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Intel Optane DC 永続メモリ モジュール (PMM)

by ブライアン・ビーラー

インテルは、1 年以上にわたって Optane DC 永続メモリ モジュール (PMM) について公に話しており、DRAM と Optane DC SSD の間に位置し、順次低速の SSD および HDD メディアがピラミッドにカスケードされるデータ中心アーキテクチャの新しい層の利点を主張してきました。アーカイブレベルでテープにコピーします。永続メモリの目標は常に、より多くのデータを CPU の近くに移動し、ストレージのような永続性と容量を備えた DRAM のようなレイテンシを実現することでした。ハードウェアおよびソフトウェア パートナーがラボで永続メモリの利点について語るのを 1 年間聞き続けた結果、第 2 世代インテル Xeon スケーラブル プロセッサーのリリースにより、Optane DC PMEM はさまざまなサーバー ソリューションで利用できるようになりました。


インテルは 1 年以上にわたって Optane DC 永続メモリ モジュール (PMM) について公に話しており、DRAM と Optane DC SSD の間に位置し、順次低速の SSD および HDD メディアがピラミッドにカスケードされるデータ中心アーキテクチャの新しい層の利点を主張してきました。アーカイブレベルでテープにコピーします。永続メモリの目標は常に、より多くのデータを CPU の近くに移動し、ストレージのような永続性と容量を備えた DRAM のようなレイテンシを提供することでした。ハードウェアおよびソフトウェア パートナーが研究室で永続メモリのメリットについて語るのを 1 年間聞き続けた結果、第 2 世代インテル Xeon スケーラブル プロセッサーのリリースにより、Optane DC PMEM はさまざまなサーバー ソリューションで利用できるようになりました。

インテル データ ピラミッド

インテル Optane DC 永続メモリ モジュール
インテル Optane DC 永続メモリ モジュール

インテル Optane DC 永続メモリ ハードウェアの概要

Intel Optane DC PMM は、従来の DRAM よりもはるかに大容量です。 Intel Optane DC 永続メモリ モジュールの容量は 128GB、256GB、512GB で、通常 4GB ~ 32GB の DRAM スティックよりも大幅に大きくなりますが、さらに大きな容量も存在します。 PMM は DRAM と同じチャネル上にあり、各チャネルの CPU に最も近いスロットに装着する必要があります。 Intel が推奨している一般的な構成は、以下に示すように、4GB DRAM と 1GB DCPMM の 32:128 比率です。

各 CPU は最大 6 つの永続メモリ モジュールをサポートできます。 12 つの Intel Xeon Salable プロセッサをサポートする一般的なサーバーの場合、システムあたり 6 個の永続メモリ モジュール、つまり合計 PMEM 容量が最大 3 TB (ソケットあたり XNUMX TB) になることを意味します。永続メモリ対応のサーバーは、永続メモリ モードの設定、名前空間の作成、プールの構成などを行うことができるシステム BIOS 内のモジュールの認識も表示します。これと同じレベルの可視性と構成は、OS を通じて実行することもできます。

通信方法を見ると、Intel Optane DC 永続メモリは DDR-T プロトコルを使用します。これにより、非同期のコマンド/データ タイミングが可能になります。モジュール コントローラーは、リクエスト/許可スキームを使用してホスト コントローラーと通信します。データ バスの方向とタイミングはホストによって制御されます。リクエストごとにコマンド パケットがホストから永続メモリ コントローラーに送信されます。必要に応じて、インテル Optane DC 永続メモリ コントローラーでトランザクションの順序を変更できます。このモジュールは、DDR64 と同様の 4B キャッシュライン アクセス粒度を使用します。

ハードウェアの観点から見ると、Optane DC 永続メモリは、いくつかの主要コンポーネントを備えたモジュール上の完全なシステムです。

  • 電源管理集積回路 (PMIC) がメディアとコントローラーのすべてのレールを生成します
  • SPI フラッシュにはモジュールのファームウェアが保存されます
  • Intel Optane メディアは、データ、ECC、スペア用の 11 台の並列デバイスで構成されるストレージ スペース自体を構成します。
  • 高ビットレートの信号整合性を実現する DQ バッファ
  • AIT DRAM はアドレス間接テーブルを保持します
  • エネルギー ストア キャップにより、停電時にすべてのモジュール キューが確実にフラッシュされます。
  • すべての永続メモリ モジュールの中心となるのは、データ転送とボード上のサブコンポーネントの管理を処理する Intel Optane DC 永続メモリ コントローラーです。

もちろん、モジュール自体を考慮する場合、コストとパフォーマンスの次に、おそらく耐久性が最大の懸念事項となります。他のストレージ メディアと同様、Intel Optane DC 永続メモリは書き込みペタバイト (PBW) で測定されます。 PBW は、年間 5 時間 24 日の目標電力使用量での最大帯域幅を想定した 7 年間の耐用年数にわたる帯域幅とメディア耐久性の考慮事項に基づいて推定されます。以下の表に示すように、365% 書き込み 100 W の場合、永続メモリ モジュールは 15PBW 以上をサポートします。

設定に関するもう 12 つの注意事項として、Optane DC モジュールはさまざまな電力制限に合わせてプログラム可能であり、幅広い最適化が可能です。永続メモリ モジュールは 18W ~ 0.25W の電力エンベロープをサポートし、XNUMX ワットの粒度で調整できます。電力設定を高くすると、最高のパフォーマンスが得られますが、サーバー全体の電力消費量が増加するためコストがかかります。場合によっては、それが問題にならず、組織はサーバーのサポートに基づいて電力エンベロープを最大化することを選択できます。

インテル Optane DC 永続メモリ動作モード

PMM は、サーバーにデプロイされると、メモリ モードやアプリ ダイレクト モードなどのさまざまな動作モードでさらに構成でき、その間の割り当てのスライド スケールも可能です。

Optane DC 永続メモリ – メモリ モード
メモリ モードでは、PMM は DRAM と非常によく似て使用されます。特定のソフトウェアやアプリケーションの変更は必要なく、永続メモリは DRAM を模倣してデータを「揮発性」に保ちますが、揮発性キーは電源を入れるたびにクリアされます。メモリ モードでは、永続メモリは DRAM の拡張として使用され、ホスト メモリ コントローラによって管理されます。永続メモリと DRAM の比率に決まったものはなく、その組み合わせはアプリケーションのニーズに応じて異なります。レイテンシ プロファイルに関しては、DRAM キャッシュ (メモリ付近) にヒットするものは、もちろん 100 ナノ秒未満のレイテンシを実現します。キャッシュ ミスは永続メモリ (ファー メモリ) に流れ、マイクロ秒未満の範囲の遅延が発生します。

Optane DC 永続メモリ - アプリ ダイレクト モード
Optane DC 永続メモリには App Direct モードもあります。このモードには、特定の永続メモリ対応ソフトウェア/アプリケーションが必要です。このモードでは、所定の永続メモリが永続的になりますが、メモリと同様にバイト アドレス指定可能になります。 App Direct モードでは、永続メモリはキャッシュ コヒーレントを維持し、DMA および RDMA を実行する機能を提供します。

  

App Direct 経由で永続メモリをストレージとして構成する機能もあります。ここで、永続メモリは、従来の読み取り/書き込み命令を使用して SSD と同様にブロックで動作します。これは既存のファイル システムで動作し、ブロック レベルでアトミック性を提供し、ブロック サイズは構成可能です (4K、512B)。アプリ経由でストレージを直接使用するには、ユーザーに必要なのは NVDIMM ドライバーだけです。このモードでは、容量のスケーリングが可能になり、従来のエンタープライズ クラス SSD よりもパフォーマンスが向上し、遅延が短く、耐久性が高くなります。

インテル Optane DC 永続メモリの利点

Intel Optane DC 永続メモリ モジュールは、エンドユーザーにさまざまなメリットを提供します。まず、このモジュールは、よりコスト効率の高い方法でサーバーの DRAM フットプリントを効果的に拡張する方法を提供します。永続メモリは DRAM 層とメッシュ化できるため、永続メモリを使用すると効果的に使用可能な DRAM フットプリントがより迅速に拡張され、組織のサーバー投資の全体的な TCO が向上します。さらに、サーバーがより多くのデータをより迅速に処理できるようになったことで、ワークロードを統合する新たな機会を活用できる可能性もあります。価値に関しては、2 番目の議論もあります。 DRAM が提供するナノ秒の遅延をそれほど必要としないワークロードの場合、組織は、妥当な、またはより大きなメモリ フットプリントを維持しながら、よりコスト効率の高いメモリ フットプリントを維持するために、DRAM を減らし、Optane DC 永続メモリを増やしてサーバーを構築することを選択できます。 DRAM ではなく永続メモリ モジュール。

永続メモリ モジュールは、その名前が明示しているように、永続的です。これは、PMM をデータで更新する必要がないことを意味し、サーバーの再起動が高速化されます。これは、メモリ常駐データベースに関しては非常に重要です。サーバーの再起動後、メモリ内のデータをすべて復元するには、非常に長い時間がかかることがあります。高性能データベースに重点を置く独立系ソフトウェア ベンダー (ISV) は、迅速な運用が重要な概念であるこれらのシナリオの下で、永続メモリから多大な利益を得ることができました。実際、Intel はこれに関するデータを示しています。 1.3TB データセットのカラムナ ストア全体を DRAM にリロードするには、DRAM のみのサーバーでは 20 分かかることが判明しました。永続メモリが 32 分になるまでに、そのサーバーでシステム全体が再起動されました。 OS に 12 分、データに 20 分。 Optane DC 永続メモリを備えた同じサーバーでは 13.5 分かかりました。表面的には印象的ですが、データ コンポーネントがわずか 13 分半であったことを考えると、さらに印象的です。これは XNUMX 倍の増加に相当します。

Intel Optane DC 永続メモリ モジュールはモジュール上の暗号化も提供しており、これは史上初のハードウェア暗号化メモリです。このモジュールは、256 ビット AES-XTP 暗号化エンジンを使用した保存データ保護を使用します。メモリ モードでは、DRAM キャッシュのデータが失われると、暗号化キーも失われ、起動するたびに再生成されます。 App Direct モードでは、永続メディアは、Intel Optane DC コントローラーのみがアクセスできるモジュール上のセキュリティ メタデータ領域に保存されているキーを使用して暗号化されます。 Intel Optane DC 永続メモリは電源喪失イベント時にロックされるため、ロックを解除するにはパスフレーズが必要です。このモジュールは、安全な暗号化消去と DIMM の上書きもサポートしており、耐用年数終了時に安全に再利用または廃棄できます。最後に、署名付きバージョンのファームウェアが許可され、リビジョン管理オプションが利用可能です。

インテル Optane DC パーシステント メモリ ソフトウェア

明らかに永続メモリ ハードウェアの利点が強調されていますが、インテルは同様に重要なソフトウェア ツールのセットも持っています。次のツールは、サーバーの電源を入れ直し、システム BIOS で変更を加えるのではなく、オペレーティング システムを通じて永続メモリを管理する主な方法です。これにより時間を節約し、その場で変更を行うためのダウンタイムを防ぎます。

IPMCTL - Intel Optane DC 永続メモリ モジュールを管理するためのユーティリティ

次の機能をサポートします。

  • プラットフォームで永続メモリ モジュールを見つけます。
  • プラットフォームのメモリ構成をプロビジョニングします。
  • PMM 上のファームウェアを表示して更新します。
  • PMM で保存データのセキュリティを構成します。
  • PMM の健全性を監視します。
  • PMM のパフォーマンスを追跡します。
  • PMM のデバッグとトラブルシューティングを行います。

NDCTL - 「libnvdimm」サブシステム デバイス (不揮発性メモリ) を管理するユーティリティ

ndctl は、「libnvdimm」カーネル サブシステムを管理するためのユーティリティです。 「libnvdimm」サブシステムは、ACPI 6.0 NFIT (NVDIMM Firmware Interface Table) で定義されているものなど、プラットフォーム NVDIMM リソースのカーネル デバイス モデルと制御メッセージ インターフェイスを定義します。このツールでサポートされる操作には、容量 (名前空間) のプロビジョニングのほか、NVDIMM バスに関連付けられたデバイス (DIMM、領域、名前空間) の列挙/有効化/無効化が含まれます。

Intel Optane DC 永続メモリ モジュールの可用性

永続メモリ モジュールは現在入手可能であり、多数のサーバー ベンダーがシステムの可用性を発表しています。

ストレージ システム ベンダーも、ソリューションを高速化する方法として永続メモリに注目しています。

PMEM のクラウド サポート:

主要なワークステーション プロバイダーも、特にデータ サイエンス ワークロードにインテル Optane DC 永続メモリを採用しています。

インテル Optane DC 永続メモリのレビューとベンチマーク

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