Was Intels Abkehr von Optane bedeutet

Hintergründe und Erwartungen

Optane war ein Versuch, eine beträchtliche Leistungslücke zwischen Intels Prozessoren und denen von AMD zu schließen.

In den letzten zehn Jahren hat der Hersteller die so genannte „Intel-Tretmühle“ angestoßen, um anderen Prozessorherstellern voraus zu sein. Dieses Modell ermöglichte es Intel, sich auf der Grundlage der folgenden Richtlinien von seinen Konkurrenten zu unterscheiden:

• Verkauf von Prozessoren, die auf einer fortschrittlichen Prozesstechnologie basieren, zu einem hohen Preis. Große Gewinne erzielen.
• Diese Gewinne in neue Spitzentechnologie reinvestieren, um allen anderen Prozessorherstellern voraus zu sein.
• Diese neue Spitzentechnologie nutzen, um mit der nächsten Prozesstechnologie höhere Gewinne zu erzielen.

Doch die Wirtschaftlichkeit der Halbleiterproduktion änderte sich allmählich und nahm Intel das Modell aus der Hand.

Die Anzahl der Wafer, die eine wirtschaftliche Wafer-Produktionsanlage der Spitzenklasse herstellen muss, ist stetig gestiegen und übersteigt bei weitem den Bedarf von Intels Prozessoren. Rechnet man die explodierenden Kosten für den Bau einer solchen Fabrik hinzu, wird klar, dass Intel keine Spitzenfabrik bauen und nur einen Bruchteil der Produktion nutzen kann – das würde das Unternehmen unrentabel machen. Infolgedessen blieb Intels Prozessortechnologie hinter der der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) zurück, die Wafer für AMD und andere Firmen herstellt. Intel-CEO Pat Gelsinger hat diesen Rückstand inzwischen durch die Übernahme des Chipherstellers Tower Semiconductor aufgeholt.

In der Zwischenzeit brauchte Intel einen Weg, um die Wettbewerbslücke mit gleichwertiger oder besserer Technologie zu vergrößern. Intels gewagter Plan bestand darin, eine bedeutende architektonische Änderung vorzunehmen, die als 3D-XPoint-Speicher bezeichnet und unter der Marke Optane verkauft wurde.

Die Optane-Strategie

Intel entwickelte Optane, um eine Veränderung zu wiederholen, die um 2004 begann. In diesem Jahr fielen die NAND-Flash-Preise dauerhaft unter die DRAM-Preise, so dass es für alle Computersysteme sinnvoll wurde, SSDs einzubauen, um das Preis-/Leistungsverhältnis ihrer Systeme zu verbessern. Durch den Einbau einer SSD konnte ein System die gleiche Leistung mit weniger DRAM und weniger Geld erreichen. Serverfarmen mit SSDs konnten oft die Anzahl ihrer Server reduzieren.

Durch das Schließen einer wachsenden Lücke in der Speicherhierarchie mit einer NAND-Flash-SSD konnten erhebliche Leistungsverbesserungen erzielt werden. Eine Flash-SSD passte perfekt zwischen HDDs und DRAM. Infolgedessen wurden SSDs schnell zu einer Schlüsselkomponente in den meisten Rechenzentren.

Intel beschloss, die wachsende Lücke zwischen DRAM- und NAND-SSDs mit einer neuen Speichertechnologie zu schließen. Aufstrebende Speicheroptionen – wie magnetoresistiver RAM (MRAM), Phase Change Memory (PCM), resistiver RAM (ReRAM) und ferroelektrischer RAM (FeFRAM) - kamen in Frage, da sie Funktionen boten, die Intel in die Speicherhierarchie aufnehmen konnte, um Preis und Leistung zu verbessern.

Die meisten der neuen Arbeitsspeicher haben eine kleinere Bitzellengröße als DRAM, so dass sie billiger in der Herstellung und Anschaffung sein dürften als DRAM. Außerdem sind sie schneller als NAND-Flash. Außerdem sind sie nichtflüchtig, das heißt sie bringen die Persistenz näher an den Prozessor heran, was Systeme rationalisieren könnte, die keinen Datenverlust durch einen Stromausfall verkraften können.

Intel forscht seit den 1960er Jahren an PCM und kündigte 1970 seinen ersten PCM-Chip an, so dass diese Technologie in diese Lücke passte. Wenn es Intel gelingt, Optane so zu gestalten, dass es nur mit Intel-Prozessoren funktioniert, könnte das Unternehmen einen Vorsprung zwischen sich und seine Konkurrenz erreichen, der sehr lange anhalten könnte.

Die Bedeutung von DIMMs

Für diesen Ansatz bot es sich an, Optane mit einer proprietären Schnittstelle - nicht einer SSD-Schnittstelle - zu produzieren, mit der Intel alle Bemühungen von Wettbewerbern, diese Technologie selbst zu nutzen, vereiteln konnte. Obwohl SSDs das erste Optane-Produkt von Intel waren, sollten sie nur dazu dienen, die Massenproduktion von 3D-XPoint-Speicher frühzeitig aufzubauen.

SSD-Nutzer bevorzugen schnellere SSDs, und Intel produzierte schnellere SSDs mit Optane. Diese SSDs nutzten jedoch nicht die gesamte Geschwindigkeit, die das 3D-XPoint-Memory bietet, da die SSD-Schnittstelle zu langsam war.

Geschwindigkeit lässt sich nur schwer beziffern, und die Nutzer entschieden, dass eine relativ geringe Geschwindigkeitssteigerung den von Intel verlangten Preis nicht wert war. Das bedeutete, dass die SSDs nicht genügend Absatz fanden, um die erforderliche Produktionsmenge zu erreichen.

Der größere Plan bestand darin, ein Modul zu entwickeln, das nahezu mit DDR4-Geschwindigkeit arbeitet. Intel entschied sich, den Standard-DDR4-Speicherbus an die Bedürfnisse von Optane anzupassen und die Änderungen als Wettbewerbsvorteil geheim zu halten.

Zu diesem Zweck entwickelte das Unternehmen die DDR-T-Schnittstelle, bei der es sich um DDR4 mit einigen zusätzlichen Signalen zur Unterstützung eines Transaktionsprotokolls handelt. Der Bus musste sowohl auf der DIMM- als auch auf der CPU-Seite der Schnittstelle unterstützt werden.

Mit diesen DIMMs konnte der 3D-XPoint-Speicher seinen gesamten Geschwindigkeitsvorteil in das System einbringen. Intel hat diese DIMMs während der Einführung der zweiten Generation der Xeon-Scalable-Prozessoren Anfang 2019 auf den Markt gebracht.

Um sich jedoch durchzusetzen, mussten diese DIMMs, die langsamer als DRAM sind, zu Preisen verkauft werden, die niedriger als die von DRAM sind, und die Kosten für ihre Herstellung waren anfangs höher als das Niveau, das Intel für seine Preisgestaltung benötigte.

Wirtschaftliche Aspekte: Ein Stolperstein

Jede neue Memory-Technologie kann das erforderliche Kostenziel nur dann erreichen, wenn sie in der Lage ist, Produktionsmengen wie bei DRAM zu erreichen. So sind die NAND-Flash-Preise unter die DRAM-Preise gefallen.

Ein NAND-Flash-Chip mit einer einzigen Zelle war schon immer etwa halb so groß wie sein DRAM-Gegenstück, vorausgesetzt, beide werden mit der gleichen Prozessgeometrie hergestellt und fassen die gleiche Anzahl von Bits. Dennoch waren die Kosten für NAND-Flash bis 2004 nicht konkurrenzfähig mit denen von DRAM.

Nach Schätzungen des Halbleitermarktforschungsunternehmens Objective Analysis erreichte die Produktion von NAND-Flash-Wafern im Jahr 2004 ein Drittel der Kosten von DRAM. Das war der Zeitpunkt, an dem die Größenvorteile zugunsten von NAND kippten.

Zu diesem Zeitpunkt ging Intel das große Wagnis ein, die anfänglichen Anstrengungen zu subventionieren, bis der Verbrauch hoch genug war, um diese Größenvorteile zu erzielen. Bislang ist dies nicht geschehen.

Infolgedessen hat Intel bei seinen Bemühungen, die Kosten für Optane zu drücken, mehr als 7 Milliarden Dollar verloren. Es scheint, dass die Unternehmensleitung beschlossen hat, dass sie so weit gehen wollte und das Produkt eingestellt hat.

Hätte die Situation anders ausgehen können? Wahrscheinlich nicht viel. Hätte Intel die Preise für Optane-SSDs aggressiver angesetzt, wären sie vielleicht populärer geworden, aber dann wären die Verluste noch größer gewesen. Wenn wir davon ausgehen, dass die Geschäftsleitung die Verluste des Projekts mit einem festen Betrag einkalkuliert hatte, wäre die Abkehr von Intel Optane viel früher erfolgt.

Das Erbe von Optane und was kommt als nächstes?

Werden die derzeitigen Optane-Nutzer im Stich gelassen? In einer Erklärung, die auf dem Flash Memory Summit verlesen wurde, stellte Intel klar, dass das Unternehmen bestehende Nutzer unterstützen wird, so dass dies kein Problem darstellt.

Unternehmen, die für schnelles Memory auf Optane angewiesen sind, müssen jedoch für zukünftige Designs auf ein anderes, teureres Produkt umsteigen, wobei das einfachste ein NVDIMM ist. Unternehmen, die keine Persistenz benötigen, aber die Vorteile der größeren Optane-Speichergrößen genutzt haben, müssen ebenfalls mehr bezahlen, um in ihrer nächsten System-Iteration stattdessen DRAM zu verwenden. Keiner der beiden Schritte dürfte für diese Unternehmen das Budget sprengen, aber ihre Gewinne werden etwas geringer ausfallen.

Optane hinterlässt ein positives Erbe. Die Branche hat aus der Einführung von Optane eine Menge gelernt. Die Compute Express Link (CXL)-Verbindung wurde möglicherweise mit Blick auf Optane entwickelt, und die Storage Networking Industry Association (SNIA) hat ein Programmiermodell für nichtflüchtige Speicher entwickelt, das viele andere Storage-Arten zu beschleunigen verspricht. Dieses Modell wird sich als Segen erweisen, wenn Prozessoren auf neue Prozesstechnologien umsteigen, die nichtflüchtige MRAM-Caches einschließen. MRAM dürfte zur Norm werden, da die Chip-Prozesstechnologien weiter schrumpfen und statischer RAM (SRAM) nicht mit ihnen schrumpft.

Optane hat der Branche die Augen dafür geöffnet, dass unterschiedliche Memory-Geschwindigkeiten einen völlig anderen Bus-Ansatz erfordern als der Weg mit fester Geschwindigkeit, den die Branche seit dem synchronen DRAM in den frühen 1990er Jahren verfolgt hat. Darüber hinaus hat Optane die Branche gelehrt, dass die Bedienung von Interrupts mit langsamen Kontextwechseln für den Umgang mit schnellem und langsamem Memory nicht geeignet ist.

Die IT-Branche begann auch, den Begriff der uneinheitlichen Speicherarchitektur (Non-Uniform Memory Architecture) zu verwenden, um Speichersysteme zu beschreiben, die schnellere und langsamere Speichertypen kombinieren. Mit diesem Ansatz kann der Speicher an beiden Enden des CXL fast nahtlos in den Memory-Bereich eines Prozessors eingefügt werden.

Vielleicht wird Intel einige seiner Erkenntnisse über die PCM-Herstellung oder transaktionale DRAM-Schnittstellen weitergeben, die anderen in der Branche helfen werden. Was auch immer geschieht, mehr Menschen sind offen für die Idee, eine weitere Speicherebene in die Speicherhierarchie aufzunehmen.

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