マルチキュー

2025年10月26日

マルチキュー

英語表記: Multi-Queue

概要

マルチキューは、ストレージデバイスの中でも特に高速なNVMe（Non-Volatile Memory Express）プロトコルの中核をなす設計概念です。従来のストレージインターフェース（AHCIなど）が単一のデータ処理経路（キュー）しか持たなかったのに対し、マルチキューは複数のI/O処理経路を並列で利用できるようにします。これにより、現代のマルチコアCPUの能力を最大限に引き出し、超低遅延かつ極めて高いスループットでのデータ転送を実現しているのが特徴です。この技術こそが、NVMeが「NVMeと高速ストレージ」というカテゴリーで圧倒的な地位を築いた最大の理由と言えます。

詳細解説

目的と背景：なぜマルチキューが必要か

マルチキューが誕生した背景には、従来のストレージインターフェースであるAHCI（Advanced Host Controller Interface）の限界がありました。AHCIは、HDD時代に設計されたものであり、基本的に一つのコマンドキューしか持っていませんでした。これは、ホスト側のCPUがいくらマルチコア化し、並列処理能力が向上しても、ストレージI/Oの処理が常にこの単一のキューでボトルネックになってしまうことを意味します。

高速なSSD（特にNANDフラッシュ）が登場し、ストレージデバイス自体の処理能力が向上するにつれて、このボトルネックは無視できなくなりました。そこでNVMeプロトコルは、この問題を根本的に解決するために「マルチキュー」の概念を導入しました。

仕組みと構成要素

NVMeプロトコルにおけるマルチキューシステムは、主に以下の二種類のキューをペアで構成します。

Submission Queue (SQ: 送信キュー): ホスト（CPU）がストレージデバイスに対して実行させたいコマンド（読み書きなどのI/Oリクエスト）を投入する場所です。
Completion Queue (CQ: 完了キュー): ストレージデバイスがコマンドの処理を完了した際、その結果をホストに通知するための場所です。

重要なのは、NVMeではこれらのSQとCQのペアを、ホストのメモリ上に多数作成できる点です。理論上、最大で65,535組のキューペアを作成することが可能とされています。

これらのキューペアは、ホストの異なるCPUコアや異なるアプリケーション、あるいは仮想マシン（VM）ごとに割り当てられます。これにより、各プロセスが独立したI/O経路を持つことができ、他のプロセスのI/O処理を待つ必要がなくなります。

並列処理の実現

マルチキューによる並列処理は、以下のステップで実現されます。

コマンドの投入: ホスト側のCPUコアが、自分専用のSQにコマンドを書き込みます。
通知（ドアベル）: コマンドを書き込んだ後、ホストはNVMeコントローラ内の特定のアドレス（Doorbell Registerと呼ばれる領域）を叩きます。これは、NVMeコントローラに対して「新しいコマンドが入ったよ！」と知らせる役割を果たします。
並列処理: NVMeコントローラは、複数のSQから同時にコマンドを取得し、内部の並列処理機構（SSD内部のNANDチャネル）を使って同時に処理を実行します。
結果の通知: 処理が完了すると、結果は対応するCQに書き込まれ、ホストに割り込み（Interrupt）を通じて通知されます。

このように、複数のCPUコアが個別のI/Oストリームを維持し、待ち時間なくストレージと通信できるため、特に高負荷環境下でのレスポンス速度が劇的に向上するのです。これは、NVMeプロトコルが高速ストレージの性能を最大限に引き出すための、非常に賢い設計と言えるでしょう。

具体例・活用シーン

マルチキューの概念は、日常生活やビジネスシーンの具体的な例に置き換えると、その強力さがよく理解できます。

活用シーン：大規模データベース処理

データベースサーバー: 企業が利用する大規模なOLTP（オンライントランザクション処理）データベースサーバーでは、数千、数万のユーザーが同時に読み書きのリクエストを発行します。もしシングルキュー（AHCI）であれば、これらのリクエストは一本の道路に集中し、渋滞が発生して処理が遅延してしまいます。
マルチキューの適用: NVMeのマルチキューを採用することで、各ユーザーやトランザクションは専用の高速レーン（キュー）を持つことができます。これにより、同時アクセスが増えても、I/Oの遅延が最小限に抑えられ、一貫して高速なレスポンスタイムを維持できます。

アナロジー：高速道路の料金所

マルチキューの仕組みを理解する上で、高速道路の料金所を想像してみてください。

シングルキュー（AHCI/SATA）: 料金所がたった一つしかない状態です。いくら多くの車（I/Oリクエスト）が速いスピードで料金所に近づいても、処理能力は料金所一つ分に限定されます。結果として、朝のラッシュ時（高負荷時）には長い渋滞（I/Oボトルネック）が発生してしまいます。
マルチキュー（NVMeプロトコル）: 料金所が数十、数百と並列に設置されている状態です。各車線（キュー）が独立しており、車は最も空いている、あるいは自分専用のレーンを選んで通過できます。さらに、ETC（電子通知）のように、Doorbell Registerを介して処理が始まったことを瞬時に伝えることができます。これにより、大量の車が同時にアクセスしても、渋滞はほぼ発生せず、非常にスムーズに通過できるのです。

この「並列で処理できるレーンを多数用意する」という考え方こそが、マルチキューがNVMeプロトコルにおいて最も重要な役割を担っている証拠です。