Společnost Intel veřejně hovoří o modulech perzistentní paměti Optane DC (PMM) již více než rok a vyzdvihuje výhody nové úrovně datově orientované architektury, která se nachází mezi DRAM a Optane DC SSD disky. Sekvenčně pomalejší média SSD a HDD se kaskádovitě přesouvají dolů po pyramidě na pásku na úrovni archivu. Cílem perzistentní paměti bylo vždy přesunout více dat blíže k CPU, což by nabídlo latenci podobnou DRAM s perzistencí a kapacitou podobnou úložišti. Po roce naslouchání hardwarovým a softwarovým partnerům, kteří v laboratoři hovořili o výhodách perzistentní paměti, je nyní s uvedením druhé generace škálovatelných procesorů Intel Xeon modul Optane DC PMEM k dispozici v široké škále serverových řešení.
Perzistentní paměťový modul Intel Optane DC
Přehled hardwaru perzistentní paměti Intel Optane DC
Paměti Intel Optane DC PMM se dodávají v mnohem vyšších kapacitách než tradiční DRAM. Persistentní paměťové moduly Intel Optane DC se dodávají v kapacitách 128 GB, 256 GB a 512 GB, což je mnohem více než u modulů DRAM, které se obvykle pohybují od 4 GB do 32 GB, ačkoli existují i větší kapacity. Moduly PMM jsou na stejném kanálu jako DRAM a měly by být osazeny do slotu nejblíže CPU na každém kanálu. Oblíbená konfigurace, kterou Intel doporučuje, je poměr 4:1, s 32 GB DRAM ku 128 GB DCPMM, jak můžete vidět níže.
Každý procesor může podporovat až 6 modulů perzistentní paměti. V typickém serveru, který podporuje dva prodejní procesory Intel Xeon, to znamená 12 modulů perzistentní paměti na systém, neboli až 6 TB celkové kapacity PMEM (3 TB na socket). Servery, které podporují perzistentní paměť, si také uvědomí moduly v systému BIOS, kde lze mimo jiné nastavit režimy perzistentní paměti, vytvořit jmenné prostory a konfigurovat fondy. Stejnou úroveň viditelnosti a konfigurace lze provádět i prostřednictvím operačního systému.
Pro znázornění komunikace používá perzistentní paměť Intel Optane DC protokol DDR-T. To umožňuje asynchronní časování příkazů/dat. Řadič modulu používá schéma požadavek/udělení pro komunikaci s hostitelským řadičem. Směr a časování datové sběrnice je řízeno hostitelem. Z hostitele je do řadiče perzistentní paměti odeslán jeden paket příkazů na požadavek. V případě potřeby lze v řadiči perzistentní paměti Intel Optane DC změnit pořadí transakcí. Moduly používají granularitu přístupu k řádkům mezipaměti 64B, která je podobná DDR4.
Z hardwarového hlediska je perzistentní paměť Optane DC kompletní systém na modulu s několika klíčovými komponentami:
- Integrovaný obvod pro správu napájení (PMIC) generuje všechny kolejnice pro média a řídicí jednotku
- SPI Flash ukládá firmware modulu
- Paměť Intel Optane Media tvoří samotný úložný prostor, který se skládá z 11 paralelních zařízení pro data, ECC a rezervní paměť.
- DQ buffery pro integritu signálu s vysokou bitovou rychlostí
- Paměť AIT DRAM obsahuje tabulku indirekčních adres
- Energy Store Caps zajišťuje vyprázdnění všech front modulů v případě výpadku napájení.
- Srdcem každého modulu perzistentní paměti je řadič perzistentní paměti Intel Optane DC, který zajišťuje přenosy dat a správu dílčích komponent na desce.
Samozřejmě, pokud jde o samotné moduly, je po ceně a výkonu pravděpodobně největším problémem výdrž. Stejně jako jiná úložná média se i perzistentní paměť Intel Optane DC měří v zapsaných petabajtech (PBW). PBW se odhaduje na základě šířky pásma a výdrže média po dobu 5 let životnosti za předpokladu maximální šířky pásma při cílovém využití energie po dobu 24 hodin denně, 7 dní v týdnu, 365 dní v roce. V případě 100% zápisu 15 W podporují moduly perzistentní paměti více než 350 PBW, jak je vidět v grafu níže.
Ještě jedna poznámka k nastavení: moduly Optane DC jsou programovatelné pro různé limity výkonu, což umožňuje široký rozsah optimalizace. Moduly perzistentní paměti podporují výkonový limit 12 W – 18 W a lze je ladit s rozlišením 0.25 wattu. Vyšší nastavení výkonu poskytují nejlepší výkon, i když s náklady spojenými s vyšší celkovou spotřebou energie serveru. V některých případech to nemusí být problém a organizace se mohou rozhodnout maximalizovat výkonový limit na základě podpory serveru.
Provozní režimy perzistentní paměti Intel Optane DC
Po nasazení na serveru lze moduly PMM dále konfigurovat v různých provozních režimech, včetně režimu paměti a režimu přímého přístupu z aplikace, spolu s posuvnou škálou alokací mezi nimi.
Trvalá paměť Optane DC – režim paměti
V paměťovém režimu se paměti PMM používají velmi podobně jako DRAM. Není potřeba žádný specifický software ani změny aplikací, perzistentní paměť napodobuje DRAM a udržuje data „volatilní“, ačkoli klíč volatility se vymaže při každém zapnutí/vypnutí napájení. V paměťovém režimu se perzistentní paměť používá jako rozšíření DRAM a je spravována hostitelským řadičem paměti. Neexistuje žádný pevný poměr pro perzistentní paměť a DRAM, kombinace může záviset na potřebách aplikace. Co se týče profilu latence, cokoli, co zasáhne mezipaměť DRAM (blízká paměť), bude mít samozřejmě latenci <100 nanosekund. Jakékoli nedosažení mezipaměti se přesune do perzistentní paměti (vzdálená paměť), která bude mít latenci v rozsahu submikrosekund.
Trvalá paměť Optane DC – režim App Direct
Perzistentní paměť Optane DC má také režim App Direct. Tento režim vyžaduje specifický software/aplikace pro perzistentní paměť. Tento režim umožňuje, aby perzistentní paměť zůstala perzistentní, ale stále adresovatelná bajty, podobně jako paměť. V režimu App Direct zůstává perzistentní paměť koherentní s mezipamětí a nabízí možnost provádět DMA a RDMA.
Existuje také možnost konfigurovat perzistentní paměť jako úložiště přes App Direct. Zde perzistentní paměť funguje v blocích stejným způsobem, jako by to dělaly SSD disky s tradičními instrukcemi pro čtení/zápis. Toto funguje se stávajícími souborovými systémy, nabízí atomicitu na úrovni bloků a velikost bloku je konfigurovatelná (4K, 512B). Pro použití úložiště přes App Direct uživatelé jednoduše potřebují ovladač NVDIMM. Tento režim umožňuje škálování kapacity a lepší výkon, nižší latenci a vyšší odolnost než tradiční SSD disky podnikové třídy.
Výhody perzistentní paměti Intel Optane DC
Perzistentní paměťové moduly Intel Optane DC nabízejí koncovým uživatelům širokou škálu výhod. Zaprvé, moduly nabízejí způsob, jak efektivně škálovat paměť DRAM serveru mnohem nákladově efektivnějším způsobem. Protože perzistentní paměť lze propojit s vrstvou DRAM, efektivní použitelná paměť DRAM se škáluje rychleji s perzistentní pamětí, což zlepšuje celkové náklady na vlastnictví investice organizace do serverů. Dále, vzhledem k tomu, že servery jsou schopny zpracovávat více dat rychleji, může být pro některé možné využít nových příležitostí ke konsolidaci pracovních zátěží. Existuje také druhý argument, který lze uvést, pokud jde o hodnotu. U pracovních zátěží, které nemusí vyžadovat tolik nanosekundové latence, kterou nabízí DRAM, by se organizace mohly rozhodnout postavit své servery s menším množstvím DRAM, ale s větším množstvím perzistentní paměti Optane DC, aby si stále zachovaly rozumnou nebo větší paměťovou stopu, ale s nákladově efektivnějšími moduly perzistentní paměti namísto DRAM.
Perzistentní paměťové moduly, jak název napovídá, jsou perzistentní. To znamená, že moduly PMM není nutné obnovovat daty, což vede k rychlejšímu restartu serveru. To je kriticky důležité, pokud jde o databáze rezidentní v paměti. Po restartu serveru může doba obnovení všech dat v paměti trvat velmi dlouho. Nezávislí dodavatelé softwaru (ISV), kteří se zaměřují na vysoce výkonné databáze, zaznamenali v těchto scénářích, kde je rychlé uvedení do provozu kritickým faktorem, obrovské zisky z perzistentní paměti. Společnost Intel dokonce prokázala data, která to potvrzují. Zjistili, že úplné načtení sloupcového úložiště do DRAM pro datovou sadu o velikosti 1.3 TB trvalo 20 minut na serveru pouze s DRAM. Celý restart systému na tomto serveru před perzistentní pamětí trval 32 minut; 12 minut pro operační systém a 20 minut pro data. Stejný server s perzistentní pamětí Optane DC trval 13.5 minuty. I když to na první pohled vypadá působivě, je to ještě působivější, když vezmeme v úvahu, že datová složka trvala pouze minutu a půl, což představuje 13násobný zisk.
Perzistentní paměťové moduly Intel Optane DC také nabízejí šifrování přímo na modulu, což z nich činí první hardwarově šifrovanou paměť vůbec. Moduly využívají ochranu dat v klidu pomocí 256bitového šifrovacího enginu AES-XTP. V režimu paměti (Memory Mode), pokud mezipaměť DRAM ztratí data, šifrovací klíč se ztratí a regeneruje se při každém spuštění. V režimu App Direct Mode (App Direct Mode) jsou perzistentní média šifrována pomocí klíče uloženého v oblasti bezpečnostních metadat na modulu, ke které má přístup pouze řadič Intel Optane DC. Perzistentní paměť Intel Optane DC je uzamčena při výpadku napájení a k odemčení je potřeba heslo. Moduly také podporují bezpečné kryptografické mazání a přepisování DIMM pro bezpečné opětovné použití nebo likvidaci na konci životnosti. A konečně, povoleny jsou podepsané verze firmwaru a k dispozici jsou možnosti správy revizí.
Software pro perzistentní paměť Intel Optane DC
I když je důraz jasně kladen na výhody hardwaru perzistentní paměti, Intel má k dispozici i sadu důležitých softwarových nástrojů. Následující nástroje by představovaly primární způsob správy perzistentní paměti prostřednictvím operačního systému, na rozdíl od restartování a vypínání serveru a provádění těchto změn v systémovém BIOSu. To šetří čas a zabraňuje prostojům z důvodu provádění změn za chodu.
IPMCTL – Nástroj pro správu modulů perzistentní paměti Intel Optane DC
Podporuje funkce pro:
- Objevte moduly perzistentní paměti na platformě.
- Zřiďte konfiguraci paměti platformy.
- Zobrazení a aktualizace firmwaru na PMM.
- Nakonfigurujte zabezpečení dat v klidu na PMM.
- Sledování stavu PMM.
- Sledujte výkon PMM.
- Ladění a řešení problémů s PMM.
NDCTL – Utilita pro správu zařízení subsystému „libnvdimm“ (energeticky nezávislá paměť)
ndctl je utilita pro správu subsystému jádra „libnvdimm“. Subsystém „libnvdimm“ definuje model zařízení jádra a rozhraní řídicích zpráv pro prostředky platformy NVDIMM, jako jsou ty definované v tabulce rozhraní ACPI 6.0 NFIT (NVDIMM Firmware Interface Table). Mezi operace podporované tímto nástrojem patří zřizování kapacity (jmenné prostory) a také výčet/povolování/zakazování zařízení (dimmů, regionů, jmenných prostorů) přidružených ke sběrnici NVDIMM.
Dostupnost modulu perzistentní paměti Intel Optane DC
Moduly perzistentní paměti jsou nyní k dispozici a řada dodavatelů serverů oznamuje dostupnost systémů:
Dodavatelé úložných systémů se také zaměřují na perzistentní paměť jako na způsob, jak urychlit svá řešení:
Cloudová podpora pro PMEM:
Přední dodavatelé pracovních stanic také využívají perzistentní paměť Intel Optane DC, zejména pro úlohy datové vědy.
Recenze a benchmarky perzistentní paměti Intel Optane DC
Amazon