A Intel tem falado publicamente sobre os Módulos de Memória Persistente (PMM) Optane DC há mais de um ano, defendendo os benefícios de uma nova camada de arquitetura centrada em dados que fica entre DRAM e SSDs Optane DC, com SSD e HDD sequencialmente mais lentos em cascata na pirâmide para gravar no nível do arquivo. O objetivo da memória persistente sempre foi mover mais dados para mais perto da CPU, oferecendo latência semelhante à DRAM com persistência e capacidades semelhantes às do armazenamento. Após um ano ouvindo parceiros de hardware e software falarem sobre os benefícios da memória persistente no laboratório, com o lançamento da segunda geração de processadores escalonáveis Intel Xeon, o Optane DC PMEM agora está disponível em uma ampla variedade de soluções de servidor.
Módulo de memória persistente Intel Optane DC
Visão geral do hardware de memória persistente Intel Optane DC
Os PMMs Intel Optane DC vêm em capacidades muito maiores do que a DRAM tradicional. Os módulos de memória persistente Intel Optane DC vêm em capacidades de 128 GB, 256 GB e 512 GB, muito maiores do que os sticks DRAM que normalmente variam de 4 GB a 32 GB, embora existam capacidades maiores. Os PMMs estão no mesmo canal que a DRAM e devem ser preenchidos no slot mais próximo da CPU em cada canal. Uma configuração popular que a Intel recomenda é uma proporção de 4:1, com DRAM de 32 GB para DCPMM de 128 GB, que você pode ver abaixo.
Cada CPU pode suportar até 6 módulos de memória persistente. Em um servidor típico que suporta dois processadores vendáveis Intel Xeon, isso significa 12 módulos de memória persistente por sistema ou até 6 TB de capacidade PMEM total (3 TB por soquete). Os servidores com capacidade de memória persistente também mostrarão reconhecimento dos módulos no BIOS do sistema, onde os modos de memória persistente podem ser definidos, namespaces criados e pools podem ser configurados, entre outras configurações. Esse mesmo nível de visibilidade e configuração também pode ser realizado por meio do sistema operacional.
Para ver como ela se comunica, a memória persistente Intel Optane DC usa o protocolo DDR-T. Isso permite temporização assíncrona de comando/dados. O controlador do módulo usa o esquema de solicitação/concessão para se comunicar com o controlador host. A direção e o tempo do barramento de dados são controlados pelo host. Um pacote de comando por solicitação é enviado do host para o controlador de memória persistente. A transação pode ser reordenada no controlador de memória persistente Intel Optane DC, se necessário. Os módulos usam granularidade de acesso à linha de cache de 64B, semelhante ao DDR4.
Do ponto de vista do hardware, a memória persistente Optane DC é um sistema completo em um módulo com vários componentes principais:
- O circuito integrado de gerenciamento de energia (PMIC) gera todos os trilhos para mídia e controlador
- SPI Flash armazena o firmware do módulo
- O Intel Optane Media compõe o próprio espaço de armazenamento, que é composto por 11 dispositivos paralelos para dados, ECC e sobressalentes
- Buffers DQ para integridade de sinal de alta taxa de bits
- AIT DRAM contém a tabela de endereços indiretos
- O Energy Store Caps garante a descarga de todas as filas de módulos em caso de falha de energia
- No coração de cada módulo de memória persistente está o controlador de memória persistente Intel Optane DC, que lida com as transferências de dados, bem como o gerenciamento dos subcomponentes na placa.
É claro que ao considerar os próprios módulos, depois de custo e desempenho, talvez a resistência seja a maior preocupação. Como outras mídias de armazenamento, a memória persistente Intel Optane DC é medida em Petabytes gravados (PBW). O PBW é estimado com base em considerações de largura de banda e resistência de mídia durante a vida útil de 5 anos, assumindo a largura de banda máxima no uso de energia alvo por 24 horas por dia, 7 dias por semana, 365 dias por ano. No caso de 100% escrever 15W os módulos de memória persistente suportam mais de 350PBW, conforme o gráfico abaixo.
Mais uma observação sobre as configurações: os módulos Optane DC são programáveis para diferentes limites de energia, permitindo uma ampla amostra de otimização. Os módulos de memória persistente suportam um envelope de potência de 12 W – 18 W e podem ser ajustados em granularidade de 0.25 watts. As configurações de energia mais altas fornecem o melhor desempenho, embora com o custo associado ao maior consumo geral de energia do servidor. Em alguns casos, isso pode não ser um problema e as organizações podem optar por maximizar o envelope de energia com base no suporte do servidor.
Modos operacionais de memória persistente Intel Optane DC
Depois de implantados em um servidor, os PMMs podem ser configurados em uma variedade de modos operacionais que incluem o modo de memória e o modo direto do aplicativo, juntamente com uma escala móvel de alocações intermediárias.
Memória Persistente Optane DC - Modo de Memória
No modo de memória, os PMMs são usados de maneira muito semelhante à DRAM. Não há necessidade de software específico ou alterações nos aplicativos, a memória persistente imita a DRAM mantendo os dados “voláteis”, embora a chave volátil seja apagada a cada ciclo de energia. No modo de memória, a memória persistente é usada como uma extensão da DRAM e é gerenciada pelo controlador de memória do host. Não há proporção definida para memória persistente para DRAM, a combinação pode depender das necessidades do aplicativo. Em termos de perfil de latência, qualquer coisa que atinja o cache DRAM (perto da memória) certamente fornecerá <100 nanossegundos de latência. Qualquer falta de cache fluirá para a memória persistente (memória distante) que fornecerá latência na faixa de submicrossegundos.
Memória Persistente Optane DC - Modo App Direct
A memória persistente Optane DC também possui um modo App Direct. Este modo precisa de software/aplicativos com reconhecimento de memória persistente específico. Este modo torna a memória persistente no local persistente, mas ainda endereçável por byte semelhante à memória. No modo App Direct, a memória persistente permanece com o cache coerente e oferece a capacidade de fazer DMA e RDMA.
Há também a capacidade de configurar a memória persistente como armazenamento no App Direct. Aqui, a memória persistente atua em blocos da mesma forma que os SSDs, com instruções tradicionais de leitura/gravação. Isso funciona com sistemas de arquivos existentes, oferece atomicidade em nível de bloco e é configurável em tamanho de bloco (4K, 512B). Para usar o armazenamento diretamente no aplicativo, os usuários precisam apenas de um driver NVDIMM. Este modo permite dimensionamento de capacidade e melhor desempenho, menor latência e maior resistência do que os SSDs tradicionais de classe empresarial.
Benefícios da memória persistente Intel Optane DC
Os módulos de memória persistente Intel Optane DC oferecem uma ampla variedade de benefícios para os usuários finais. Em primeiro lugar, os módulos oferecem uma maneira de dimensionar com eficiência a pegada de DRAM de um servidor de uma maneira muito mais econômica. Como a memória persistente pode ser mesclada com a camada DRAM, o tamanho efetivo da DRAM utilizável aumenta mais rapidamente com a memória persistente, melhorando o TCO geral do investimento em servidor de uma organização. Além disso, com os servidores sendo capazes de processar mais dados com mais rapidez, pode ser possível para alguns aproveitar novas oportunidades para consolidar cargas de trabalho. Há também um segundo argumento que pode ser feito quando se trata de valor. Para cargas de trabalho que podem não precisar tanto da DRAM de latência de nanossegundos, as organizações podem optar por construir seus servidores com menos DRAM, mas mais memória persistente Optane DC para ainda manter um espaço de memória razoável ou maior, mas com o custo mais econômico módulos de memória persistente em vez de DRAM.
Os módulos de memória persistente, como o nome declara abertamente, são persistentes. Isso significa que os PMMs não precisam ser atualizados com dados, o que leva a reinicializações mais rápidas do servidor. Isso é extremamente importante quando se trata de bancos de dados residentes na memória. Após a reinicialização do servidor, o tempo para restaurar todos os dados da memória pode demorar muito. Fornecedores independentes de software (ISVs) que se concentram em bancos de dados de alto desempenho obtiveram enormes ganhos de memória persistente nesses cenários, em que entrar em operação rapidamente é uma noção crítica. De fato, a Intel mostrou dados nesse sentido. Um armazenamento colunar inteiro recarrega na DRAM para um conjunto de dados de 1.3 TB que eles descobriram ser 20 minutos em um servidor somente DRAM. Uma reinicialização do sistema inteiro naquele servidor antes da memória persistente ser de 32 minutos; 12 minutos para o SO, 20 minutos para os dados. O mesmo servidor com memória persistente Optane DC levou 13.5 minutos. Enquanto na superfície parece impressionante, é ainda mais impressionante ao considerar que o componente de dados foi de apenas um minuto e meio, o que equivale a um ganho de 13X.
Os módulos de memória persistente Intel Optane DC também oferecem criptografia no módulo, tornando esta a primeira memória criptografada por hardware. Os módulos usam proteção de dados em repouso usando um mecanismo de criptografia AES-XTP de 256 bits. No modo de memória, se o cache DRAM perder seus dados, a chave de criptografia será perdida e regenerada a cada inicialização. No App Direct Mode, a mídia persistente é criptografada usando uma chave armazenada em uma região de metadados de segurança no módulo que só é acessível pelo controlador Intel Optane DC. A memória persistente Intel Optane DC é bloqueada em um evento de perda de energia e precisa de uma senha para desbloquear. Os módulos também suportam apagamento criptográfico seguro e sobregravação de DIMM, para reaproveitamento seguro ou descarte no final da vida útil. Por fim, versões assinadas do firmware são permitidas, opções de controle de revisão estão disponíveis.
Software de memória persistente Intel Optane DC
Embora a ênfase esteja claramente nos benefícios do hardware de memória persistente, a Intel tem um conjunto de ferramentas de software que também são importantes. As ferramentas a seguir seriam a principal maneira de gerenciar a memória persistente por meio do sistema operacional, em vez de desligar e ligar o servidor e fazer essas alterações no BIOS do sistema. Isso economiza tempo e evita o tempo de inatividade para fazer alterações em tempo real.
IPMCTL-Utilitário para gerenciar módulos de memória persistente Intel Optane DC
Suporta funcionalidade para:
- Descubra os módulos de memória persistente na plataforma.
- Provisione a configuração de memória da plataforma.
- Visualize e atualize o firmware nos PMMs.
- Configure a segurança de dados em repouso nos PMMs.
- Monitore a integridade do PMM.
- Acompanhe o desempenho dos PMMs.
- Depurar e solucionar problemas de PMMs.
NDCTL- Utilitário para gerenciar dispositivos do subsistema “libnvdimm” (memória não volátil)
ndctl é um utilitário para gerenciar o subsistema do kernel “libnvdimm”. O subsistema “libnvdimm” define um modelo de dispositivo de kernel e interface de mensagem de controle para recursos de plataforma NVDIMM como aqueles definidos pelo ACPI 6.0 NFIT (Tabela de Interface de Firmware NVDIMM). As operações suportadas pela ferramenta incluem capacidade de provisionamento (namespaces), bem como enumerar/habilitar/desabilitar os dispositivos (dimms, regiões, namespaces) associados a um barramento NVDIMM.
Disponibilidade do módulo de memória persistente Intel Optane DC
Os módulos de memória persistente já estão disponíveis, com vários fornecedores de servidores anunciando a disponibilidade do sistema:
Os fornecedores de sistemas de armazenamento também estão olhando para a memória persistente como uma forma de acelerar suas soluções:
Suporte de nuvem para PMEM:
Os principais fornecedores de estações de trabalho também estão adotando a memória persistente Intel Optane DC, especialmente para cargas de trabalho de ciência de dados.
Análises e benchmarks de memória persistente Intel Optane DC
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