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Das Wichtigste zu Optane Persistent Memory im Überblick

3D XPoint kann auf zwei Arten eingerichtet werden. So unterscheiden sich der Memory-Modus und der Application Direct Mode bei App-Kompatibilität, Leistung und Funktionen.

Seitdem Computer magnetische Kerne durch Silicon Chips ersetzten, haben Forscher bei Halbleitern und Systemarchitekten nach dem Heiligen Gral der Memory-Technologien gesucht – nach einer Technologie, die Geschwindigkeit und Zugriffszeiten (random) von Dynamic RAM (DRAM) mit der Nichtflüchtigkeit und Kosteneffizienz von Flash Memory kombiniert. Diese Forschungen haben uns zur 3D-XPoint-Technologie und Optane Persistent Memory geführt.

Die Entwicklung von Flash Memory ist schnell fortgeschritten bis zu elektrischen Löschungen, hohen Dichten durch NAND-Speicherblöcke und exponentiellem Wachstum an Kapazität. Wir verfügen heute über eine Technologiehierarchie bei Memory-Storage, die Performance gegen Kapazität abwägt. Als Resultat dieser Entwicklung hat laut Intel die Flash-Kapazität in den letzten drei Dekaden um das Siebenfache zugenommen, womit Flash zunehmend Festplatten bei primärem Storage ersetzt.

Das Problem bei Flash besteht darin, dass diese Technologie für Kapazität optimiert ist, aber nicht für Performance, und ihre Chip-basierte Architektur lässt es nicht zu,  nach dem Zufallsprinzip bei willkürlich zusammengesetzten Datenblöcken zu lesen und zu schreiben wie zum Beispiel bei DRAM. 3D XPoint wurde entwickelt, um diese Lücke bei Performance und Benutzerfreundlichkeit durch ein Storage-Medium zu schließen, das Widerstandsänderungen und keine kapazitive Ladung wie DRAM und Flash verwendet, während es einen zufälligen Zugriff über einen dreidimensionalen Schnittpunkt – daher der Name –  ermöglicht..

Nach Jahren der Entwicklung hat Intel 3D XPoint in seine Optane-Produktlinie eingeführt, die ursprünglich nur aus SSD-Alternativen bestand, die als Beschleuniger für primären Speicher oder Cache benutzt wurden. Erst seit kurzem umfasst Optane eine andere Speicherkategorie von Class Memory: Module, die von Anwendungen adressiert werden können und die DRAM ersetzen oder ergänzen können. Zeitgleich mit der Einführung des Prozessors der nächsten Generation Xeon Scalable (auch Cooper Lake genannt) kündigte Intel die Optane Persistent Memory Modules (PMM) in Kapazitäten von 12 bis 512 GByte an – oder bis zu 16 bis 32 mal größer als gegenwärtige DRAM-Modulen.

Die transistorlose Cross-Point-Architektur von 3D XPoint positioniert Speicherzellen und Selektoren an der Schnittstelle von senkrechten Drähten.
Abbildung 1: Die transistorlose Cross-Point-Architektur von 3D XPoint positioniert Speicherzellen und Selektoren an der Schnittstelle von senkrechten Drähten.

Optane PMM sitzen auf dem System Memory Bus genau wie DRAM. Doch anders als DRAM werden sie nur unterstützt von Xeon Scalable-Prozessoren der zweiten Generation und Systemen mit dem Chipset Purley von Intel.

Wegen der besonderen Betriebseigenschaften von Geräten mit 3D XPoint kann das System-BIOS Optane-Module in einer von zwei Betriebsweisen konfigurieren: Memory Mode oder Application Direct Mode. Diese beiden Ansätze tauschen die Kompatibilität von Anwendungen gegen Performance und Features aus. Es folgt eine genauere Erklärung beider Modi.

Memory Mode: Kompatibel, aber vergänglich

Memory Mode erzeugt einen einzigen hybriden Pool von System Memory und erfordert deshalb keine Änderungen beim Anwendungscode, da er genau wie DRAM funktioniert. Weil Betriebssystem und Anwendungen Optane als normales System Memory sehen, sichert es bei einem Energieausfall keine Daten, weil es für das System keinen Weg gäbe, sie wiederherzustellen. Memory Mode ist geeignet für traditionelle Anwendungen mit großen Memory-Anforderungen wie zum Beispiel virtualisierte Datenbanken.

Intel Optane DC persistentes Memory
Abbildung 2: Intel Optane DC persistentes Memory

Die Purley Memory Controller verwenden die Kombination von DRAM und Optane in einer lernenden Art und Weise, wobei das schnellere DRAM als Cache für die am häufigsten angesprochenen Daten fungiert. Für jede Datenanforderung prüft der Controller zuerst den DRAM-Cache. Wenn die Daten vorhanden sind, werden sie – im Vergleich mit einem konventionellen reinen DRAM-System – ohne weitere Latenz zurückgegeben.

Laut Intel kann der Controller bei Anwendungen mit konsistenten oder sich wiederholenden Mustern für den Datenzugriff die am meisten benutzten Daten vorhersagen und im DRAM behalten. Im Gegensatz dazu erfahren Workloads mit zahlreichen zufälligen (random) Zugriffsmustern eine gewisse Performance-Einschränkung, verglichen mit einem DRAM-System und angenommen, dass die Memory-Kapazität ausreichend ist, um ein Weiterleiten auf die Festplatte zu verhindern.

Application Direct Mode: Persistent, aber aufwendiger

Beim App Direct Mode wissen Betriebssystem und Anwendung, dass es zwei Arten von System Memory gibt – schnelles, unbeständiges DRAM und langsameres, beständiges 3D XPoint – und dass sie jeweils den am besten passenden Typ beim Schreiben der Daten wählen können: DRAM für Anwendungen, die die niedrigste Latenz erfordern, aber Memory-Unbeständigkeit tolerieren können, und Optane für Bereiche, die Beständigkeit brauchen, oder für Datensätze, die zu groß sind für DRAM. Die Fähigkeit, bestimmte Gruppen von Daten für beständigen Speicher auszuwählen, macht den kritischen Unterschied zwischen App Direct und Memory Mode aus.

Intel Optane Module operieren entweder im Memory Modus oder im Application Direct Modus, was die Kompatibilität der Apps für Leistung und Funktionen beeinträchtigt.
Intel Optane Module operieren entweder im Memory Modus oder im Application Direct Modus, was die Kompatibilität der Apps für Leistung und Funktionen beeinträchtigt.

Anders als Memory Mode erfordert App Direct ein Betriebssystem oder eine Virtualisierungsumgebung, die über ein Dateisystem verfügen, das mit beständigem System-Memory zurechtkommt.

Laut der Support-Dokumentation von Intel unterstützen mehrere Betriebssysteme einen oder beide Betriebsarten von Optane. Die verschiedenen Betriebseigenschaften von jedem Modus beeinflussen auch, wie viel Memory das System als verfügbar ausweist. Weil der Memory Mode DRAM als einen Cache behandelt, wird es nicht als Teil des gesamten System-Memory gezählt. Wenn man deshalb ein System mit 512 GByte an Optane-Modulen und 64 GByte an DRAM besitzt, wird das Betriebssystem nur 512 GByte als verfügbar ausweisen. Im Gegensatz dazu behandeln beim App Direct Mode die Anwendungen und das Betriebssystem DRAM und Optane unterschiedlich, so dass das System 576 GByte als frei bezeichnen würde.

Eine gemischte Konfiguration der Modi, bei der ein Teil der Optane-Kapazität im Memory Mode und ein Teil im App Direct Mode benutzt wird, ist auch möglich. In einem Support-Dokument von Intel heißt es: „Wenn ein Teil oder die gesamte Kapazität im Memory Mode eingestellt ist, ist die DRAM-Kapazität vor der Anwendung versteckt und wird zum Last Level Cache.“

Wie Optane benutzt wird

Es ist unklar, wie viel Nachfrage es für die Optane-Produkte von Intel gibt. Ein Unternehmenssprecher des Unternehmens meinte, man „sieht eine gute Markttendenz“ und es gebe bereits mehr als 200 Proofs of Concepts im Einsatz bei Kunden.

Wegen der besonderen Betriebs-Eigenschaften von Geräten mit 3D XPoint kann das System-BIOS Optane-Module in einer von zwei Betriebsweisen konfigurieren: Memory Mode oder Application Direct Mode.

Intel ist der Ansicht, dass die folgenden fūnf Anwendungen geeignete Kandidaten für die Memory-Erweiterung durch Optane sind:

  1. In-Memory Analytics mit SAP HANA;
  2. Virtualisierte Datenbanken in Multi-Tenant Umgebungen;
  3. Video-Server für Streaming von Inhalten und die Übergabe von Netzwerk-Caches;
  4. Machine Learning Analytics mit der Viya-Plattform von SAS;
  5. Skalierung von hyperkonvergente Infrastruktursystemen, um mehr virtuelle Workloads zu unterstützen.

Dass SAP in dieser Liste erscheint, ist kein Zufall, da beide Unternehmen eine mehrjährige Partnerschaft angekündigt haben, um die SAP-Suite von Software-Anwendungen für Unternehmen einschließlich SAP S/4HANA mit den Intel Scalable-Prozessoren und Optane Persistent Memory zu optimieren. Ob SAP-Kunden oder Anwender von anderen Memory-intensiven Applikationen wirklich begierig nach Systemen mit Optane Persistent Memory sind, wird solange eine offene Frage bleiben, bis Intel damit beginnt, Verkaufszahlen und Preise auf den Tisch zu legen.

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