IoTゲートウェイを静的なストレージ障害から保護する：
ロバステル マネージャーを用いた組込みPCにおけるソリッドステートストレージの限界の理解
ホワイトペーパー – エグゼクティブサマリー
ブリーフ
ほとんどの開発者は、IoTゲートウェイ内部に潜むリスクを過小評価している：NANDフラッシュの耐用限界だ。eMMCストレージは耐久性とコスト効率に優れる一方、書き込み/消去サイクルには限界がある。つまり、ソフトウェア設計が不十分だと、意図した耐用年数よりはるかに早く、デバイスが静かに破壊される可能性がある。
このホワイトペーパーでは、ストレージ障害がなぜ大規模に発生しやすいのかを説明し、実環境での耐久性を測定する方法を概説するとともに、ロバステルManagerを紹介します。これはEG5000シリーズゲートウェイに組み込まれた診断ツールであり、フラッシュの劣化が現場での障害となる前に、チームがこれを検知・テスト・軽減するのに役立ちます。
要点は次の通りです：積極的な監視と共感的なソフトウェア設計により、組織はデバイスの寿命を延ばし、保証コストを削減し、信頼性の高いIoT運用を確保できます。
学べる内容
- MLC NANDフラッシュの耐久性限界と、管理されていない書き込みが故障を加速する理由。
- eMMCとSDカードの主な違い、および産業用ゲートウェイがeMMCを採用すべき理由
- LinuxのI/Oスタック、書き込み増幅、およびワークロードパターンがフラッシュの健全性に直接与える影響
- 実用的な戦略 — 過剰プロビジョニング、書き込み最適化、pSLCオプション — によるストレージ寿命の延長。
- ロバステル マネージャーを使用して、摩耗を監視し、負荷テストを実行し、デバイスの寿命を予測する方法。
はじめに
NANDフラッシュは、携帯電話、タブレットPC、電子書籍リーダーなどの現代の民生機器における事実上のストレージ媒体となっている。また、SSD、USBドライブ、SDカード内の大容量ストレージ媒体であり、ロバステル低コスト組み込みコンピュータにも広く採用されている。
NANDフラッシュを使用したロバステルスは、機械的衝撃耐性、高い耐久性を備え、高温・高圧にも耐えられるため、産業用途に最適です。ロバステルのEG5000シリーズエッジゲートウェイなどの産業システムにおけるNANDフラッシュストレージの一般的なフォームファクタは「eMMC」です。
NANDフラッシュは、小型・低消費電力・耐久性に優れることから、広く普及している不揮発性メモリである。この技術は純粋な「ストレージ」用途に適しているが、特にLinuxのようなオペレーティングシステムを実行する複雑なシステムに組み込む際には、多くの重要な特性を考慮する必要がある。
従来のハードディスクドライブと比較して、eMMCは可動部品がないため、振動や揺れのあるシステムに最適です。NANDフラッシュは高速な読み取りアクセス時間も提供し、データ集約型アプリケーションにとって極めて重要です。しかし、NANDフラッシュベースのストレージの主な欠点の一つは、このようなデバイスが耐えられる書き込み/消去サイクルの数が比較的限られていることです。
簡単に言えば、NANDフラッシュデバイスは「摩耗」し、その摩耗速度は使用量に比例する。概念的にはバッテリーに似ているが、eMMCドライブを充電する実用的な方法はない。
多くのシステムインテグレーターや開発者は、MLC NANDフラッシュの「耐久性」制限を認識しておらず、これがIoTデバイス群全体の早期故障を引き起こす可能性があります。したがって、MLC NANDフラッシュを主要ストレージデバイスとして使用する場合（特にLinux OSとアプリケーションソフトウェアをホストするデバイス）には、ソフトウェアの動作を測定し、非協調的なアプリケーションソフトウェア設計に関連する問題を軽減することが極めて重要です。
このホワイトペーパーは、開発者が自身のソフトウェアがeMMC（NANDフラッシュ）ドライブに与える影響を測定する方法を理解し、アプリケーションにおいて早期の「摩耗」リスクが懸念される場合に実施可能な対策について理解を深めることを目的としています。
eMMCとSDカードに関する簡単な補足
非常に低コストな組み込みPCの多くは、主要なストレージ媒体としてSDカードを使用し、重要なOSファイルやアプリケーションファイルをすべて格納する。
SDとeMMCの比較において考慮すべき課題には以下のようなものがある：
基板にはんだ付けされたeMMCチップは、スロット/ホルダーに差し込まれたSDカードよりもはるかに優れた耐振動性を有する
eMMCチップは製品から容易に取り外せないため、より優れたサイバーセキュリティ上の利点を持つ
eMMCチップと基板（PCB）の間の狭いクリアランスは、不要なインダクタンスと信号歪みを低減し、SDカードよりも高いデータ転送速度を実現する傾向がある。
SDカードに関するもう一つの懸念は、市場に流通する偽造品の多さであり、これらは時には正規品に混入することさえある。eMMCパッケージ内の部品は追跡がはるかに容易であり、偽造製品事業に組み込まれる可能性も低い。
ロバステル製品ロバステル主要OSにeMMCチップのみを使用していますが、一部の製品では低コストの大容量ストレージとしてSDカードに対応しています。
第1章：物理層における「摩耗」の理解
フラッシュメモリは、フィードバックループ内に配置された論理ゲートの独特な配列で構成されており、これらの論理ゲートはトランジスタで形成されている。 トランジスタは全て一つのシリコン基板上に集積され、エッチングと添加剤による層処理を施すことで、設計パターンと部品形成に必要な電気的特性を創出する。この一枚のデバイスは集積回路（IC）として知られる。このIC製造プロセスは、他の種類のメモリ、CPU、コントローラ、グラフィックプロセッサなど他の応用分野と同様である。
フラッシュメモリは摩耗する。他のIC部品とは異なり、過熱や電気的サージなど特定の部分に損傷を与える事象が発生しない限り、実質的に摩耗することはない。フラッシュの摩耗は、設計上の固有の要件によるものである。すなわち「消去プロセスでは、フラッシュセルに比較的大きな電荷の電気エネルギーが加えられる」ためである。 フラッシュドライブは、磁気ディスクのように単純にデータバイトを上書きできません。代わりに、新しいデータを書き込むためには、磁気ディスクのセクタに類似したブロック単位で全体を消去する必要があります。ブロックが消去されるたびに、この大きな電荷がシリコン材料を微量に劣化させ、十分な書き込み・消去サイクルを経ると、フラッシュセルの電気的特性が崩壊し始め、そのセルは信頼性を失います。
設計上、NANDフラッシュメモリはコストや耐久性など多くの優れた特性を有しますが、その代償としてブロックごとの寿命が有限です。したがって、アプリケーション開発者はチップを配慮して使用することで、利用可能なリソースを保護しなければなりません。
第2章：ホストシステムからの「摩耗」の測定
ここからが少し複雑になってくる。
LinuxのI/Oスタックは、ユーザ空間からハードウェアへの読み書き性能を最適化するために連携して動作する複雑なサブシステムの集合体である。どのユーザーレベル書き込みがフラッシュメモリに到達するか、またその仕組みは必ずしも明確ではない。
NANDフラッシュデバイス（eMMCまたはSSD）には、フラッシュへの書き込みのタイミングと方法を最適化することでデバイスの寿命を延ばすように構成された独自のコントローラが内蔵されています。
Linux OS内部には、何がどこで起きているかを明らかにするのに役立つツールがいくつか存在します。本章を読み進める前に留意すべき点として、複雑な問題に対してコードがI/Oスタックをどのように通過するかを正確に特定しようとする試みは、最も効率的な解決策ではない可能性があるため、一部の読者は検討する価値があるでしょう。
この章の残りの部分は参考情報としてお読みください。以降の章では、Linux I/Oの専門家にならなくてもリスク管理に役立つ、より実践的な現実世界の解決策を重点的に紹介します！
Linuxの分析に役立つ可能性のある関数の例をいくつか挙げます：
iostat
iostatコマンドは、デバイスの平均転送レートに対するアクティブ時間を監視することで、システム入出力デバイスの負荷を監視するために使用されます。iostatコマンドは、物理ディスク（例：eMMCフラッシュ）の入出力負荷をより深く理解するためにシステム構成を変更する際に活用できるレポートを生成します。
iotop
iotopは一般的なLinuxコマンドです。ディスク入出力（I/O）用の「top」に似たユーティリティです。このコマンドを使用すると、Linuxカーネルが出力するI/O使用状況情報を確認できます。Linuxシステム上のLinuxプロセスまたはスレッドによる現在のI/O使用状況をテーブル形式で表示します。
blktrace & blkparse
blktraceは特に有用であり、ブロックI/Oレイヤー内部からのレイヤーごとの情報を提供する。正しく使用すれば、全てのI/Oリクエストに対するイベントを生成し、その発生源から監視することが可能となる。カーネルからデータを抽出するが、分析ツールではなく、データの解釈は複雑になり得る。開発者はblktraceの出力をbttやblkparseなどのツールに入力し、分析を実行できる。
第3章：ドライブレベルでの「摩耗」の測定
eMMCストレージデバイスは、NANDフラッシュチップと「デバイスコントローラ」で構成される。コントローラはデバイスの心臓部であり、I/Oの読み書きを最適化することで、現代のオペレーティングシステム使用時に性能と耐久性が最適となるよう設計されている。
コントローラの主な機能には、ブロック管理、ガベージコレクション、エラー制御、およびウェアレベリングが含まれます。読者は、NANDフラッシュ管理を完全に理解するために、これらのトピックをさらに調査することが有益であるかもしれません。
1）JEDEC v5.0で導入されたJEDEC標準のヘルスレポートは、推定残存寿命を10%刻みで表示するが、精度は高くない。デバイス摩耗の大まかな近似値を得るための運用中のツールとしては有用だが、フラッシュメモリの早期劣化に伴うリスクを完全に理解・評価する導入前診断ツールとしてはあまり適していない。
2）eMMCデバイスには、ブロック消去回数や増加した不良クロックカウントなど、有用なリアルタイムデータを示すベンダー固有のレジスタが含まれています。
ベンダーごとに異なる可能性があるため、デバイスコントローラーの問い合わせ方法を正確に把握するには多少の時間を要する場合があります。明示的なコマンドはユーザーガイドに記載されていない場合や、NDA（秘密保持契約）下でのみ利用可能な場合があります。
Linuxのmmc-utilsツールはこの話の一部です。これは一般的に、LinuxからeMMCデバイスを問い合わせて以下のことを達成するために使用されます：
- eMMCの書き込み保護状態を設定します。
- 汎用パーティションを作成します。
- eMMCのハードウェアリセット機能を恒久的に有効/無効にします。
- CSD（カード固有データ）情報を印刷および解析する。
- extCSD（拡張カード固有データ）情報を印刷および解析する。
上記のリストの最後の2項目は、eMMCチップから情報（特にデバイスの健全性に関する情報）を印刷/読み取る方法の概要を示す点で、本論文に最も関連性が高い。
このテーマに関する最も詳細な情報に関心のある読者は、選択したNANDフラッシュベースのデバイスについて、製造元または製造元のドキュメントを参照し、どのような健康状態関連データが含まれているか、またそのデータにアクセスする方法を理解する必要があります。「CMD56」は、この情報を取得するために一般的に使用される汎用コマンドです。
上記の不確実性と複雑性のため、ロバステル 「Flash Manager」アプリケーションロバステル 。これは全EG5000シリーズゲートウェイ上で動作し、お客様がeMMC関連の有用な健康状態情報を容易に取得できるようにします。詳細は第6章で説明します。
上記の不確実性と複雑性のため、ロバステル 「Flash Manager」アプリケーションロバステル 。これは全EG5000シリーズゲートウェイ上で動作し、お客様がeMMC関連の有用な健康状態情報を容易に取得できるようにします。詳細は第6章で説明します。
第4章：NANDフラッシュの摩耗／耐用年数に関する方程式
推定デバイス寿命の粗い近似値として、TBW（総書き込みバイト数）が有用である。支配式は以下の通り：
TBW = DC × EF ÷ WAF
場所：
DC = デバイス容量（バイト単位）
EF = 耐久性係数 =最大プログラム/消去サイクル数（フラッシュの種類によって定義される –ロバステル で使用される一般的なMLC NANDフラッシュでは3000）
WAF = 書き込み増幅率（アプリケーション／設定固有）
上記の簡単な分析から、フラッシュデバイスのTBW（総書き込み容量）または「耐久性」を最大限に高めるには、DCとEFを大きくし、WAFを小さくすべきであることがわかります。次に、これらの概念の詳細と、最大耐久性を達成する方法について説明します。
- DC = デバイス容量
これは単純な概念です。eMMCは通常、1GB、2GB、4GBなどのサイズで出荷されます。
OSやアプリケーションが必要とする容量よりも大幅に余剰容量を持つデバイスを選択することは、高い耐久性を実現する簡単な方法です。これは「オーバープロビジョニング」として知られています。
- EF = 耐久係数
図1.1は、P/Eサイクルと記された行にこの値の典型例を示している。主流のeMMCデバイスの大半は、耐書き換え回数（EF）が3000の「MLC」NANDフラッシュを採用している。
SLC NANDフラッシュデバイスに変更することで、SLCの10万回のP/Eサイクルにより耐久性が大幅かつ直接的に向上する可能性はあるが、コスト面から低コスト・大量生産のIoTデバイスでは一般的に採用されていない。
すべてのフラッシュタイプの中で最も高い「ビットあたりのコスト」を持つSLCは、通常、軍事、航空宇宙、エンタープライズITなどの高重要度アプリケーションでのみ使用されます。
製品設計者にとっての選択肢は単純である——高価なSLCを使用して耐久性を高めるか、MLC NANDフラッシュの応用を賢く行うかだ。ほとんどの民生用／産業用アプリケーションでは後者の原則が適用されている。
- WAF = 書き込み増幅率
このホワイトペーパー全体とその目的は、この重要な概念を軸に展開している。
アプリケーションソフトウェアのWAFを理解し、その後削減することは、耐久性を向上させる最も安価な方法であるが、これは単純な概念ではない。
書き込み増幅（WA）は、フラッシュメモリやソリッドステートドライブ（SSD）に起因する望ましくない現象であり、ストレージメディアに物理的に書き込まれる情報の実際の量が、書き込まれることを意図した論理的な量の倍数となる。
フラッシュメモリは書き換え前に消去が必要であり、消去操作の粒度は書き込み操作に比べてはるかに粗いため、これらの操作を実行するプロセスではユーザーデータとメタデータを複数回移動（または書き換え）することになる。 したがって、一部のデータを書き換えるには、既に使用済みのフラッシュ領域を読み取り、更新し、新しい場所に書き込む必要があります。さらに、その新しい場所が以前に使用されていた場合は、最初にその場所を消去しなければなりません。フラッシュの動作特性上、実際に必要な新規データ量よりもはるかに大きな領域を消去・書き換えなければなりません。この乗数効果により、SSDの寿命にわたって必要な書き込み回数が増加し、信頼性のある動作期間が短縮されます。 書き込み増加はフラッシュメモリへの帯域幅も消費し、SSDへの書き込み性能を低下させます。SSDのWA（書き込みアクティビティ）には多くの要因が影響し、ユーザーが制御可能な要素もあれば、SSDへの書き込みデータや使用状況に直接起因する要素もあります。
上記は、この主題に関するウィキペディアの優れた記事の冒頭部分です。参照：http://en.wikipedia.org/wiki/Write_amplification
読者の皆様には、本記事、特に「価値に影響を与える要因」と題されたセクションを時間をかけてお読みいただくことをお勧めします。このセクションには、開発者がWAFを低減し、ひいてはeMMCの耐久性を向上させるために検討できる詳細な概念が記載されています。
アプリケーション開発者がソフトウェアの最適化を試みる最も簡単な方法の一つは、ディスク書き込みを短くランダムなものではなく、大きく連続的なものにするよう促すことです。これにより、WAF（書き込みアクセス率）を典型的な4～8の範囲に保つことができ、WAFが著しく高くなる可能性のある一部のアプリケーションとは対照的です。
WAFが20という非常に悪い値を想定してシステムを開発すると有用です。計算結果からNANDフラッシュデバイスの耐用年数がプロジェクトの寿命期間に十分であると示された場合、結果は良好であるとかなり確信できます。
第5章：「摩耗」の低減と管理に関する一般的な方法
A – 過剰プロビジョニング
NANDフラッシュの消耗を防ぐ最も簡単な方法の一つは、容量を増やすことです。ロバステル、EG5120は16GBのeMMC NANDフラッシュを搭載しています。このようなデバイスとしては比較的大きな容量であり、製品の基本コストは上昇しますが、寿命を延ばす最もシンプルで効果的な方法の一つです。
EG5100とEG5120にそれぞれ標準的なWAF 6を適用した場合、耐久性（TBW）の数値は以下の通りとなります：
EG5100 – (8589934592 × 3000 ÷ 6) = 3.9TBW
EG5120 – (17179869184 × 3000/6) = 7.8 TBW
製品寿命が5年であると仮定すると、
それは5 × 365 = 1825日です
これは、EG5120が5年間で1日あたり7.8/1825*1024 = 4.4GBの書き込み量を処理できることを意味します。
しかし、WAFが18という不適切に実装されたソフトウェアの場合、その数値は3分の1に低下し、1日あたりわずか1.5GBの書き込みが可能となる。これは1時間あたりわずか64MBに相当し、現代のOSにとっては比較的小さな数値である。
B – 理解と記述の拡張
アプリケーション開発者の方々に、こちらの優れた記事の学習を推奨します：https://en.wikipedia.org/wiki/Write_amplification
この主題に関する記述をこれ以上上回ることは望めませんので、どうぞ存分にご活用ください！
C – pSLCを使用して持久力を向上させる
ロバステル 、組み込みPC業界の大半と同様に、コスト競争力を維持するためMLCロバステル 。しかし、長寿命アプリケーションにおいてシステムストレージ（NANDフラッシュ）の耐久性が懸念される用途向けに、「pSLC」ロバステル 。
ロバステル から「プロジェクト単位」ロバステル 提供可能です。詳細は担当のロバステル にお問い合わせください。
D – その他の考慮事項
i) Flashの寿命を延ばす簡単な方法として、「デバッグ」や「ログ記録」情報を制限することが考えられる。これらは通常、その場で書き込まれるためである。
ii) 頻繁に変更されないデータに対して、書き込み専用パターンを使用するアプリケーション設計。データが追記のみされ、決して変更されない場合、摩耗を低減します。
iii) NANDフラッシュ内のデータを容量限界近くまで蓄積させることは推奨されません。これにより、十分なページが消去対象としてマークされる前にデータを移動させるために、より多くのプログラム/消去サイクルが必要となります。
iv) 選択する具体的な戦略は、アプリケーションの性質や管理するデータの種類によって異なる可能性があることを覚えておいてください。
第6章：Flash Managerのご紹介 –ロバステル摩耗監視ユーティリティ
ロバステル（およびその他のRobustOS PROシリーズ）ゲートウェイにはすべて、「フラッシュマネージャー」機能が搭載されています。これにより、開発者はフラッシュデバイスコントローラを問い合わせるLinuxコマンドの詳細な知識を必要とせずに、NANDフラッシュの状態を迅速に把握できます。
Flash Managerは、お客様がEG5000シリーズにイメージを展開し、「標準的な」条件下での一定期間の動作前後におけるNANDフラッシュの性能を測定することを可能にします。
NANDフラッシュの状態を前後で比較し、その摩耗率を製品の予想寿命に外挿することで、製品開発者は自社のソフトウェアがeMMCへの書き込みを配慮した方法で行っていることを迅速に確認でき、NANDフラッシュの摩耗が原因で製品が早期故障に陥ることはない。
ロバステル 、JEDEC標準のヘルスステータスとベンダー固有のロバステル 、可能な限り詳細なスナップショットを提供します。
経過時間に対する連続的なスナップショットを比較することで、アプリケーション開発者は実環境での耐久性を把握し、ハードウェアとソフトウェアがプロジェクトの要求される寿命を確実に維持できることを確認できる。
Flash Managerの詳細概要
経過時間に対する連続的なスナップショットを比較することで、アプリケーション開発者は実環境での耐久性を把握し、ハードウェアとソフトウェアがプロジェクトの要求される寿命を確実に維持できることを確認できる。
A – ステータス画面
以下のスクリーンショットに示す通り、ステータス画面では有用なNANDフラッシュパラメータの累積合計値を表示します。これらの詳細については後ほど説明します。
B – フラッシュメモリテスト
フラッシュメモリテストは、ユーザーが最大14日間実行するように設定できます。
手動で開始することも、特定の時間に開始するようにスケジュールすることもできます。
テストの出力は、テスト開始時と終了時のNANDフラッシュ状態の詳細な比較を記載したCSVファイルです。この結果は分析され、システム導入の耐用年数に外挿することが可能です。
C – 試験結果の分析
テストの出力は下記のCSVファイルの通りです。以下に各行の意味と重要性を説明します。
- 推定残存デバイス寿命 = これは NANDフラッシュデバイスの予想残存寿命の大まかな近似値です。JEDEC規格JESD84-A43に基づいています。
- フラッシュ総消去量(MB) = テスト中に消去されたデータの総量 （消去された総ブロック数 × ブロックサイズ）
- 消去されたブロックの総数 = テスト中のブロック消去操作の総数 。これは、現在動作中のソフトウェアに基づいてデバイスがどれだけ耐えられるかを把握する上で、おそらく最も重要な変数である。
- ブロックサイズ(MB) =現在の構成におけるNANDフラッシュデバイス（通常はeMMC）のブロックサイズ。1ブロックは複数の「ページ」で構成される。
- ブロック総数 = NANDフラッシュを構成するブロックの総数 。
- フラッシュ平均消去回数 = 使用可能ブロックあたりの平均ブロック消去回数MLC NANDフラッシュの最大平均消去回数は3000回です。
- フラッシュ平均消去レート = 平均消去 回数 ÷ ブロック総数
- フラッシュ不良ブロック数 = フラッシュコントローラが検出した「不良ブロック」の総数 。
- 不良ブロック数の増加 = テスト中に「不良」となったブロックの数 。
- 電源投入回数 = NANDフラッシュ/eMMCデバイスが電源投入された回数 。
- 予備ブロック消費 = 不良ブロックが発生した場合 、NANDフラッシュの信頼性を確保するため、予備ブロックを使用して不良ブロックを置換します。すべての予備ブロックが不良ブロックの置換に使用された後、不良ブロックが発生しても、その不良ブロックを置換するための予備ブロックは存在しません。
- 容量(MB) = デバイス総容量 – 変更されません。参考値です。
- 書き込みデータ量(MB) = テスト中にデバイスへ書き込まれた総データ量 （コントローラによる測定値）。
- 消去データ量(MB) = テスト中にデバイスから消去された総データ量 （コントローラによる測定値）。
D – Flash Managerの適用結果
レポートの開始時と終了時の数値を用いることで、試験期間中に得られた結果を延長して外挿することにより、ユーザーのアプリケーションが長期にわたりEG5000シリーズのフラッシュメモリの健全性に与える影響を容易に推定できます。
付録A – EG5000シリーズ製品の保証条件
ロバステル 、標準保証として初期2年間の早期故障に対して保証されますが、NANDフラッシュの過度な摩耗・使用による故障は標準保証の対象外となります。eMMCモジュールの交換は条件によっては可能ですが、これは常に有料サービスとなり、ロバステル単独の裁量により提供されます。
ロバステルと提携： 産業用IoTにおける専門的なパートナー
フラッシュメモリの耐久性管理は、単なるハードウェア寿命の延長ではありません。長期的にビジネスが信頼できるIoTシステムを構築することです。ロバステル、深い業界知見とFlash Managerなどの実績あるツールを組み合わせ、リスクの予測、コスト削減、円滑な運用維持を支援します。今すぐ当社と提携し、産業用IoTの複雑さを乗り切る信頼できるパートナーを得てください。
