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Warum sich Storage Class Memory in Unternehmen durchsetzt

Die Zahl der SCM-Produkte und Anwendungsfälle nimmt zu. Erfahren Sie, welche Anbieter SSD- und Speicherangebote haben und wie sie in verschiedenen Produkten eingesetzt werden.

Die Workloads von heute stellen noch nie dagewesene Anforderungen an die Memory- und Speicher-Ressourcen, wobei die IT-Teams nach innovativen Ansätzen für die Erhöhung der IOPS und die Senkung der Latenzen suchen müssen. Eine vielversprechende Technologie findet man in Storage Class Memory (SCM), einer nicht-flüchtigen Memory-Technologie, die fast so schnell wie dynamisches RAM ist, aber Daten bei Stromverlust vorhalten kann – genauso wie eine SSD.

Storage Class Memory ist eine neue Schicht in der Memory-Storage-Hierarchie, die zwischen SSDs und Dynamic RAM (DRAM) sitzt und latenzempfindliche Anwendungen besser unterstützt. Wegen ihrer DRAM-ähnlichen Fähigkeiten wird SCM oft als Persistent Memory oder PMEM bezeichnet.

Ein SCM-Gerät verbindet sich seiner eigentlichen Bestimmung nach direkt mit dem Memory des Servers und ist ähnlich wie bei DRAM auf Byte-Ebene adressierbar. Gleichzeitig kann ein SCM-Gerät wie ein NAND-Laufwerk Daten langfristig behalten und Block-Level-Zugang unterstützen, was sich in einer größeren Anzahl von Anwendungsfällen niederschlägt.

Mit SCM müssen weniger Daten zwischen Storage und Memory bewegt werden, was die Performance der Anwendungen verbessert – besonders wenn mehr Daten verarbeitet werden. SCM begünstigt auch System Paging oder das Swapping von Operationen, bei denen Daten auf ein Plattenlaufwerk geschrieben werden, wenn das Memory voll wird. In einem solchen Szenario wird das SCM-Gerät eher als sekundärer Memory benutzt als das Plattenlaufwerk.

Anwendungsfälle von SCM

SCM wird in der Regel als Ergänzung für traditionelle Memory- und Storage-Systeme und nicht als ihr Ersatz betrachtet. Außerdem werden womöglich andere Systeme von den SCM-Technologien profitieren. Zum Beispiel könnten SCM-Module anstelle von DRAM-Modulen eingesetzt werden, selbst wenn SCM nicht genau so schnell ist. Dieser Ansatz könnte auch während Neustarts von Vorteil sein, wenn die Systeme bereit sein und so schnell wie möglich laufen müssen.

Abbildung 1: SCM fügt sich in Sachen Performance zwischen DRAM und SSDs in die Storage-Hierarchie ein.
Abbildung 1: SCM fügt sich in Sachen Performance zwischen DRAM und SSDs in die Storage-Hierarchie ein.

Mit SCM ist es auch möglich, SSDs herzustellen, die schneller als heutige NAND-Laufwerke sind. Sie können selbstständig oder in einer hybriden Konfiguration mit NAND-SSDs eingesetzt werden, wobei sie die Workload-Performance optimieren und gleichzeitig die Speicherkosten senken. Eine andere Option wäre, SCM als Caching-Layer anstelle von teureren DRAMs für ein All-Flash Array zu verwenden.

Egal wie das Szenario aussieht, dreht sich der Einsatz von SCM in der Regel rund um die Technologie, die sich zwischen Memory und Storage befindet. Auf diese Weise können Anwendungen Zugang zu großen Datensätzen ohne die Kosten für DRAM bekommen. Mit diesem Ansatz ist Storage Class Memory gut geeignet für Workloads, die niedrige Latenzen, hohe Haltbarkeit und optimale Performance erfordern – wie zum Beispiel für Künstliche Intelligenz (KI), Analytics, High-Performance Computing (HPC) und transaktionale Prozesse in Echtzeit.

Medien und Produkte für SCM

3D XPoint ist die am meisten verbreitete SCM-Technologie. Sie besteht aus einer Crosspoint-Architektur, die elektrische Ströme für Statusänderungen des zugrundeliegenden Materials benutzt und so eine Grundlage für Datenspeicher zur Verfügung stellt, die schneller und haltbarer als NAND-Flash ist.

Intel ist führend bei der Technologie von 3D XPoint und hat unter der Marke Intel Optane mehrere Produkte entwickelt. Die Produktlinie Optane DC SSD bietet Kapazitäten von 100 Gigabyte bis 1,5 Terabyte. Sie sind adressierbar auf Byte- und Block-Level und können in jedem System verwendet werden, das PCIe-basierte SSDs akzeptiert.

Intel verfügt auch über eine Produktlinie von Optane DC Persistent Memory Modules (PMMs), die eher dem ursprünglichen Bild von Storage Class Memory entsprechen. Diese PMMs passen in die standardmäßigen Dual In-line Memory Slots mit Kapazitäten von 128 bis zu 512 Gigabyte pro Modul. Die meisten der heutigen DRAM-Module gehen nicht über 128 Gigabyte hinaus. Die Optane-PMMs können die Daten persistent speichern und schützen sie gegen den Verlust bei einem Neustart oder Energieausfall.

Abbildung 2: Das PowerMax SAN-Array von Dell EMC nutzt Intel Optane DC SSDs mit Dual-Port-Technologie.
Abbildung 2: Das PowerMax SAN-Array von Dell EMC nutzt Intel Optane DC SSDs mit Dual-Port-Technologie.

Es gibt eine Reihe von Speicherprodukten, die Optane SSDs und PMMs verwenden. Dazu gehören zum Beispiel die PowerMax-Systeme von Dell EMC mit der Optane-Technologie: Sie sind die ersten Arrays, die mit SCM als dauerhaftem Speicher herauskommen. Die PowerMax können laut Hersteller bis zu 15 Millionen IOPS, 350 Gigabyte an Bandbreite und vorhersagbaren Antwortzeiten von unter 100 Mikrosekunden liefern.

Pure Storage hat ebenfalls die Optane-Technologien in seine FlashArray-Speichersysteme integriert, und Hewlett Packard Enterprise (HPE) hat bereits Optane-basiertes Persistent Memory für mehrere Systeme angekündigt, darunter ProLiant, Synergy und Apollo Gen10 Server.

Inzwischen hat Micron Technology seine eigenen 3D-XPoint-basierten SSDs vorgestellt. Wie schon die Optane-SSDs passt die Micron-SSD in einen PCIe-Schacht, wobei es eine bessere Performance als ein typisches NAND-System bietet. Micron beansprucht, dass das Laufwerk drei Mal schneller als NAND ist und die Latenzen elf Mal niedriger sind. Es werden bis zu 2,5 Millionen IOPS und neun GBps an Lese/Schreib-Bandbreite unterstützt.

Kioxia (vormals Toshiba Memory) ist ein weiteres Unternehmen, das an dem SCM-Wettlauf teilnimmt. XL-Flash, das neue Memory des Herstellers, ist erhältlich in 128-Gb-Würfelpackungen (2, 4 und 8 DIE). XL-Flash basiert auf der BiCS Flash 3D Memory-Technologie von Kioxia und verwendet eine Architektur mit 16 Ebenen für einen effizienteren Parallelismus.

Laut Kioxia liefert XL-Flash eine Leselatenz von weniger als fünf Mikrosekunden und ist darüber hinaus zehn Mal schneller als NAND mit Triple-Layer Cell. Zu Beginn installiert Kioxia XL-Flash in einem SSD-Format, aber man plant eine Erweiterung in einen DRAM-Bus.

Z-SSD von Samsung ist ein weiteres Storage-Produkt im Umfeld von SCM. Obwohl Samsung es nicht ausweist und berechnet als eine SCM-Technologie, ist der Markt reif für Vergleiche zwischen den SSDs von Samsung und jenen, die sich auf Optane und XL-Flash stützen. Samsung bezeichnet die Z-SSD auch als ein Produkt, „das eine neue Speicherschicht mit dem höchsten Durchsatz und den niedrigsten Latenzen heute auf dem Markt anbietet“.

Abbildung 3: X100 NVMe SSD von Micron Technology basiert auf der 3D-XPoint-Technologie.
Abbildung 3: X100 NVMe SSD von Micron Technology basiert auf der 3D-XPoint-Technologie.

Die Zukunft von Storage Class Memory

Die SCM-Industrie ist jung und dynamisch. Obwohl 3D XPoint bisher besonders in Erscheinung getreten ist, arbeiten die Hersteller auch an Technologien wie Resistive RAM und Phase-Change Memory. Die Unterschiede zwischen diesen Technologien sind jedoch noch nicht deutlich herausgearbeitet worden. Zum Beispiel wird 3D XPoint manchmal als eine Resistive-RAM-Technologie und manchmal als eine Phase-Change-Memory-Technologie bezeichnet. Doch selbst das kann nicht die Bedeutung der SCM-Entwicklung beeinträchtigen.

Viel von dem, was zurzeit geschieht, ist angetrieben von den Intel-Systemen Octane SSD und PMM, was sich auch bei Herstellern wie HPE, Dell EMC und Pure Storage zeigt. Was unsicher bleibt, betrifft das Ausmaß, mit dem sich Entwickler mit diesen Technologien und besonders mit PMM befassen werden. Um die vollständigen Vorteile dieser Module zu realisieren, müssten die Hersteller ihre Anwendungen anpassen. Es bleibt abzuwarten, welche Unternehmen sich zu diesem Schritt bekennen werden.

Zur gleichen Zeit muss sich SCM gegen andere aufkommende Technologien bewähren wie zum Beispiel Computational Storage, bei dem Datenprozesse direkt in das Speichersystem eingebaut werden, um I/O-Engpässe zu vermeiden und Latenzen von Anwendungen zu reduzieren. Dennoch werden wir wahrscheinlich mehr Hersteller sehen, die SCM-Produkte entwickeln und sie in ihre bestehenden Systeme einbauen werden. In einer so dynamischen Umgebung wie dieser ist die Zukunft offen, und alles ist möglich.

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