2025年12月15日、マイクロソフトは、Windows Server 2025でストレージアーキテクチャにNVMe規格がネイティブに採用されることを発表しました。しかし、NVMeストレージは、サーバー、エンタープライズワークステーション、コンシューマーPCで長年にわたり広く利用されてきたストレージフォーマットであり、Windows Server 2012 R2およびWindows 8.1以降、OSとの互換性も組み込まれています。こうした状況を踏まえると、「ネイティブ」NVMeサポートに関する発表は重要でもニュース価値もないように見えるかもしれませんが、実は見た目以上に重要な意味があるのです。
「ネイティブNVMe」とは一体どういう意味ですか？
Windowsのコンシューマー版およびサーバー版のストレージスタックの以前のバージョンでは、基盤となるハードウェアのプロトコルに関係なく、データの読み書きに使用されるコマンドは常にSCSIコマンドに変換されていました。Small Computer System Interface（SCSI）規格は1980年代初頭に遡り、周辺機器やストレージドライブをコンピュータに接続するために設計されました（Storage Networking Industry Association、nd）。これは、iSCSI（Internet Small Computer System Interface）やFCP（Fibre Channel Protocol）などのネットワーク接続プロトコル、およびSAS（Serial Attached SCSI）やUASP（USB Attached SCSI）などのローカルストレージインターフェイスを含む、さまざまなワークロードで使用されるいくつかの最新のストレージプロトコルの基盤となっています。
オールドウェイ
Microsoftは、異なるプロトコルをSCSIコマンドに変換することで、オペレーティングシステムの上位レベルでストレージコマンドを統一しました。しかし、その過程で、最新のストレージアーキテクチャが持つ拡張性やパフォーマンスの向上といった多くの利点が犠牲になりました。従来のI/O操作の経路は次のようになっていました。
- 読み書き操作は、上位ストレージスタックのファイルシステムレベルで行われます。
- コマンドはDisk.sysドライバに渡されます。
- Disk.sysは、汎用ストレージコマンドをSCSIコマンドに変換します。
- StorportはSCSIコマンドを受信し、適切なMiniportドライバ（SATAドライブの場合はStorAHCI.sysなど）に送信します。
- 対応するミニポートドライバはストレージデバイスと直接通信し、それを適切なストレージコマンド形式に再度変換します。
ストレージデバイス上のデータのパーティションを識別するために使用されるLUN（論理ユニット番号）などの他のSCSI規約は、NVMe名前空間のような新しい概念がかなり前から存在していたにもかかわらず、Windowsストレージスタックに引き継がれました（Hands、Worley、Lakhveer Kaur、nd）。
新たなスタンダード
MicrosoftのWindows Server 2025向け最新ストレージアーキテクチャは、Storportの新機能を可能にし、Disk.sysをNVMeDisk.sysに置き換えることで、拡張性、将来性、高性能を備えたフレームワークを提供します。
- 読み書き操作は、上位ストレージスタックのファイルシステムレベルで行われます。
- コマンドはNVMeDisk.sysからStorport内の新しいStorMQコードに直接渡されます。
- StorMQは、読み書き操作ごとに適切なNVMe（またはその他のストレージタイプ）コマンドを生成し、それらをハードウェア自体に直接送信します。
（画像は、2025年9月16日に開催されたスコット・リー氏のSNIA開発者会議でのプレゼンテーションより）
Windows Server 2025 のドライブ操作に関するこの新しい標準は、変換レイヤーを排除し、NVMe、RAID、および HBA デバイスのストレージ コマンド キューと完全に統合します。Windows ストレージ システムの合理化により、不要なストレージ コマンド変換を排除することによる CPU リソース使用量の削減や論理プロセッサの利用率の向上など、追加のメリットも得られます。新しいアーキテクチャは、NVMe 名前空間やプラグアンドプレイ サポートなど、他の NVMe 仕様を採用しています。これにより、ベンダーまたはデバイス タイプ固有のストレージ Miniport ドライバを作成し、Windows に「プラグイン」することで、新しいクラスのストレージ デバイスとの互換性とパフォーマンスを向上させることができます (Lee、SNIA SDC 2025 – Windows 上のストレージ マルチ キュー、2025)。
テストの準備はできましたか？
2025年9月16日に開催されたSNIA開発者会議でのプレゼンテーションで、スコット・リー氏は、マイクロソフトがRAIDカードやHBAなどのデバイス向けの新ドライバー開発にベンダーと緊密に協力していることを明らかにしました。これは、StorMQの改善が間もなく実現するか、多くのストレージデバイスで既に有効になっていることを示唆しています。この機能は昨年12月に一般提供開始が発表されましたが、新しいストレージスタックはオプトイン方式でのみ有効化でき、レジストリキーの追加が必要です。有効化の手順については、マイクロソフトのネイティブNVMeに関する発表記事をご覧ください。
警告：レジストリを誤って変更すると深刻な問題が発生する可能性があるため、必ず最初に重要度の低いサーバーでテストしてください。この機能を有効にしたユーザーから、重複排除が有効になっているNVMeドライブで問題が発生したとの報告が複数寄せられています。Microsoftからの公式修正プログラムは近日中にリリースされる予定ですが、実行は自己責任でお願いします。
Windows Server 2025 でのネイティブ NVMe のテスト
Windows Server 2025（OSビルド26100.32370）におけるネイティブNVMeの評価に使用したテストプラットフォームは、2基の128コアAMD EPYC 9754 CPUを搭載したデュアルSP5ソケットサーバーでした。マルチコアプロセッサに加え、4800 MT/sで動作する768GBのDDR5メモリも搭載されていました。
注：マイクロソフトのヤシュ・シェカール氏によると、ネイティブNVMeとは無関係の暫定的な改善策が既にWindows Server 2025向けにリリースされており、これにより非ネイティブストレージスタックのパフォーマンスがさらに向上し、結果の差が縮小した可能性があるとのことです。
新しいストレージスタックの可能性を評価するために、 JBOD構成でPCIe 4.0対応の30.72 TB Solidigm P5316 NVMe SSDを15台使用しました。重要な注意点として、Solidigm P5316の間接参照単位サイズは64キロバイトであるため、より小さいサイズ（4Kテストなど）の書き込み結果は予想よりも悪くなることがよくあります。この大きな間接参照単位を考慮して、さまざまなブロックサイズでの全体的な速度を比較するために、ランダム4K、ランダムおよびシーケンシャル64K、シーケンシャル128Kの読み取りおよび書き込みテストでFIOベンチマークを実行しました。また、テスト中にCPU使用率を監視し、Microsoftが主張する効率性の向上を評価しました。
ハイライト
- 4Kおよび64Kランダム読み取り帯域幅とIOPSが大幅に向上
- 4Kおよび64Kランダム読み取りレイテンシの低減
- さまざまなブロックサイズにおけるシーケンシャル読み取りおよび書き込み時のCPU使用率が大幅に低下
| メトリック | ランダム4K | ランダム64K | シーケンシャル64K | シーケンシャル128K | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 非ネイティブ | ネイティブ | 非ネイティブ | ネイティブ | 非ネイティブ | ネイティブ | 非ネイティブ | ネイティブ | |
| タリアセン・ウェストにおける修復作業について | ||||||||
| 帯域幅（GiB/秒） | 6.1 | 10.058 | 74.291 | 91.165 | 35.596 | 35.623 | 86.791 | 92.562 |
| IOPS | 1,598,959 | 2,636,516 | 1,217,176 | 1,493,637 | 583,192 | 583,638 | 710,978 | 758,252 |
| 平均レイテンシ (ミリ秒) | 0.169 | 0.104 | 0.239 | 0.207 | 0.809 | 0.812 | 0.613 | 0.608 |
| 合計CPU使用率（％） | 72.67 | 74.22 | 68.44 | 65.11 | 44.89 | 37.11 | 61.56 | 49.56 |
| メトリック | ランダム4K | ランダム64K | シーケンシャル64K | シーケンシャル128K | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 非ネイティブ | ネイティブ | 非ネイティブ | ネイティブ | 非ネイティブ | ネイティブ | 非ネイティブ | ネイティブ | |
| 書きます | ||||||||
| 帯域幅（GiB/秒） | 1.803 | 1.756 | 7.654 | 7.655 | 44.67 | 50.087 | 50.477 | 50.079 |
| IOPS | 472,725 | 460,383 | 125,391 | 125,406 | 731,859 | 820,603 | 413,495 | 410,232 |
| 平均レイテンシ (ミリ秒) | 0.992 | 1.028 | 3.814 | 3.816 | 0.399 | 0.558 | 1.022 | 1.149 |
| 合計CPU使用率（％） | 26.00 | 20.67 | 12.22 | 9.33 | 70.44 | 57.78 | 58.44 | 47.33 |
結果の分析
ランダム4Kおよび64K読み取りベンチマークから始めると、読み取り速度が大幅に向上していることが確認されました。ランダム4K読み取りテストでは、ネイティブストレージスタックと非ネイティブストレージスタックの間でそれぞれ約4 GiB/sの差があり、ランダム64K読み取りでは約16.9 GiB/sの向上が見られました。また、シーケンシャル128K読み取り操作でも良好な向上が見られ、テストでは帯域幅が約5.8 GiB/s増加しました。
興味深いことに、ランダム書き込み帯域幅テストとシーケンシャル書き込み帯域幅テストの両方で、顕著な増加は見られませんでした。唯一注目すべき違いは、64Kシーケンシャル書き込みで約5.4 GiB/sの増加が見られたことです。ほとんどの結果は100 MiB/s以内の差に収まっており、改善が見られなかった場合でも、新しいストレージスタックのパフォーマンスは少なくとも旧型と同等であることを示唆しています。
スループットは通常レイテンシと相関関係にあるため、4K および 64K テストの両方で平均ランダム読み取りレイテンシが大幅に低下することも確認されました。非ネイティブのランダム読み取り 4K では、0.169 ミリ秒から 0.104 ミリ秒へと 38.46% 減少しました。ランダム 64K 読み取りテストでは、減少率は約 13.39% と小幅でした。シーケンシャル読み取り操作ではレイテンシに大きな変化はありませんでしたが、スループットが同等またはそれ以上であるにもかかわらず、ランダム書き込みとシーケンシャル書き込み操作では全体的にレイテンシが増加しました。
ランダム読み取り速度の向上に加え、FIO テストで明らかになったもう 1 つの興味深い傾向は、64K および 128K のシーケンシャル読み取りおよび書き込み操作における CPU 使用率の大幅な低下でした。シーケンシャル書き込みテストでは最も劇的な違いが見られ、64K では平均 12.66%、128K ではほぼ同等の 11.11% の CPU 使用率の低下が見られました。実施した 128K のシーケンシャル読み取りテストでも同様に 12% の使用率低下が見られましたが、64K のシーケンシャル読み取りでは 7.78% の低下にとどまりました。考慮すべき要素の 1 つは、十分高速な CPU であれば、両方のスタックがストレージ デバイスの潜在能力を最大限に発揮できる場合があり、そのためスループットは向上しないものの、CPU リソースの使用率は低下する可能性があるということです。
主なポイント
新しいストレージスタックを有効にした後、多くの結果が実行ごとのばらつきの範囲内でしたが、読み取り帯域幅の向上とレイテンシの低下、および全体的なCPU使用率の低下など、Microsoftの主張の多くを裏付けることができました。これは数十年来のWindows Serverストレージスタックに対するかなり根本的な変更であるため、MicrosoftはまずWindows Server vNextでネイティブNVMeをデフォルトで有効にします。幸いなことに、この機能はWindows Server 2025でレジストリの簡単な編集またはグループポリシーで有効にできるため、勇敢なサーバー管理者は（展開のリスクを認識した上で）今日から新しいスタックを活用できます。
Windows ServerプラットフォームでNVMeがデフォルトでネイティブに有効化されることを期待しており、NVMe SSD、RAIDカード、HBAメーカー各社がマイクロソフトの改良をさらに発展させてくれることを期待しています。
参考情報
Hands, J.、Worley, D.、Lakhveer Kaur。（日付不明）。NVMe名前空間。2025年12月30日取得、NVM Expressより：https://nvmexpress.org/resource/nvme-namespaces/
Lee, S. (2025年9月15日). SNIA SDC 2025 – Windows上のストレージマルチキュー。米国カリフォルニア州サントーマス：ストレージネットワーキング産業協会。2025年12月29日取得、https ://www.youtube.com/watch? v=dR-DWrmCba0&t
Lee, S. (2025年9月16日). Windows上のストレージマルチキュー：高性能ストレージハードウェアのための新しいスタック。SNIA開発者会議より2025年12月29日に取得：https://www.snia.org/sites/default/files/2025-10/SNIA-SDC25-Lee-Storage-Multi-Queue-On-Windows.pdf
Shekar, Y. (2025年12月15日). Windows Server 2025におけるネイティブNVMeの発表：ストレージパフォーマンスの新時代到来。(Microsoft) 2025年12月29日取得、Windows Serverニュースとベストプラクティスより: https://techcommunity.microsoft.com/blog/windowsservernewsandbestpractices/announcing-native-nvme-in-windows-server-2025-ushering-in-a-new-era-of-storage-p/4477353
ストレージネットワーク業界協会。（日付不明）。SCSIとは？ 2025年12月30日取得、ストレージネットワーク業界協会：https://www.snia.org/education/what-is-scsi
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