レイテンシ

2025年10月27日

レイテンシ

英語表記: Latency

概要

ストレージデバイスの文脈におけるレイテンシとは、CPUやアプリケーションがデータ読み書きを要求してから、実際にその処理が完了し、結果が返されるまでの「待ち時間」を指す、最も重要なパフォーマンス指標の一つです。これは、ストレージの応答速度を直接示すものであり、特にデータベース処理や仮想化環境など、大量のI/O処理が集中する場面において、システム全体の応答性を決定づけるボトルネックとなりがちです。レイテンシが短いほど、ストレージの応答性が高い、つまり高性能であると評価されます。

詳細解説

レイテンシは、私たちが現在取り組んでいる「ストレージデバイス（HDD, SSD, NVMe）のパフォーマンス評価とチューニングにおける指標と分析」という文脈において、速度を測るための絶対的な基準となります。単にデータをどれだけ多く転送できるか（スループット）だけでなく、「どれだけ早く反応できるか」を示すのがレイテンシの役割です。

レイテンシの発生源は、ストレージの種類によって大きく異なります。この違いを理解することが、チューニングの第一歩となります。

1. HDDにおけるレイテンシの構成要素

HDD（ハードディスクドライブ）は物理的な機械部品で構成されているため、レイテンシは本質的に長くなります。HDDのレイテンシは、主に以下の二つの物理的な待ち時間によって構成されます。

シーク時間 (Seek Time): データを読み書きする磁気ヘッドが、目的のデータが記録されているプラッタ上のトラック（円周）まで移動するのにかかる時間です。これは機械的な動きなので、ミリ秒（ms）単位の遅延が発生します。
回転待ち時間 (Rotational Latency): 磁気ヘッドがトラックに到達した後、目的のデータが記録されているセクターがヘッドの下まで回転してくるのを待つ時間です。これもHDDの回転速度（例：7,200回転/分）に依存するため、物理的な待ち時間となります。

HDDのパフォーマンスチューニングは、これらの物理的な遅延を避けるようにデータを配置したり、キャッシュを効率的に利用したりすることに焦点を当てます。しかし、根本的に機械的な制約があるため、レイテンシの限界値は低くありません。

2. SSD/NVMeにおけるレイテンシの構成要素

SSD（ソリッドステートドライブ）やNVMeは、NAND型フラッシュメモリを使用しており、物理的な可動部品が一切ありません。そのため、レイテンシの発生源は電子的な処理に限定されます。

コントローラー処理時間: データ要求の解釈、NANDフラッシュのアドレス変換、ウェアレベリング（データの均等利用）などの内部処理にかかる時間です。
NANDアクセス時間: 実際にNANDチップからデータを読み出すのにかかる時間です。
インターフェース遅延: SATAやSASなどのインターフェースを経由する際の電気信号の遅延です。NVMeはPCI Express（PCIe）バスを介してCPUに直結するため、従来のSATA/SASのオーバーヘッドを大幅に削減し、レイテンシをさらに短縮しています。

SSDやNVMeのレイテンシは、一般的にマイクロ秒（µs）単位であり、HDDと比較して桁違いに高速です。この超低レイテンシ特性こそが、現代の高速データベースやビッグデータ処理において、SSDやNVMeが不可欠な理由です。

3. パフォーマンス評価におけるレイテンシ分析

パフォーマンス評価の文脈では、レイテンシの「平均値」だけでなく、「最大値」や「パーセンタイル値」（例：99パーセンタイル、P99）を分析することが非常に重要です。

平均レイテンシが良好であっても、特定のI/O要求で極端に長い待ち時間（スパイク）が発生している場合、そのシステムは安定しているとは言えません。この不安定なレイテンシ（ジッター）こそが、ユーザー体験を悪化させる主な原因となります。チューニングの目的は、平均レイテンシを下げることに加え、この最大値やパーセンタイル値を抑え込み、一貫性のある応答速度を実現することなのです。

具体例・活用シーン

レイテンシの概念は、私たちが日常的に経験する待ち時間に置き換えて考えると、非常に理解しやすくなります。

具体例：銀行のオンライン取引システム

銀行のオンライン取引システム（OLTP: On-Line Transaction Processing）では、顧客が残高照会や振込操作を行うたびに、ストレージに対して非常に小さなデータ（数キロバイト程度）の読み書き要求が頻繁に発生します。

低レイテンシのメリット: レイテンシが短い（数マイクロ秒）場合、顧客の操作から結果表示までが一瞬で完了します。これはNVMe SSDが実現する世界です。
高レイテンシのデメリット: レイテンシが長い（数十ミリ秒）場合、顧客は操作ボタンを押した後、数秒の「待ち」を感じることになります。これはHDDのような機械的な遅延が原因である可能性が高く、顧客体験を著しく損ないます。

アナロジー：図書館での資料請求

レイテンシは、巨大な図書館での資料請求プロセスに例えると、その仕組みがよく分かります。

あなたは図書館のカウンター（CPU/アプリケーション）で資料（データ）を請求しました。

HDD図書館（高レイテンシ）
- 司書（ストレージコントローラー）はまず、資料がどこにあるかを示す台帳を確認します。
- 次に、司書は広大な書庫（プラッタ）へ向かって歩き出します（シーク時間）。
- 資料が棚（トラック）の奥の方にある場合、棚全体がゆっくりと回転して、司書の目の前に資料が来るのを待つ必要があります（回転待ち時間）。
- 資料を受け取るまでに、数分（ミリ秒）かかってしまいます。この遅延の大部分は、移動や回転といった物理的な動作に起因しています。
SSD/NVMe図書館（低レイテンシ）
- この図書館は完全にデジタル化されており、資料はすべて瞬時にアクセス可能なサーバー（NANDチップ）に格納されています。
- あなたが資料を請求すると、司書は電子的な検索をかけ、数秒（マイクロ秒）でデジタルデータを提供します。
- 物理的な移動や待ち時間がないため、応答はほぼ即座に行われます。レイテンシは、電子的な処理とネットワークの通信速度のみに依存します。

このように、ストレージのレイテンシを評価することは、利用者に対してどれだけ迅速にサービスを提供できるかを測る、極めて実用的な指標なのです。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート試験や基本情報技術者試験、応用情報技術者試験では、「レイテンシ」はストレージ性能を問う問題の核となります。特に、性能比較やボトルネック分析の文脈で出題されます。

【必須知識】レイテンシとIOPSの関係:
- レイテンシ（待ち時間）とIOPS（1秒あたりの入出力回数）はトレードオフの関係にあります。レイテンシが短いほど、単位時間あたりに処理できるI/O回数（IOPS）は増加します。これは性能評価の基本中の基本です。
【HDDとSSDの比較】
- HDDのレイテンシは「シーク時間」と「回転待ち時間」という機械的な要因に大きく左右されるため、SSDやNVMeに比べて大幅に長いことを理解してください。
- SSD/NVMeは電子的なアクセスであるため、レイテンシは非常に短く、特にランダムアクセス性能に優れています。
【応用情報技術者向け】ボトルネック分析:
- システム全体のレスポンス低下の原因を特定する際、ストレージのレイテンシがボトルネックとなっていないかを確認することが重要です。高レイテンシが検出された場合、ストレージの交換（HDD→SSD/NVMe）や、I/Oキューの最適化（キューデプス調整）などのチューニングが必要となります。
【重要用語】単位の区別:
- レイテンシは主に時間単位（ミリ秒 ms、マイクロ秒 µs）で測定されることを認識しておきましょう。高速化の議論では、msからµsへの移行が大きなポイントとなります。