關於非揮發性記憶體(Non-Volatile Memory)、儲存等級記憶體(Storage Class Memory,SCM),以及持續性記憶體模組(Persistent Memory,PMEM)的發展與應用,近年來陸續都有大廠投入,已逐漸成為下一代資料處理架構變革的重要議題,但相關產品並不多見,而在2019年4月,隨著英特爾終於正式推出Optane DC Persistent Memory(DCPMM),使得這類產品在市場普及的機會大增。

源自於新一代固態儲存技術3D Xpoint,發展目的是針對系統記憶體容量擴增提供新的方式

早在2017年上半,英特爾就基於他們與美光研發的3D XPoint固態儲存技術,而製作出持續性記憶體的產品,並在5月進行首次的公開展示,9月在該公司的開發人員專區的網站上,釋出教學影片、程式庫、範例程式碼等資源。

到了隔年5月底SAP舉行的全球用戶大會Sapphire Now,英特爾不僅展現這項產品與記憶體內資料庫(SAP HANA 2.0 SPS 03)的整合應用,也發布正式的新聞稿,將產品定名為Optane DC persistent memory,強調可用來擴增伺服器的系統記憶體容量,讓每顆CPU插槽對應的記憶體提升到3TB以上,並透露每支持續性記憶體模組的最大容量將是512GB,提供硬體內建的進階加密機制,而在效能測試的案例上,他們也提到幾個例子,像是用於Aerospike公司的NoSQL資料庫系統,相較於單純使用DRAM記憶體的組態,改用搭配Optane DC persistent memory的混合記憶體架構,重新啟動所耗費的時間,可從幾分鐘縮短至幾秒(35分鐘5秒 vs. 16秒)。

同年8月,英特爾在自家的Data-Centric Innovation Summit大會,以及同時舉行的Flash Memory Summit大會,他們提到幾個Optane DC persistent memory的新消息,例如,在規格的部份,這款產品將會有三種容量:128GB、256GB、512GB,並且可相容於DDR4記憶體的插槽;

關於效能測試的比較,公布多組應用案例的成效:在Apache Spark的Spark SQL with OAP執行 I/O密集查詢作業上,相較於DRAM記憶體搭配儲存設備的傳統架構,縮短時間的幅度是8倍(1222秒 vs. 147秒);用於資料遠端複製,在分散式儲存系統DRBD搭配RDMA的環境下,換成持續性記憶體之後,延遲度和IOPS的改善程度可高達14倍之多。

到了10月底,英特爾又針對Optane DC Persistent Memory揭露新的功能,那就是支援兩種運作模式:記憶體模式(Memory Mode)、應用程式導引模式(App Direct Mode)。

在記憶體模式下,應用程式和作業系統會將這套元件認定為一般揮發性記憶體的資源池,使用上就如同DRAM的系統。應用程式不需要針對持續性記憶體來設計,相對地,一旦遇到斷電,資料也不會儲存在其中。

若設為應用程式導引模式,應用程式和作業系統會察覺到伺服器平臺當中,存在著兩種可直接載入/儲存資料的記憶體,而且能夠根據資料的讀取或寫入導引到適合的DRAM或Persistent Memory。舉例來說,如果需要最低延遲、但無需長期儲存的資料,可以在DRAM執行;如果是資料需要持續保留,或是本身結構非常巨大的狀況,就可以導入Persistent Memory。

趁著發表第二代Xeon Scalable處理器之際,英特爾終於正式推出持續性記憶體,提供3種執行模式

在2019年4月,英特爾在Data Centric Summit大會上,正式發表了第二代Xeon Scalable系列處理器,以及Optane DC Persistent Memory記憶體,強調兩者之間的相互搭配,而在系統配置上,號稱能讓伺服器的記憶體容量提升至原有組態的兩倍以上,在8路伺服器平臺當中,甚至可藉此搭配到36TB的系統層級記憶體。

而在這款產品的使用模式上,英特爾也正式定調為三種:
揮發性記憶體(Memory Mode)
持續性記憶體(App Direct Mode)
雙重模式(Dual Mode)或混合模式(Mixed Mode)

 

若以揮發性記憶體模式為例,此時的DCPMM對於伺服器系統而言,就像記憶體的快取,可置放最常存取的資料,能提供系統更大的記憶體容量。

基本上,伺服器的快取管理作業,會由Xeon Scalable系列處理器內建的記憶體控制器來執行,這項元件首先會檢查DRAM快取,確認資料是否仍存在其中,能為DRAM提供更理想的反應速度,若資料不在記憶體快取,它則會從DCPMM讀取這些內容,反應延遲度也會變得稍長,而對於應用程式而言,若能搭配持續的資料存取模式,記憶體也能對其進行預測,達到更高的快取命中率,而這樣的機制可適用於所有的DRAM組態,能支援具有高度隨機資料存取行為的工作負載,進而獲得比單用DRAM更理想的效能。不過,此種模式當中的資料只是暫存,一旦遇到意外斷電停機,就會消失。

如果要維持存取資料的存在,則可運用DCPMM的另一種模式App Direct Mode,此時,對於應用程式與作業系統而言,可明確「感知」到:伺服器有兩種可直接載入與儲存的記憶體,能將讀取或寫入類型的資料「導引」到DRAM或是DCPMM。基於這樣的IT資源配置,若企業處理的是反應延遲要達到最低且不需永久儲存的資料,可放在DRAM執行,若處理需持續存在或結構相當巨大的資料,則可牽引至DCPMM執行。簡而言之,若想在伺服器系統的記憶體將資料長駐其中,就需要採用App Direct Mode。

不過,這種模式的運作,需要修改應用程式,仰賴作業系統、伺服器虛擬化平臺軟體的支援,搭配可感知持續性記憶體的檔案系統(persistent memory-aware filesystem),才能實現。

         

而可提供相關支援的作業環境,最初有微軟Windows Server 2019,以及VMware vSphere 6.7以後的版本,若以12月英特爾公布的資訊來看,目前已經有多種Linux版本支援DCPMM的App Direct Mode,像是:CentOS 7.6、RHEL 7.6、SLES 12 SP4、SLES 15、Ubuntu 18.04 LTS、Ubuntu 18.10,微軟Windows在個人端版本也可支援(Windows 10 Pro for Workstation Version 1809)。

在App Direct Mode之中,除了能讓應用程式在DCPMM直接載入與儲存資料,還可以運用標準的檔案API來存取DCPMM的記憶體位址空間,此種作法稱為Storage Over App Direct Mode,是英特爾在2018年提出的用法。

而這也是DCPMM的第三種模式,同時也是App Direct Mode的一種延伸應用,能讓DCPMM一部分處於Memory Mode,另一部分處於App Direct Mode,因此,如今被稱為雙重模式(Dual Mode)或混合模式(Mixed Mode)。

在這種模式下,既有的儲存類型應用系統,在無需修改程式或檔案系統的狀態下,就能存取DCPMM的App Direct區域,讓它們將這樣的儲存區看成區塊儲存裝置,而且還是「高效能」的區塊儲存裝置,省去將資料搬進搬出I/O匯流排的功夫,可完全跳過作業系統核心,提供最短的持續性記憶體存取路徑。於是,此模式也被稱為持續性記憶體或儲存的模式。

不過,這種模式的運作,也需要作業系統的支援,例如Linux 4.2版核心與Windows Server 2016,已經能提供這方面的協助。

事實上,Storage Over App Direct Mode的實作方式,是搭配了「寫入時複製Copy On Write」的最佳化處理,透過區塊轉譯表(Block Translation Table)來提供斷電時的原子寫入能力。


產品資訊

Intel Optane Persistent Memory
●原廠:Intel
●建議售價:廠商未提供
●外型:DIMM
●記憶體容量:128GB、256GB、512GB
●連接介面規格:DDR-T,可相容於DDR4-2666、1.2V電壓
●支援處理器平臺:第二代Xeon Scalable系列
●應用模式:App Direct、Memory、Dual
●最大耗電量:128GB為15瓦,256GB、512GB為18瓦
●產品保固:5年有限保固

【註:規格與價格由廠商提供,因時有異動,正確資訊請洽廠商】

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