NVDIMM (Non-Volatile Dual In-line Memory Module)
Ein NVDIMM (Non-Volatile Dual Inline Memory Module) ist ein hybrides Memory, das Daten während eines Stromausfalls aufbewahrt. NVDIMMs integrieren nichtflüchtigen NAND-Flash-Speicher mit dynamischem RAM(DRAM) und dediziertem Backup-Strom in einem einzigen Speichersubsystem.
Nichtflüchtige DIMM-Karten können zur Erweiterung des System-Memory oder zur Bereitstellung von Hochleistungsspeicher verwendet werden.
Der NVDIMM-Formfaktor wird in einen Standard-DIMM-Anschluss an einem Speicherbus eingesteckt. Das modulinterne Flash-Memory wird ausschließlich zur Sicherung und Wiederherstellung von DRAM-Speicher verwendet.
NVDIMMs arbeiten mit oder nahe der Geschwindigkeit des Memory-Busses, sind aber keine nativen Plug-and-Play-Geräte. Die Hersteller müssen Server-Motherboards und BIOS/UEFI-Treiber modifizieren, um die von einem NVDIMM angebotenen diskreten Memory-Typen zu erkennen.
Es ist umstritten, ob die Abkürzung NVDIMM irreführend ist, da die Bausteine in erster Linie flüchtigen Speicher zur Verarbeitung normaler Vorgänge verwenden und das Flash-Element nur über eine Backup-Batterie oder einen Kondensator zur Datensicherung aufrufen.
DIMMs und NVDIMMs
Ein NVDIMM ist eine von mehreren Arten von Hybrid-DIMMs auf dem Markt. Serverhersteller haben in der Vergangenheit System-Memory entweder mit registrierten DIMMs (RDIMMs) oder nicht registrierten DIMMs (UDIMMs) entwickelt.
RDIMMs verwenden ein Onboard-Register, um das Memory-Modul des Servers von anderen Schaltkreisen auf der Hauptplatine elektrisch zu isolieren. Im Gegensatz dazu ist ein UDIMM ein RDIMM, das keinen Onboard-Puffer besitzt. UDIMMs werden normalerweise in Servern eingesetzt, die nur geringe Memory-Mengen mit minimaler Latenzbenötigen.
Lastreduzierte DIMMs (LRDIMMs) beziehen sich auf einen neueren Formfaktor, der ebenfalls einen Puffer verwendet, um die Stromlast zu reduzieren, ohne jedoch die Strom- und Memory-Leistung zu gefährden.
Durch Hinzufügen von nichtflüchtigem Speicher zu einem DIMM wird DRAM persistent. Der DRAM sorgt für hohe Leistung und niedrige Latenzzeiten, während der Flash-Speicher und die Backup-Stromversorgung für die Datensicherung sorgen.
Vorteile von NVDIMMs in Servern
Die NVDIMM-Technologie entwickelt sich zu einer Alternative zu DRAM, da sie um eine Größenordnung schneller ist als das Schreiben von Daten in 4K-Blockspeicher. NVDIMMs können zur Beschleunigung von Workloads auf Server- und Datenspeicherplattformen der nächsten Generation eingesetzt werden.
NVDIMMs bieten Hochgeschwindigkeits-DRAM-Leistung in Verbindung mit Flash-gestütztem persistenten Speicher. NVDIMMs bieten nicht nur eine zusätzliche Memory-Ebene in Servern, sondern ermöglichen es Anwendungen auch, den I/O-Datenverkehr bei geplanten oder unerwarteten Systemausfällen weiter zu verarbeiten.
Der Onboard-DRAM-Controller löst einen Backup-Prozess aus, wenn er einen drohenden Stromausfall feststellt. Kopierte Daten werden sofort in den Onboard-Flash geschrieben.
Sobald die Stromversorgung des Systems wiederhergestellt ist, kehrt der NVDIMM-Controller den Prozess um und kopiert die Daten ohne Datenverlust vom Flash zurück in den DRAM, um die Wiederaufnahme des normalen Betriebs zu unterstützen.
NVDIMMs bieten eine zusätzliche Unternehmensoption für serverseitigen Flash-Speicher. Sie können eine Ergänzung oder eine Alternative zu herkömmlichen Solid-State-Laufwerken (SSDs) in Servern, Peripheral Component Interconnect Express SSDs (PCIe-SSDs), intern montierten M.2 SSDs oder mSATA-Speichergeräten sein.
Sie erhöhen die Ausfallsicherheit, indem sie Daten im Falle eines Stromausfalls oder Systemabsturzes aufbewahren. Ein Unternehmensrechenzentrum ist auf eine unterbrechungsfreie Stromversorgung angewiesen, um Daten zu sichern. In diesem Szenario hängt die Wiederherstellungszeit davon ab, wie lange es dauert, kritische Daten in ein Speichernetzwerkoder ein NAS-System zu schreiben.
Die Integration von NVDIMMs könnte dazu beitragen, den Datenverlust und die mit dem Schreiben von Sicherungskopien verbundenen Ausfallzeiten zu verringern.
Workloads für nichtflüchtige DIMMs
Da die Datensätze in Unternehmen immer komplexer werden, haben sich NVDIMMs als eine Möglichkeit herauskristallisiert, die Lücke in bestehenden Scale-out-Speicherarchitekturen zu schließen. Aufgrund ihrer Geschwindigkeits- und Leistungsvorteile eignen sich NVDIMMs für Hot Data, Warm Storage, Cache-Beschleunigung und In-Memory-Datenbankverarbeitung im Zusammenhang mit Big-Data-Analysen in Echtzeit.
NVDIMMs haben das Potenzial, die Anwendungsleistung, die Datensicherheit und das Disaster Recovery zu verbessern. Sie dienen auch dazu, die Schreibausdauer und Leistung von SSDs zu erhöhen.
NVDIMM-N vs. NVDIMM-F
Der Zugriff auf ein NVDIMM-N-Gerät erfolgt mit oder nahe der Geschwindigkeit von DRAM, mit dem Ziel einer schnellen Datenübertragung. Der DRAM wird auf den System-Memory abgebildet. Anwendungen sehen ein NVDIMM-N in der Regel als Blockgerät. Jedes NVDIMM-N verwendet etwa 16 GB DRAM, die mit einem gleichen Anteil an NAND-Kapazität kombiniert werden, um Geräte zu schaffen, die derzeit eine Spitzenkapazität von 32 Gigabyte (GB) haben.
Der DRAM ist für Routinedatenübertragungen zuständig. Für die dauerhafte Speicherung sichert das NVDIMM-N die Daten während einer Unterbrechung im integrierten NAND-Flash-Element und stellt sie bei Wiedereinschalten der Stromversorgung im DRAM wieder her. Durch die Auslagerung der Datensicherung auf das Flash-Element wird die I/O-Latenzzeit auf Nanosekunden reduziert, obwohl die NVDIMM-Kapazitäten aufgrund der derzeitigen Leistungs- und Gehäusebeschränkungen von DRAM auf den Gigabyte-Bereich begrenzt sind.
NVDIMM-F ist ein All-Flash-DIMM aus Memory-Mapped-NAND, das in zwei Modi betrieben werden kann:
- Storage-Modus. NVDIMM-F verhält sich ähnlich wie ein Festplattenlaufwerk mit Block-I/O. Der Zugriff auf das NVDIMM-F-Flash-Element erfolgt im nativen Blockformat über einen gemeinsamen Befehlspuffer wie bei einem eingebauten Laufwerk.
- Memory-Modus. NVDIMM-F arbeitet neben DRAM-DIMMs als byteadressierbarer Speicher und skaliert auf Terabytes Anwendungsspeicher in einem einzigen System.
Ein NVDIMM-F-Gerät hat eine geringere Leistung als ein NVDIMM-N-Gerät.
NVDIMM-Hardware- und Softwarestandards
Die Entwicklung von NVDIMMs ist mit den Fortschritten bei DDR-SDRAM-Memory-Chips (Double Data Rate Synchronous DRAM) verbunden. Wie der Name schon sagt, erfasst DDR-SDRAM-Memory Daten mit der doppelten Frequenz der Taktfrequenz eines Computerprozessors. Die Daten werden in DDR-SDRAM zweimal pro Taktzyklus übertragen: einmal bei der fallenden und einmal bei der steigenden Flanke des Taktes.
Zu den Aktualisierungen von DDR gehören die Versionen DDR2 und DDR3. Die jüngste Version ist die vierte Generation der doppelten Datenrate (DDR4). Die Spezifikationen für DDR4-konforme hybride NVDIMMs wurden 2015 von der JEDEC Solid State Technology Association, einem Normungsgremium für die Mikroelektronikindustrie, veröffentlicht. Die JEDEC-Standards umfassen die Unterstützung von NVDIMM-F und NVDIMM-N.
JEDEC und die Storage Networking Industry Association prüfen derzeit Vorschläge zur Standardisierung von NVDIMM-P-Bausteinen, die DRAM und NAND im selben Memory-Bereich abbilden würden. In der vorgeschlagenen Form würde NVDIMM-P sowohl Byte- als auch blockorientierten Laufwerkszugriff ermöglichen.
