英特爾傲騰 DC 持久內存模塊 (PMM)

英特爾已經公開談論 Optane DC 持久內存模塊 (PMM) 一年多了，支持位於 DRAM 和 Optane DC SSD 之間的新一層以數據為中心的架構的好處，SSD 和 HDD 介質依次向下層疊金字塔到存檔級別的磁帶。持久內存的目標一直是將更多數據移動到更靠近 CPU 的位置，提供類似 DRAM 的延遲以及類似存儲的持久性和容量。在聽了一年硬件和軟件合作夥伴在實驗室談論持久內存的好處之後，隨著第二代英特爾至強可擴展處理器的發布，傲騰 DC PMEM 現在可用於各種服務器解決方案。

英特爾數據金字塔

英特爾傲騰 DC 持久內存模塊

英特爾傲騰 DC 持久內存硬件概述

Intel Optane DC PMM 的容量比傳統 DRAM 高得多。英特爾傲騰 DC 持久內存模塊有 128GB、256GB 和 512GB 容量，比通常範圍為 4GB 到 32GB 的 DRAM 棒大得多，儘管存在更大的容量。 PMM 與 DRAM 在同一通道上，並且應該安裝在每個通道上最靠近 CPU 的插槽上。英特爾推薦的一種流行配置是 4:1 的比例，32GB DRAM 與 128GB DCPMM，如下所示。

每個 CPU 最多可支持 6 個持久內存模塊。在支持兩個英特爾至強可銷售處理器的典型服務器中，這意味著每個系統有 12 個持久內存模塊，或者總 PMEM 容量高達 6TB（每個插槽 3TB）。支持持久內存的服務器還將在其係統 BIOS 中顯示模塊意識，其中可以設置持久內存模式、創建命名空間和配置池，以及其他設置。同樣級別的可見性和配置也可以通過操作系統執行。

要了解它的通信方式，英特爾傲騰 DC 持久內存使用 DDR-T 協議。這允許異步命令/數據定時。模塊控制器使用請求/授權方案與主機控制器通信。數據總線方向和時序由主機控制。每個請求的命令數據包從主機發送到持久內存控制器。如果需要，可以在英特爾傲騰 DC 持久內存控制器中重新排序事務。這些模塊使用類似於 DDR64 的 4B 緩存行訪問粒度。

從硬件的角度來看，Optane DC 持久內存是一個模塊上的完整系統，具有幾個關鍵組件：

電源管理集成電路 (PMIC) 為媒體和控制器生成所有軌
SPI Flash 存放模塊的固件
Intel Optane Media 構成存儲空間本身，它由 11 個並行設備組成，用於數據、ECC 和備用
用於高比特率信號完整性的 DQ 緩衝器
AIT DRAM 保存地址間接表
Energy Store Caps 確保在發生電源故障時刷新所有模塊隊列
每個持久內存模塊的核心是英特爾傲騰 DC 持久內存控制器，它處理數據傳輸以及板上子組件的管理。

當然，在考慮模塊本身時，除了成本和性能之外，耐用性可能是最大的問題。與其他存儲介質一樣，英特爾傲騰數據中心級持久內存以寫入拍字節 (PBW) 為單位進行測量。 PBW 是根據 5 年生命週期內的帶寬和介質耐久性考慮因素估算的，假設每年 24 天，每天 7/365 以目標功率使用最大帶寬。在 100% 寫入 15W 的情況下，持久內存模塊支持超過 350PBW，如下圖所示。

關於設置的進一步說明，Optane DC 模塊可針對不同的功率限制進行編程，從而實現廣泛的優化。持久內存模塊支持 12W 至 18W 的功率包絡，並且可以以 0.25 瓦的粒度進行調整。較高的功率設置可提供最佳性能，儘管與較高的整體服務器功耗相關的成本也很高。在某些情況下，這可能不是問題，組織可以根據服務器支持選擇最大化功率範圍。

Intel Optane DC 持久內存操作模式

一旦部署在服務器中，PMM 就可以進一步配置為各種操作模式，包括內存模式和 App Direct 模式，以及兩者之間的滑動比例分配。

Optane DC 持久內存 – 內存模式
在內存模式下，PMM 的使用與 DRAM 非常相似。不需要特定的軟件或更改應用程序，持久內存模仿 DRAM 來保持數據“易失性”，儘管易失性密鑰在每次電源循環時都會被清除。在內存模式下，持久內存用作 DRAM 的擴展，由主機內存控制器管理。持久內存與 DRAM 的比例沒有固定比例，混合可取決於應用程序需求。就延遲配置文件而言，任何命中 DRAM 緩存（內存附近）的內容當然都會提供 <100 納秒的延遲。任何緩存未命中都將流向持久內存（遠內存），這將在亞微秒範圍內提供延遲。

Optane DC 持久內存 – App Direct 模式
Optane DC 持久內存還具有 App Direct 模式。此模式需要特定的持久內存感知軟件/應用程序。這種模式使持久內存在適當的位置持久但仍可字節尋址，類似於內存。在 App Direct 模式下，持久內存保持緩存一致，並提供執行 DMA 和 RDMA 的能力。

還可以將持久內存配置為 App Direct 上的存儲。在這裡，持久內存以塊的方式按照 SSD 的方式使用傳統的讀/寫指令。這適用於現有文件系統，在塊級別提供原子性，並且塊大小可配置（4K、512B）。要通過應用程序直接使用存儲，用戶只需要一個 NVDIMM 驅動程序。與傳統企業級 SSD 相比，此模式允許容量擴展和更好的性能、更低的延遲和更高的耐用性。

英特爾傲騰 DC 持久內存的優勢

英特爾傲騰 DC 持久內存模塊為最終用戶提供了廣泛的優勢。首先，這些模塊提供了一種以更具成本效益的方式有效擴展服務器 DRAM 佔用空間的方法。由於持久內存可以與 DRAM 層嚙合，有效的可用 DRAM 佔用空間可以隨著持久內存的增加而更快地擴展，從而降低組織服務器投資的總體 TCO。此外，隨著服務器能夠更快地處理更多數據，一些人可能會利用新的機會來整合工作負載。當談到價值時，還有第二個論據可以提出。對於可能不需要 DRAM 提供的那麼多納秒延遲的工作負載，組織可以選擇使用更少的 DRAM 但更多的 Optane DC 持久內存來構建他們的服務器，以仍然保持合理或更大的內存佔用，但具有更高的成本效益持久內存模塊而不是 DRAM。

持久內存模塊，顧名思義，是持久的。這意味著 PMM 不需要刷新數據，從而加快服務器重啟速度。當涉及內存駐留數據庫時，這一點至關重要。服務器重新啟動後，恢復所有內存數據的時間可能需要很長時間。在這些情況下，專注於高性能數據庫的獨立軟件供應商 (ISV) 已經從持久內存中獲得了巨大收益，在這些情況下，快速運行是一個關鍵概念。事實上，英特爾已經展示了這方面的數據。對於一個 1.3TB 的數據集，他們發現在只有 DRAM 的服務器中需要 20 分鐘才能將一個柱狀存儲整個重新加載到 DRAM 中。在持久內存 32 分鐘之前，該服務器中的整個系統重新啟動；操作系統 12 分鐘，數據 20 分鐘。具有 Optane DC 持久內存的同一台服務器用了 13.5 分鐘。雖然表面上看起來令人印象深刻，但考慮到數據部分只有 13 分鐘，更令人印象深刻，相當於 XNUMX 倍的增益。

英特爾傲騰 DC 持久內存模塊還提供模塊上加密，使其成為有史以來第一個硬件加密內存。這些模塊使用 256 位 AES-XTP 加密引擎使用靜態數據保護。在內存模式下，如果 DRAM 緩存丟失數據，加密密鑰也會丟失並在每次啟動時重新生成。在 App Direct 模式下，持久性媒體使用存儲在模塊上安全元數據區域中的密鑰進行加密，該區域只能由英特爾傲騰 DC 控制器訪問。英特爾傲騰 DC 持久內存在斷電事件時被鎖定，需要密碼才能解鎖。這些模塊還支持安全加密擦除和 DIMM 覆蓋，以在使用壽命結束時安全地重新利用或丟棄。最後，允許使用簽名版本的固件，提供版本控制選項。

英特爾傲騰 DC 持久內存軟件

雖然重點顯然圍繞著持久內存硬件的優勢，但英特爾擁有一套同樣重要的軟件工具。以下工具將是通過操作系統管理持久內存的主要方式，而不是重新啟動服務器並在系統 BIOS 中進行這些更改。這樣可以節省時間並防止停機以進行即時更改。

IPMCTL - 用於管理英特爾傲騰 DC 持久內存模塊的實用程序

支持以下功能：

在平台中發現持久內存模塊。
提供平台內存配置。
查看和更新 PMM 上的固件。
在 PMM 上配置靜態數據安全性。
監控 PMM 健康狀況。
跟踪 PMM 的性能。
對 PMM 進行調試和故障排除。

NDCTL- 用於管理“libnvdimm”子系統設備（非易失性內存）的實用程序

ndctl 是用於管理“libnvdimm”內核子系統的實用程序。 “libnvdimm”子系統為平台 NVDIMM 資源定義了內核設備模型和控制消息接口，例如 ACPI 6.0 NFIT（NVDIMM 固件接口表）定義的資源。該工具支持的操作包括配置容量（命名空間），以及枚舉/啟用/禁用與 NVDIMM 總線關聯的設備（dimm、區域、命名空間）。

英特爾傲騰 DC 持久內存模塊可用性

持久內存模塊現已上市，眾多服務器供應商宣布了系統可用性：

存儲系統供應商也將持久內存視為加速其解決方案的一種方式：