検証するために，ストレージシステムの消費電力量を見積もる概算式を構築し，様々な状況における消費電力の見積もりを行った．見積もりの結果，アクセス時におけるディスクの回転確率が大きく省電力化には影響していることが確認出来た．
今後の課題としては，シミュレーションによるより詳細な省電力効果の検証を行い，概算式のみでは評価出来なかったパフォーマンスに関して検証を行うことがあげられる．また，メタデータの管理方法についての詳細検討や，本提案手法の信頼性についての定量的な評価を行う必要がある．
さらに，多重化構成にした場合における省電力効果とパフォーマンスへの影響および信頼性の向上についての検証も今後の課題である．

謝辞

本研究の一部は文部科学省科学研究費補助金特定領域研究（#21013017）の助成により行われた．
文

献[1] Dennis Colarelli and Dirk Grunwald. Massive arrays of idle disks forstorage archives. In Supercomputing ’02: Proceedings of the 2002
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