Intel spricht seit über einem Jahr öffentlich über Optane DC Persistent Memory Modules (PMM) und plädiert für die Vorteile einer neuen Ebene datenzentrierter Architektur, die zwischen DRAM und Optane DC SSDs angesiedelt ist, wobei sequenziell langsamere SSD- und HDD-Medien in der Pyramide kaskadiert werden auf Archivebene auf Band übertragen. Das Ziel von persistentem Speicher bestand schon immer darin, mehr Daten näher an die CPU zu verschieben und so eine DRAM-ähnliche Latenz mit speicherähnlicher Persistenz und Kapazitäten zu bieten. Nachdem wir Hardware- und Softwarepartnern ein Jahr lang zugehört haben, wie sie im Labor über die Vorteile von persistentem Speicher sprechen, ist Optane DC PMEM mit der Veröffentlichung der zweiten Generation der skalierbaren Intel Xeon-Prozessoren nun für eine Vielzahl von Serverlösungen verfügbar.
Intel spricht seit über einem Jahr öffentlich über Optane DC Persistent Memory Modules (PMM) und plädiert für die Vorteile einer neuen Ebene datenzentrierter Architektur, die zwischen DRAM und Optane DC SSDs angesiedelt ist, wobei sequenziell langsamere SSD- und HDD-Medien in der Pyramide kaskadiert werden auf Archivebene auf Band übertragen. Das Ziel von persistentem Speicher bestand schon immer darin, mehr Daten näher an die CPU zu verschieben und so eine DRAM-ähnliche Latenz mit speicherähnlicher Persistenz und Kapazitäten zu bieten. Nachdem wir Hardware- und Softwarepartnern ein Jahr lang zugehört haben, wie sie im Labor über die Vorteile von persistentem Speicher sprechen, ist Optane DC PMEM mit der Veröffentlichung der zweiten Generation der skalierbaren Intel Xeon-Prozessoren nun für eine Vielzahl von Serverlösungen verfügbar.
Persistentes Intel Optane DC-Speichermodul
Übersicht über die Hardware des persistenten Intel Optane DC-Speichers
Intel Optane DC PMMs verfügen über wesentlich höhere Kapazitäten als herkömmliche DRAMs. Persistente Intel Optane DC-Speichermodule sind mit Kapazitäten von 128 GB, 256 GB und 512 GB erhältlich und damit deutlich größer als DRAM-Sticks, die typischerweise zwischen 4 GB und 32 GB liegen, obwohl es auch größere Kapazitäten gibt. PMMs befinden sich auf demselben Kanal wie DRAM und sollten auf jedem Kanal in dem Steckplatz bestückt werden, der der CPU am nächsten liegt. Eine beliebte Konfiguration, die Intel empfiehlt, ist ein Verhältnis von 4:1 mit 32 GB DRAM zu 128 GB DCPMM, das Sie unten sehen können.
Jede CPU kann bis zu 6 persistente Speichermodule unterstützen. Bei einem typischen Server, der zwei verkaufsfähige Intel Xeon-Prozessoren unterstützt, bedeutet das 12 persistente Speichermodule pro System oder bis zu 6 TB PMEM-Gesamtkapazität (3 TB pro Sockel). Server, die persistenten Speicher unterstützen, zeigen auch Kenntnis über die Module in ihrem System-BIOS, wo unter anderem persistente Speichermodi festgelegt, Namespaces erstellt und Pools konfiguriert werden können. Derselbe Grad an Sichtbarkeit und Konfiguration kann auch über das Betriebssystem durchgeführt werden.
Schauen Sie sich an, wie es kommuniziert: Der persistente Intel Optane DC-Speicher verwendet das DDR-T-Protokoll. Dies ermöglicht ein asynchrones Befehls-/Daten-Timing. Der Modul-Controller verwendet das Request/Grant-Schema zur Kommunikation mit dem Host-Controller. Die Richtung und das Timing des Datenbusses werden vom Host gesteuert. Pro Anfrage wird ein Befehlspaket vom Host an den Persistent Memory Controller gesendet. Die Transaktion kann bei Bedarf im Intel Optane DC Persistent Memory Controller neu angeordnet werden. Die Module verwenden eine 64-B-Cache-Line-Zugriffsgranularität, die DDR4 ähnelt.
Aus Hardware-Sicht ist der persistente Optane DC-Speicher ein komplettes System auf einem Modul mit mehreren Schlüsselkomponenten:
- Der Power Management Integrated Circuit (PMIC) generiert alle Schienen für Medien und Controller
- SPI Flash speichert die Firmware des Moduls
- Die Intel Optane Media bilden den eigentlichen Speicherplatz, der aus 11 parallelen Geräten für Daten, ECC und Ersatz besteht
- DQ-Puffer für Signalintegrität mit hoher Bitrate
- AIT DRAM enthält die Adressindirektionstabelle
- Energy Store Caps sorgen dafür, dass bei einem Stromausfall alle Modulwarteschlangen geleert werden
- Das Herzstück jedes persistenten Speichermoduls ist der persistente Intel Optane DC-Speichercontroller, der die Datenübertragung sowie die Verwaltung der Unterkomponenten auf der Platine übernimmt.
Wenn man die Module selbst betrachtet, ist natürlich nach Kosten und Leistung die Haltbarkeit vielleicht das größte Problem. Wie andere Speichermedien wird auch der persistente Speicher des Intel Optane DC in Petabytes Written (PBW) gemessen. PBW wird auf der Grundlage von Bandbreiten- und Medienausdauerüberlegungen über eine Lebensdauer von 5 Jahren geschätzt, wobei von maximaler Bandbreite bei angestrebtem Stromverbrauch für 24/7, 365 Tage im Jahr ausgegangen wird. Bei 100 % Schreibleistung mit 15 W unterstützen die persistenten Speichermodule über 350 PBW, wie in der folgenden Tabelle dargestellt.
Noch ein Hinweis zu den Einstellungen: Optane-DC-Module sind für verschiedene Leistungsgrenzen programmierbar, was eine breite Palette von Optimierungen ermöglicht. Die persistenten Speichermodule unterstützen eine Leistungshüllkurve von 12 W – 18 W und können in einer Granularität von 0.25 Watt eingestellt werden. Die höheren Energieeinstellungen bieten die beste Leistung, allerdings mit den Kosten, die mit einem höheren Gesamtstromverbrauch des Servers verbunden sind. In manchen Fällen stellt dies möglicherweise kein Problem dar, und Unternehmen können sich dafür entscheiden, den Leistungsumfang basierend auf der Serverunterstützung maximal auszuschöpfen.
Betriebsmodi des persistenten Intel Optane DC-Speichers
Sobald die PMMs auf einem Server bereitgestellt sind, können sie in einer Vielzahl von Betriebsmodi weiter konfiguriert werden, darunter der Speichermodus und der App Direct-Modus sowie eine gleitende Zuordnungsskala dazwischen.
Optane DC Persistent Memory – Speichermodus
Im Speichermodus werden PMMs sehr ähnlich wie DRAM verwendet. Es ist keine spezielle Software oder Änderungen an Anwendungen erforderlich. Der persistente Speicher ahmt den DRAM nach und hält die Daten „flüchtig“, obwohl der flüchtige Schlüssel bei jedem Ein- und Ausschalten gelöscht wird. Im Speichermodus wird der persistente Speicher als Erweiterung des DRAM verwendet und vom Host-Speichercontroller verwaltet. Es gibt kein festgelegtes Verhältnis zwischen persistentem Speicher und DRAM, die Mischung kann von den Anwendungsanforderungen abhängen. In Bezug auf das Latenzprofil führt alles, was auf den DRAM-Cache (in der Nähe des Speichers) trifft, natürlich zu einer Latenz von <100 Nanosekunden. Alle Cache-Fehler fließen in den persistenten Speicher (Fernspeicher), der eine Latenz im Sub-Mikrosekundenbereich liefert.
Persistenter Optane DC-Speicher – App-Direktmodus
Der persistente Optane DC-Speicher verfügt außerdem über einen App Direct-Modus. Dieser Modus erfordert spezielle persistente speicherfähige Software/Anwendungen. Dieser Modus macht den vorhandenen persistenten Speicher persistent, aber dennoch byteadressierbar, ähnlich wie beim Speicher. Im App Direct-Modus bleibt der persistente Speicher Cache-kohärent und bietet die Möglichkeit, DMA und RDMA auszuführen.
Es besteht auch die Möglichkeit, persistenten Speicher über App Direct als Speicher zu konfigurieren. Hier agiert der persistente Speicher blockweise, so wie es SSDs mit herkömmlichen Lese-/Schreibbefehlen tun würden. Dies funktioniert mit vorhandenen Dateisystemen, bietet Atomizität auf Blockebene und ist in der Blockgröße konfigurierbar (4K, 512B). Um den Speicher direkt über die App nutzen zu können, benötigen Benutzer lediglich einen NVDIMM-Treiber. Dieser Modus ermöglicht eine Kapazitätsskalierung und eine bessere Leistung, geringere Latenz und eine höhere Lebensdauer als herkömmliche SSDs der Enterprise-Klasse.
Vorteile des persistenten Intel Optane DC-Speichers
Persistente Intel Optane DC-Speichermodule bieten eine Vielzahl von Vorteilen für Endbenutzer. Zunächst einmal bieten die Module eine Möglichkeit, den DRAM-Fußabdruck eines Servers effektiv und wesentlich kostengünstiger zu skalieren. Da persistenter Speicher mit der DRAM-Schicht verknüpft werden kann, skaliert der effektiv nutzbare DRAM-Footprint schneller, da persistenter Speicher die Gesamtbetriebskosten der Serverinvestition eines Unternehmens verbessert. Da Server außerdem in der Lage sind, mehr Daten schneller zu verarbeiten, können einige möglicherweise neue Möglichkeiten zur Konsolidierung von Arbeitslasten nutzen. Es gibt noch ein zweites Argument, das in Bezug auf den Wert angeführt werden kann. Für Workloads, die möglicherweise nicht so viel Nanosekunden-Latenz benötigen, die DRAM bietet, könnten sich Unternehmen dafür entscheiden, ihre Server mit weniger DRAM, aber mehr persistentem Optane DC-Speicher zu bauen, um immer noch einen angemessenen oder größeren Speicherbedarf beizubehalten, allerdings mit der höheren Kosteneffizienz persistente Speichermodule anstelle von DRAM.
Die persistenten Speichermodule sind, wie der Name schon sagt, persistent. Dies bedeutet, dass die PMMs nicht mit Daten aktualisiert werden müssen, was zu schnelleren Serverneustarts führt. Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn es um speicherresidente Datenbanken geht. Nach einem Serverneustart kann die Wiederherstellung aller Speicherdaten sehr lange dauern. Unabhängige Softwareanbieter (ISVs), die sich auf Hochleistungsdatenbanken konzentrieren, haben in diesen Szenarien, in denen eine schnelle Betriebsbereitschaft von entscheidender Bedeutung ist, enorme Vorteile durch persistenten Speicher erzielt. Tatsächlich hat Intel entsprechende Daten vorgelegt. Sie stellten fest, dass ein spaltenbasierter Speicher das vollständige Neuladen in DRAM für einen 1.3-TB-Datensatz auf einem reinen DRAM-Server 20 Minuten dauerte. Ein kompletter Systemneustart auf diesem Server vor dem persistenten Speicher dauerte 32 Minuten; 12 Minuten für das Betriebssystem, 20 Minuten für die Daten. Derselbe Server mit Optane DC Persistent Memory benötigte 13.5 Minuten. Während das oberflächlich betrachtet beeindruckend aussieht, ist es noch beeindruckender, wenn man bedenkt, dass die Datenkomponente nur anderthalb Minuten betrug, was einem 13-fachen Gewinn entspricht.
Persistente Intel Optane DC-Speichermodule bieten außerdem eine On-Modul-Verschlüsselung und sind damit der erste hardwareverschlüsselte Speicher überhaupt. Die Module nutzen den Schutz ruhender Daten mithilfe einer 256-Bit-AES-XTP-Verschlüsselungs-Engine. Wenn im Speichermodus der DRAM-Cache seine Daten verliert, geht der Verschlüsselungsschlüssel verloren und wird bei jedem Start neu generiert. Im App Direct-Modus werden persistente Medien mithilfe eines Schlüssels verschlüsselt, der in einem Sicherheitsmetadatenbereich auf dem Modul gespeichert ist, auf den nur der Intel Optane DC-Controller zugreifen kann. Der persistente Intel Optane DC-Speicher wird bei einem Stromausfall gesperrt und benötigt zum Entsperren eine Passphrase. Die Module unterstützen außerdem sicheres kryptografisches Löschen und DIMM-Überschreiben für eine sichere Wiederverwendung oder Entsorgung am Ende der Lebensdauer. Schließlich sind signierte Versionen der Firmware zulässig, es stehen Optionen zur Revisionskontrolle zur Verfügung.
Software für persistenten Intel Optane DC-Speicher
Während der Schwerpunkt eindeutig auf den Vorteilen der persistenten Speicherhardware liegt, verfügt Intel über eine Reihe wichtiger Softwaretools. Die folgenden Tools wären die primäre Möglichkeit, den persistenten Speicher über das Betriebssystem zu verwalten, anstatt den Server aus- und wieder einzuschalten und diese Änderungen im System-BIOS vorzunehmen. Das spart Zeit und vermeidet Ausfallzeiten für spontane Änderungen.
IPMCTL – Dienstprogramm zur Verwaltung persistenter Intel Optane DC-Speichermodule
Unterstützt Funktionen für:
- Entdecken Sie persistente Speichermodule in der Plattform.
- Stellen Sie die Plattformspeicherkonfiguration bereit.
- Anzeigen und Aktualisieren der Firmware auf PMMs.
- Konfigurieren Sie die Sicherheit ruhender Daten auf PMMs.
- Überwachen Sie den PMM-Zustand.
- Verfolgen Sie die Leistung von PMMs.
- Debuggen und beheben Sie Fehler bei PMMs.
NDCTL – Dienstprogramm zur Verwaltung von „libnvdimm“-Subsystemgeräten (nichtflüchtiger Speicher)
ndctl ist ein Dienstprogramm zur Verwaltung des Kernel-Subsystems „libnvdimm“. Das „libnvdimm“-Subsystem definiert ein Kernel-Gerätemodell und eine Steuernachrichtenschnittstelle für Plattform-NVDIMM-Ressourcen, wie sie in der ACPI 6.0 NFIT (NVDIMM Firmware Interface Table) definiert sind. Zu den vom Tool unterstützten Vorgängen gehören die Bereitstellung von Kapazität (Namespaces) sowie das Auflisten/Aktivieren/Deaktivieren der mit einem NVDIMM-Bus verbundenen Geräte (Dimms, Regionen, Namespaces).
Verfügbarkeit des persistenten Intel Optane DC-Speichermoduls
Persistente Speichermodule sind ab sofort verfügbar und zahlreiche Serveranbieter geben die Systemverfügbarkeit bekannt:
Auch Anbieter von Speichersystemen betrachten persistenten Speicher als eine Möglichkeit, ihre Lösungen zu beschleunigen:
Cloud-Unterstützung für PMEM:
Führende Workstation-Anbieter setzen auch auf persistenten Intel Optane DC-Speicher, insbesondere für Data-Science-Workloads.
Rezensionen und Benchmarks zum persistenten Intel Optane DC-Speicher
