Firma Intel od ponad roku publicznie mówi o modułach pamięci trwałej Optane DC (PMM), podkreślając korzyści płynące z nowego poziomu architektury skoncentrowanej na danych, który plasuje się pomiędzy pamięcią DRAM a dyskami SSD Optane DC, z sekwencyjnie wolniejszymi nośnikami SSD i HDD kaskadowo przechodzącymi w dół piramidy, aż do taśm na poziomie archiwizacji. Celem pamięci trwałej zawsze było przybliżenie większej ilości danych do procesora, oferując opóźnienia porównywalne z pamięcią DRAM, a trwałość i pojemność porównywalną z pamięcią masową. Po roku słuchania partnerów sprzętowych i programowych, którzy w laboratoriach opowiadali o zaletach pamięci trwałej, wraz z premierą drugiej generacji skalowalnych procesorów Intel Xeon, moduły Optane DC PMEM są teraz dostępne w szerokiej gamie rozwiązań serwerowych.
Moduł pamięci trwałej Intel Optane DC
Przegląd sprzętu pamięci trwałej Intel Optane DC
Moduły pamięci trwałej Intel Optane DC PMM charakteryzują się znacznie większą pojemnością niż tradycyjne moduły DRAM. Moduły pamięci trwałej Intel Optane DC są dostępne w pojemnościach 128 GB, 256 GB i 512 GB, znacznie większych niż moduły DRAM, których pojemność zazwyczaj waha się od 4 GB do 32 GB, choć istnieją również większe pojemności. Moduły PMM pracują w tym samym kanale co DRAM i powinny być montowane w gnieździe najbliższym procesora na każdym kanale. Popularną konfiguracją zalecaną przez firmę Intel jest konfiguracja o stosunku 4:1, z 32 GB pamięci DRAM na 128 GB pamięci DCPMM, co widać poniżej.
Każdy procesor może obsługiwać do 6 modułów pamięci trwałej. W typowym serwerze obsługującym dwa procesory Intel Xeon Saleable oznacza to 12 modułów pamięci trwałej na system, czyli do 6 TB całkowitej pojemności PMEM (3 TB na gniazdo). Serwery obsługujące pamięć trwałą będą również informować o modułach w systemie BIOS, gdzie można między innymi ustawić tryby pamięci trwałej, utworzyć przestrzenie nazw i skonfigurować pule. Ten sam poziom widoczności i konfiguracji można również uzyskać z poziomu systemu operacyjnego.
Aby przyjrzeć się sposobowi komunikacji, pamięć trwała Intel Optane DC wykorzystuje protokół DDR-T. Umożliwia to asynchroniczne synchronizowanie poleceń i danych. Kontroler modułu wykorzystuje schemat żądania/przyznania do komunikacji z kontrolerem hosta. Kierunek magistrali danych i synchronizacja są kontrolowane przez hosta. Pakiet poleceń na żądanie jest wysyłany z hosta do kontrolera pamięci trwałej. W razie potrzeby transakcję można zmienić w kontrolerze pamięci trwałej Intel Optane DC. Moduły wykorzystują granularność dostępu do linii pamięci podręcznej 64B, podobną do DDR4.
Z punktu widzenia sprzętu pamięć trwała Optane DC jest kompletnym systemem na module, składającym się z kilku kluczowych komponentów:
- Układ scalony zarządzania energią (PMIC) generuje wszystkie szyny dla nośników i kontrolera
- Pamięć flash SPI przechowuje oprogramowanie układowe modułu
- Nośniki Intel Optane stanowią przestrzeń dyskową składającą się z 11 równoległych urządzeń do przechowywania danych, pamięci ECC i pamięci zapasowej
- Bufory DQ zapewniające integralność sygnału o wysokiej szybkości transmisji
- Pamięć DRAM AIT przechowuje tablicę adresów pośrednich
- Kondensatory Energy Store Caps zapewniają opróżnienie wszystkich kolejek modułów w przypadku awarii zasilania
- Sercem każdego modułu pamięci trwałej jest kontroler pamięci trwałej Intel Optane DC, który odpowiada za przesyłanie danych oraz zarządzanie podzespołami na płycie.
Oczywiście, biorąc pod uwagę same moduły, po koszcie i wydajności, prawdopodobnie największym problemem jest wytrzymałość. Podobnie jak inne nośniki danych, pamięć trwała Intel Optane DC jest mierzona w petabajtach zapisu (PBW). PBW jest szacowane na podstawie przepustowości i wytrzymałości nośnika w ciągu 5 lat eksploatacji, przy założeniu maksymalnej przepustowości przy docelowym zużyciu energii przez 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, 365 dni w roku. W przypadku 100% zapisu z mocą 15 W moduły pamięci trwałej obsługują ponad 350 PBW, jak pokazano na poniższym wykresie.
Kolejna uwaga dotycząca ustawień: moduły Optane DC można programować dla różnych limitów mocy, co pozwala na szeroki zakres optymalizacji. Moduły pamięci trwałej obsługują zakres mocy od 12 W do 18 W i można je regulować z dokładnością do 0.25 W. Wyższe ustawienia mocy zapewniają najlepszą wydajność, aczkolwiek wiążą się z wyższym całkowitym poborem mocy przez serwer. W niektórych przypadkach może to nie stanowić problemu, a organizacje mogą zdecydować się na maksymalne wykorzystanie zakresu mocy w zależności od obsługi serwera.
Tryby pracy pamięci trwałej Intel Optane DC
Po wdrożeniu na serwerze urządzenia PMM można dodatkowo skonfigurować w różnych trybach pracy, w tym trybie pamięci i trybie bezpośrednim aplikacji, a także w ramach przesuwnej skali alokacji pomiędzy nimi.
Pamięć trwała Optane DC – tryb pamięci
W trybie pamięci, pamięci PMM są używane bardzo podobnie do pamięci DRAM. Nie ma potrzeby instalowania specjalnego oprogramowania ani wprowadzania zmian w aplikacjach, pamięć trwała naśladuje pamięć DRAM, utrzymując dane w stanie „ulotnym”, chociaż klucz ulotny jest czyszczony po każdym cyklu zasilania. W trybie pamięci pamięć trwała jest używana jako rozszerzenie pamięci DRAM i jest zarządzana przez kontroler pamięci hosta. Nie ma ustalonego stosunku między pamięcią trwałą a pamięcią DRAM, a proporcje mogą zależeć od potrzeb aplikacji. Jeśli chodzi o profil opóźnień, wszystko, co trafia do pamięci podręcznej DRAM (bliskiej pamięci), oczywiście zapewni opóźnienie <100 nanosekund. Wszelkie pominięcia w pamięci podręcznej zostaną przeniesione do pamięci trwałej (dalej pamięci), która zapewni opóźnienie w zakresie poniżej mikrosekundy.
Pamięć trwała Optane DC – tryb App Direct
Pamięć trwała Optane DC posiada również tryb App Direct. Tryb ten wymaga specjalnego oprogramowania/aplikacji obsługujących pamięć trwałą. Tryb ten sprawia, że pamięć trwała jest trwała, ale nadal adresowalna bajtowo, podobnie jak pamięć masowa. W trybie App Direct pamięć trwała zachowuje spójność pamięci podręcznej i oferuje możliwość obsługi DMA i RDMA.
Istnieje również możliwość skonfigurowania pamięci trwałej jako magazynu danych przez App Direct. W tym przypadku pamięć trwała działa w blokach, podobnie jak dyski SSD, z tradycyjnymi instrukcjami odczytu/zapisu. Rozwiązanie to współpracuje z istniejącymi systemami plików, zapewnia atomowość na poziomie bloku i umożliwia konfigurowanie rozmiaru bloku (4 KB, 512 B). Aby korzystać z magazynu danych przez App Direct, użytkownicy potrzebują jedynie sterownika NVDIMM. Ten tryb umożliwia skalowanie pojemności oraz lepszą wydajność, mniejsze opóźnienia i większą wytrzymałość niż tradycyjne dyski SSD klasy korporacyjnej.
Zalety pamięci trwałej Intel Optane DC
Moduły pamięci trwałej Intel Optane DC oferują użytkownikom końcowym szeroki wachlarz korzyści. Po pierwsze, moduły te umożliwiają efektywne skalowanie pamięci DRAM serwera w znacznie bardziej opłacalny sposób. Ponieważ pamięć trwała może być zintegrowana z warstwą DRAM, efektywny, użyteczny rozmiar pamięci DRAM skaluje się szybciej, a pamięć trwała poprawia całkowity koszt posiadania (TCO) inwestycji w serwery w organizacji. Co więcej, dzięki możliwości szybszego przetwarzania większej ilości danych przez serwery, niektóre z nich mogą skorzystać z nowych możliwości konsolidacji obciążeń. Istnieje również drugi argument, który można przedstawić w kontekście wartości. W przypadku obciążeń, które mogą nie wymagać tak dużego opóźnienia, jakie oferuje pamięć DRAM rzędu nanosekund, organizacje mogą zdecydować się na budowę serwerów z mniejszą ilością pamięci DRAM, ale większą ilością pamięci trwałej Optane DC, aby nadal zachować rozsądny lub większy rozmiar pamięci, ale z bardziej opłacalnymi modułami pamięci trwałej zamiast pamięci DRAM.
Moduły pamięci trwałej, jak sama nazwa wskazuje, są trwałe. Oznacza to, że moduły PMM nie muszą być odświeżane danymi, co prowadzi do szybszych restartów serwera. Jest to niezwykle ważne w przypadku baz danych rezydentnych w pamięci. Po restarcie serwera przywrócenie wszystkich danych z pamięci może zająć bardzo dużo czasu. Niezależni dostawcy oprogramowania (ISV), którzy koncentrują się na wysokowydajnych bazach danych, zaobserwowali ogromne korzyści z pamięci trwałej w takich scenariuszach, w których szybkie uruchomienie jest kwestią kluczową. W rzeczywistości Intel przedstawił dane na ten temat. Stwierdzili, że całkowite przeładowanie pamięci kolumnowej do pamięci DRAM dla zestawu danych o pojemności 1.3 TB trwa 20 minut w serwerze tylko z pamięcią DRAM. Całkowity restart systemu na tym serwerze przed pamięcią trwał 32 minuty; 12 minut dla systemu operacyjnego i 20 minut dla danych. Ten sam serwer z pamięcią trwałą Optane DC trwał 13.5 minuty. Choć na pierwszy rzut oka wygląda to imponująco, to jeszcze bardziej robi wrażenie, gdy weźmiemy pod uwagę, że czas trwania danych wynosił zaledwie półtorej minuty, co oznacza 13-krotny wzrost.
Moduły pamięci trwałej Intel Optane DC oferują również szyfrowanie wewnątrz modułu, co czyni je pierwszymi w historii pamięciami szyfrowanymi sprzętowo. Moduły chronią dane w stanie spoczynku za pomocą 256-bitowego mechanizmu szyfrującego AES-XTP. W trybie pamięci, jeśli pamięć podręczna DRAM utraci swoje dane, klucz szyfrujący jest tracony i regenerowany przy każdym uruchomieniu. W trybie App Direct, nośniki trwałe są szyfrowane za pomocą klucza przechowywanego w obszarze metadanych bezpieczeństwa w module, do którego dostęp ma tylko kontroler Intel Optane DC. Pamięć trwała Intel Optane DC jest blokowana w przypadku zaniku zasilania i wymaga podania hasła do odblokowania. Moduły obsługują również bezpieczne kryptograficzne kasowanie danych i nadpisywanie pamięci DIMM, co umożliwia bezpieczne ponowne wykorzystanie lub usunięcie po zakończeniu okresu eksploatacji. Dozwolone są również podpisane wersje oprogramowania układowego i dostępne są opcje kontroli wersji.
Oprogramowanie pamięci trwałej Intel Optane DC
Chociaż nacisk kładziony jest wyraźnie na zalety pamięci trwałej, Intel oferuje również zestaw narzędzi programowych, które są równie istotne. Poniższe narzędzia stanowią podstawowy sposób zarządzania pamięcią trwałą za pośrednictwem systemu operacyjnego, zamiast wyłączania i ponownego uruchamiania serwera oraz wprowadzania zmian w BIOS-ie systemu. Oszczędza to czas i zapobiega przestojom spowodowanym wprowadzaniem zmian „w locie”.
IPMCTL – Narzędzie do zarządzania modułami pamięci trwałej Intel Optane DC
Obsługuje funkcjonalność:
- Odkryj trwałe moduły pamięci na platformie.
- Zapewnij konfigurację pamięci platformy.
- Przeglądaj i aktualizuj oprogramowanie sprzętowe w urządzeniach PMM.
- Konfigurowanie zabezpieczeń danych w spoczynku w maszynach PMM.
- Monitoruj stan zdrowia PMM.
- Śledź wydajność PMM.
- Debugowanie i rozwiązywanie problemów PMM.
NDCTL – Narzędzie do zarządzania urządzeniami podsystemu „libnvdimm” (pamięć nieulotna)
ndctl to narzędzie do zarządzania podsystemem jądra „libnvdimm”. Podsystem „libnvdimm” definiuje model urządzeń jądra i interfejs komunikatów sterujących dla zasobów platformy NVDIMM, takich jak te zdefiniowane w tabeli interfejsu oprogramowania sprzętowego NVDIMM (NFIT) standardu ACPI 6.0. Operacje obsługiwane przez narzędzie obejmują aprowizowanie pojemności (przestrzenie nazw), a także enumerację/włączanie/wyłączanie urządzeń (modułów DIMM, regionów, przestrzeni nazw) powiązanych z magistralą NVDIMM.
Dostępność modułu pamięci trwałej Intel Optane DC
Moduły pamięci trwałej są już dostępne, a wielu producentów serwerów ogłosiło dostępność systemu:
Dostawcy systemów pamięci masowej również biorą pod uwagę pamięć trwałą jako sposób na przyspieszenie swoich rozwiązań:
Wsparcie w chmurze dla PMEM:
Wiodący dostawcy stacji roboczych również wybierają pamięć trwałą Intel Optane DC, zwłaszcza w przypadku obciążeń związanych z nauką danych.
Recenzje i testy pamięci trwałej Intel Optane DC
Amazon