Storage Class Memory (SCM)

Die Bedeutung von SCM in Rechenzentren

Das Rechenzentrum kann in mehrfacher Hinsicht von Storage Class Memory profitieren, unter anderem durch folgende Punkte:

• Leistungsstarkes Storage. SCM kann Hochleistungsspeicher-Workloads zur Unterstützung der digitalen Transformation ermöglichen.
• Persistentes Storage. Die integrierte Stromquelle sorgt dafür, dass Daten und Programmcode auch bei einem Systemabsturz oder Stromausfall erhalten bleiben. Dies bietet eine byteadressierbare Ebene des persistenten Speichers zwischen DRAM und SSDs. Die Verwendung von SCM erweitert die schnelle DRAM-Leistung auf zustandsabhängigen (stateful) Speicher. Es bietet eine Möglichkeit, PCIe-basierte Laufwerke über das NVMe-Protokoll (Non-Volatile Memory Express) für einen Datenzugriff mit geringer Latenz anzuschließen.
• Datenzugriff auf Blockebene. Er unterstützt auch den Datenzugriff auf Blockebene, was die Bandbreite der unterstützten Anwendungen erweitert.
• Weniger Verarbeitung, mehr Durchsatz. Mit SCM müssen weniger Daten zwischen Arbeitsspeicher und Storage hin- und hergeschoben werden. Dadurch wird die Verarbeitung reduziert und der Durchsatz erhöht. Ein SCM-Gerät kann Geschwindigkeiten protokollieren, die fast so schnell sind wie DRAM und statischer RAM (SRAM). Je nach Arbeitslast können SCM-Geräte dank der Kombination aus Persistenz und Geschwindigkeit entweder als Memory oder als Storage verwendet werden.

Flüchtiger vs. nicht-flüchtiges Memory

Der Hauptunterschied zwischen flüchtigem und nichtflüchtigem Memory besteht darin, dass flüchtiger Arbeitsspeicher die Daten nicht behalten, wenn der Strom ausfällt. Der nichtflüchtige Arbeitsspeicher bewahrt die Daten bei einem Stromausfall oder Systemabsturz auf.

Hier ein genauerer Blick auf die beiden Speichertypen:

Flüchtiger Arbeitsspeicher (Volatile Memory)

DRAM und synchroner DRAM (SDRAM) speichern flüchtige Daten. Diese Art von Daten ändert sich nur selten, sobald sie in den Speicher geschrieben wurden. Ein Beispiel für flüchtige Daten sind Informationen, die Anwendungen und Programme zum Starten von Personal Computern (PCs) benötigen. DRAM ist schneller als Flash, aber teurer und nur begrenzt skalierbar.

Nichtflüchtiger Arbeitsspeicher (Non-Volatile Memory)

Im nichtflüchtigen Memory, auch persistentes Memory genannt, werden Daten, auf die regelmäßig zugegriffen wird, dauerhaft gespeichert. Zu dieser Art von Daten gehören Startdateien und andere Betriebssystemdaten, die die Funktionen eines PCs ausführen.

Nichtflüchtiger RAM (NVRAM) befindet sich auf dem PCIe-Bus. NVRAM-Geräte verfügen in der Regel über eine Pufferbatterie oder einen Kondensator, um die Persistenz der Daten zu gewährleisten.

Flash-Speicher ist der gängigste Typ von NVRAM. Im Vergleich zu DRAM kann Flash große Datenmengen verarbeiten. Im Gegensatz zu DRAM, das sich in einem Computer befindet, ist Flash ein externes Medium, das oft in einem vernetzten Speicher-Array enthalten ist. All-Flash-Arrays haben keine Festplatte und sind im Allgemeinen leistungsfähiger als plattenbasierte Speicher.

Die Kosten für SSDs sind gesunken und nähern sich der Parität mit HDDs, wodurch die Kosten als Hindernis für die Einführung von Flash wegfallen. Der Nachteil von Flash im Vergleich zu Festplatten ist jedoch die Abnutzung von NAND-Flash. Im Laufe der Zeit führen Schreibvorgänge zu einer Verschlechterung des Flash-Speichers und beeinträchtigen seine Ausdauer. Um dies zu verhindern, haben Speicherhersteller hybride Flash-Arrays entwickelt, die HDDs mit hoher Kapazität und leistungsorientierte SSDs kombinieren.

HDDs und SSDs im Vergleich zu Storage Class Memory

Der Formfaktor und die Bereitstellung von SCM-basierten Speichern unterscheidet sich in folgenden Punkten von HDDs und SSDs:

• Eine HDD ist ein elektromechanisches Gerät, das magnetische Medien zur Datenspeicherung verwendet. Das Medium des Laufwerks dreht sich schnell auf einer Spindel, und währenddessen positioniert ein Aktuator eine Nadel über einem bestimmten Sektor auf der Platte, in den Daten geschrieben werden.
• Solid-State-Laufwerke. Eine SSD besteht aus einem Siliziummedium und hat keine beweglichen Teile. SSDs wurden zunächst an die SATA- und SAS-Speicherprotokolle angepasst, die für HDDs entwickelt wurden. Die Hersteller beginnen nun, SSDs zu produzieren, die für die NVMe-Spezifikation für PCIe-Flash ausgelegt sind.
• Storage Class Memory. SCM-Karten werden in Dual Inline Memory Module (DIMM)-Serveranschlüsse eingeschoben. SCM-Laufwerke sind kein Ersatz für SSDs. Stattdessen sind sie ein Zusatzspeicher, der die Leistung von latenzempfindlichen Anwendungen erhöht. Sollten die primären Speicherlaufwerke die maximale Kapazität erreichen, kann SCM auch als sekundäres Schreibziel eingesetzt werden.

SCM-Funktionen und Einschränkungen

Unternehmen können aus der Verwendung einer SCM-Schicht mehrere Vorteile ziehen, darunter die folgenden:

• Die Laufwerke halten länger als herkömmliche Flash-Laufwerke.
• Sie ermöglichen einen DRAM-ähnlichen Zugriff über das System-Memory auf große Datensätze in Echtzeit.
• Die Technologie kostet weniger als der Kauf von mehr DRAM.
• Sie bietet geringere Zugriffslatenz und einen höheren Durchsatz als SSDs.
• Sie schützt wichtige Daten vor dem Verlust, wenn die Stromzufuhr zum Unternehmensspeicher unterbrochen wird.

Trotz dieser Vorteile ist der durchschnittliche Preis von SCM-Laufwerken ein Hindernis für eine breitere Akzeptanz. Das Hinzufügen von SCM kann dazu beitragen, die DRAM-Kosten zu senken, aber ein SCM-Laufwerk kann zehnmal teurer sein als eine ähnliche NVMe-Konfiguration.

Eine breitere Einführung kann zu Standardpreisen führen. In der Zwischenzeit sollten Unternehmen eine Kosten-Nutzen-Analyse durchführen, um festzustellen, ob das Hinzufügen von SCM die Produktivität einer Anwendung verbessern wird.

Unternehmenseinsatz von SCM

SCM ist wichtig für Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungen, in-memory-Computing der nächsten Generation und Scale-out-Cluster für Berechnungen und Storage. Ein SCM-Tier kann für Anwendungen nützlich sein, die empfindlich auf Ausfallzeiten reagieren oder häufig auf komplexe Daten-Workloads zugreifen.

Moderne Anwendungen, die KI- und maschinelle Lernalgorithmen verwenden, können vom Hochgeschwindigkeitszugriff des SCM auf das Server-Memory profitieren. Diese Anwendungen benötigen ständigen Zugriff auf riesige Datensätze, aber der Kauf von mehr DRAM, um diesen Zugriff zu ermöglichen, ist kostspielig.

In einigen Fällen kann SCM als Ersatz für DRAM verwendet werden, wenn auch mit etwas niedrigeren Geschwindigkeiten. Als DRAM-Ersatz bietet SCM Vorteile wie schnelle Neustarts von Datenbank-Servern bei Wartungsarbeiten, Stromausfällen und Neustarts.

Verschiedene betriebliche Anwendungen und Datenbanken können SCM nutzen, insbesondere solche, die eine niedrige Latenz, Langlebigkeit und Datenkonsistenz benötigen. Die Technologie hat das Potenzial, die Speicherung virtueller Maschinen zu beschleunigen. Außerdem kann sie dazu beitragen, dass Multi-Node- und Distributed-Cloud-Anwendungen besser funktionieren.

Zu den Anwendungsfällen für SCM in Unternehmen gehören:

• Big-Data-Analysen zum Ersetzen oder Erweitern eines Hot- oder Warm-Data-Caches;
• Cybersicherheitsanalysen zur Erkennung und Abwehr von Ransomware und anderen Bedrohungen;
• Finanzhandelsanwendungen zur schnellen Verarbeitung und Ausführung von Finanztransaktionen;
• Betrugserkennung zur Durchführung von Datenanalysen, um betrügerische Transaktionen zu erkennen;
• In-Memory-Datenbanken, die Software zur Verarbeitung von Online-Transaktionen betreiben;
• Internet der Dinge (IoT)-Analysen zur Verarbeitung großer Datensätze in Echtzeit; und
• Web-Personalisierung zur Anpassung von Online-Inhalten an die Bedürfnisse einzelner Nutzer.

Intel-Micron 3D XPoint-Speicher

Intel und Micron haben gemeinsam eine SCM-Version namens 3D XPoint entwickelt, ein Solid-State Storage, das die Leistungslücke zwischen DRAM und NAND schließen soll. Zu den erwarteten Einsatzgebieten gehören KI, fortschrittliche Analysen, Datenbanken, Hochleistungsrechner und virtualisierte Infrastrukturen.

Im Gegensatz zu konventionellem NAND, das eine Ladungsfalle (charge trap) zur Speicherung von Informationen verwendet, speichert 3D XPoint Datenbits auf der Grundlage der unterschiedlichen Widerstandsniveaus zwischen dem Hauptmaterial einer Memory-Zelle. Der Widerstandswert bestimmt den Binärwert eines Signals: Wenn er eingeschaltet ist, ist der Binärwert 1, wenn er ausgeschaltet ist, ist der Wert 0.

Im Jahr 2018 brachte Intel seine erste Reihe von 3D XPoint-basierten Produkten unter der Bezeichnung Intel Optane auf den Markt. Die Entwicklung von Optane fiel mit dem Aufkommen von KI, IoT, Gensequenzierung, Medien-Streaming und ähnlich anspruchsvollen Arbeitslasten zusammen.

Intel bietet Intel Optane SSDs mit zwei Anschlüssen und Optane Persistent Memory (PMem) Module an. Optane PMem DIMM-Kapazitäten reichen von 128 GB bis 512 GB pro Modul und passen in Systeme, die PCIe-basierte SSDs aufnehmen können. Wenn einem System Optane-Kapazität hinzugefügt wird, listet das Betriebssystem des Computers die Laufwerke als NVMe-Speichergeräte auf.

Micron plante Berichten zufolge, ein Konkurrenzprodukt zu Intel Optane auf den Markt zu bringen, beschloss jedoch im März 2021, die Entwicklung von 3D XPoint einzustellen. Micron erklärte, dass es stattdessen plant, seine 3D XPoint-Chipfabrik zu verkaufen und die Entwicklungsforschung auf Memory-Technologien zu verlagern, die für den aufkommenden Compute Express Link (CXL)-Standard entwickelt werden. CXL-Konnektivität ermöglicht die Schaffung gemeinsamer SCM-Pools durch die Verbindung von diskreten CPUs, Grafikprozessoren und ähnlichen Beschleunigungschips.

Es ist nicht klar, wie sich die Entscheidung von Micron auf die zukünftige Entwicklung von Optane-Produkten auswirken wird. Im Juni 2021 stellte Intel seine Produktlinie der Optane-Desktop-SSDs ein und kündigte an, sich auf Optane Memory H2O M.2-SSDs zu konzentrieren. Optane H2O schichtet massiven QLC-NAND hinter einen Optane-Memory-Cache.

Samsung Z-NAND und andere SCM-Typen

Samsung Z-NAND wird aus Flash-Medien hergestellt. Es handelt sich um eine Variante des vertikalen NAND- oder V-NAND-Speichers mit niedriger Latenz. Technisch gesehen handelt es sich nicht um einen SCM-Speicher, obwohl seine Leistungssteigerung der von 3D XPoint nahekommt.

Z-NAND organisiert 48 Schichten von Single-Level-Cell-Flash mit Floating-Gate-Transistoren, um sicherzustellen, dass jede Zelle die richtige Spannung erhält. Samsung verwendet Z-NAND-Speicher für seine Z-SSD-Produktlinie.

Zu den anderen Arten von SCM gehören die folgenden:

• AMD, ein Konkurrent von Intel, verfügt nicht über eine eigene SCM-Technologie. Stattdessen kombiniert er seine EPYC-basierten Beschleuniger mit den Ultrastar DC ME200 Ultrastar DC ME200 Memory Extension Drives der Western Digital Corp. und einem nativen Hypervisor, der NAND-Flash dem Host-Memory zuordnet.
• Kioxia, ehemals Toshiba Memory, entwickelt ebenfalls eine SCM-Technologie. Mit seinem XL-Flash SCM will das Unternehmen die Parallelität erhöhen. XL-Flash ist eine Erweiterung der erstmals von Toshiba entwickelten Bit Cost Scalable 3D NAND-Flash-Technologie. Kioxia sagte, dass es XL-Flash in einem SSD-Formfaktor anbieten wird, mit eventuellen Plänen, es auf dem DRAM-Bus verfügbar zu machen.
• Smart Modular Technologies vermarktet eine Reihe von persistenten Memory-Modulen, die unter dem Markennamen DuraMemory hergestellt werden und für die Schwerindustrie und schwierige Umgebungen geeignet sind.

SCM-Produkte

Bislang sind Intel und Samsung die einzigen Anbieter, die SCM-Laufwerke auf den Markt bringen. Sie werden mit ihren jeweiligen proprietären Speichertechnologien entwickelt. Intel bietet seine Optane-Produktlinie und Samsung seinen Z-NAND an. Die beiden Unternehmen verfolgen unterschiedliche Ansätze bei der Erfassung von Datenbits. Dennoch positionieren beide Unternehmen ihre Memory-Technologien als Hochleistungsdatenspeicher für In-Memory-Datenbanken und ähnliche Echtzeit-Workloads.

Das heute nicht mehr existierende Halbleiterunternehmen Diablo Technologies war mit seinem Memory1 ein früher SCM-Pionier. SanDisk, jetzt Teil von Western Digital, und IBM übernahmen die Technologie von Diablo. Der Anbieter meldete 2017 Konkurs an. Dies geschah kurz nachdem er eine Patentverletzungsklage des SCM-Konkurrenten Netlist gewonnen hatte. Der Chip-Hersteller Rambus erwarb 2019 das verbleibende geistige Eigentum von Diablo.

Der Einfluss von SCM auf das Design von Speicher-Arrays

Das Aufkommen von SCM und insbesondere von Optane-Laufwerken hat die Art und Weise, wie Hardwarehersteller Server und Speichertechnologien entwickeln, verändert. Mehrere Speicherhersteller setzen Intel Optane SCM-Tiers in ihren vernetzten Speichersystemen ein, darunter die folgenden:

• Dell EMC fügt Optane PMem als Leistungsstufe in sein Flaggschiff PowerMax SAN ein. Optane-Laufwerke werden auch zusammen mit NVMe-SSDs im Dell EMC PowerStore Midrange-Speichersystem eingesetzt.
• Hewlett Packard Enterprise (HPE) integriert die SCM-basierte Flash-Technologie für Unternehmen in seine Nimble Storage SANs für den mittleren Leistungsbereich. Die Persistent Memory-Karten von HPE sind als Optane-Versionen in bestimmten HPE ProLiant-Servern oder als optionale Add-in-Karten erhältlich.
• Hitachi Vantara bietet mit seinen Arrays der Virtual Storage Platform 5000 Series die Möglichkeit, ein System mit SCM zu konfigurieren, das 100 Prozent der Cache-Kapazität bereitstellt.
• Lenovo kündigte Unterstützung für Intel Optane auf einigen ThinkSystem-Servern an.
• MemVerge, ein Startup aus dem Jahr 2017, entwickelte Memory Machine, die DRAM und Intel Optane virtualisiert, um einen großen persistenten Data Lake zu schaffen, von dem aus Replikation, Snapshots und andere Datenservices bereitgestellt werden.
• NetApp entwickelte die Memory Accelerated Data Software, auch Max Data genannt, unter Verwendung der Plexistor Speichertechnologie, die NetApp 2017 erwarb. Max Data-fähige Systeme unterstützen auch Intel Optane SCM.
• Pure Storage kombinierte NVMe-Flash- und DirectMemory-Module in seinem FlashArray//X All-Flash-Array, um einen schnellen Lese-Cache zu ermöglichen. Der DirectMemory von Pure basiert auf Intel Optane-Geräten mit zwei Anschlüssen.
• StorOne hat das All-Flash Array.next System, das Optane mit Intel QLC 3D NAND kombiniert und von der S1 Storage Software verwaltet wird.
• Vast Data setzt einen großen SCM-Schreibpuffer mit intelligenter Datenplatzierung ein, um die Langlebigkeit seiner All-Flash-Speicherarchitektur zu erhöhen.

Andere nichtflüchtige Memory-Typen

Es sind weitere nichtflüchtige Speichermedien auf dem Vormarsch, die die Kapazität und Leistung von herkömmlichem Computer-Memory und Flash-Speicher erreichen oder sogar übertreffen könnten. Zu den bemerkenswerten Technologien und den Anbietern, die sie entwickeln, gehören diese drei Technologien:

• Resistiver RAM. Bei diesem auch als ReRAM oder RRAM bezeichnetem Memory wird der Widerstand über einen Memristor auf dielektrischer Basis verändert. Durch die Veränderung des Widerstands erhöht sich die Menge des in eine Richtung fließenden Signals im Verhältnis zur Verringerung des Signalflusses in die entgegengesetzte Richtung. Fujitsu und Crossbar sind die beiden führenden Hersteller von RRAM.
• Magnetoresistiver RAM (MRAM). Everspin Technologies hat einen MRAM entwickelt, der anstelle einer Elektronenladung den Magnetismus nutzt, den rotierende Elektronen erzeugen, um dauerhafte Daten zu speichern. Everspin hat mehrere MRAM-Produkte entwickelt, lizenziert und vermarktet, die in der eigenen Halbleiterfabrik hergestellt werden. Dazu gehören Toggle MRAM und Spin-transfer Torque MRAM (STT-MRAM). Im März 2021 brachte das Unternehmen einen 1-GB-STT-MRAM-Baustein auf den Markt, der auf 28-Nanometer-Verarbeitung basiert und für Cloud-Infrastrukturanbieter bestimmt ist.
• Nanotube RAM (NRAM). Bei den NRAM-Speicherzellen von Nantero befinden sich Hunderte von Kohlenstoff-Nanoröhren zwischen Elektroden, die zum Schalten der Spannung verwendet werden. Änderungen im Widerstand der Zelle entsprechen ihrem binären Schaltzustand.

Die Zukunft des Storage Class Memory

SCM bietet einen größeren adressierbaren Memory-Bereich, der auf den Betrieb im Memory Mode oder Storage eingestellt werden kann. Daten, die in SCM abgelegt werden, durchlaufen einen kürzeren I/O-Pfad und reduzieren die Garbage Collection bei großen Datenblöcken.

Computational Storage ist eine verwandte Technologie, bei der Verarbeitungschips direkt in das Speichersubsystem eingebettet sind. Die Datenoperationen werden so nah wie möglich am Prozessor durchgeführt, um die Datenanalyse zu beschleunigen.

Computational-Storage-Systeme können Unmengen von Echtzeitdaten, die in Edge-Computing-Umgebungen anfallen, schnell erfassen, analysieren und verarbeiten. Mehrere Anbieter entwickeln eigene Data Processing Units (DPUs), von denen die Mellanox DPU von Nvidia die bekannteste ist.

Für viele Unternehmen ist die Wahl zwischen Computational Storage und SCM-Medien keine Entweder-Oder-Entscheidung. Es wird erwartet, dass die Technologien in naher Zukunft in den Rechenzentren von Unternehmen nebeneinander existieren werden, um unterschiedliche Arbeitslasten zu bewältigen.