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Wie nützlich sind PMEM und Storage Class Memory wirklich?
Firmen sollten mehr als nur das Preis-Leistungs-Verhältnis von Storage Class Memory und Persistent Memory Modules betrachten, um den wirklichen Nutzen für Unternehmen zu erkennen.
Seit Intel und Micron Technology im Juli 2015 ihren nichtflüchtigen (Non-volatile) 3D-XPoint-Speicher angekündigt haben, sprechen IT-Profis über die Auswirkungen auf das Preis-Leistungs-Verhältnis. Die anfängliche Marktakzeptanz von 3D XPoint kann bestenfalls als mittelmäßig beschrieben werden.
Doch seit Intel und Micron 3D-XPoint-SSDs, auch bekannt als Storage Class Memory (SCM), und DIMMs, auch bekannt als Data Center Persistent Memory Modules (DCPMMs), kurz PMEM, mit aktuellen Benchmarks eingeführt haben, ist die Akzeptanz bei den OEM-Systemanbietern gewachsen. Das Interesse der Anwender ist jedoch zurückgeblieben, auch wenn die Leistungskennzahlen beeindruckend sind.
SCM war die erste Implementierung von 3D XPoint. SCM-Benchmarks zeigen laut der ServeTheHome-Website in der Regel deutlich geringere Latenzen und etwa zweieinhalb- bis dreimal bessere IOPS als die schnellsten NVMe-Flash-SSDs. Große Datentransfer-Benchmarks haben laut AnandTech sogar eine 10-fache Verbesserung gezeigt.
Der vielleicht wichtigste Vorteil der SCM-Leistung ist die geringe Schreib-Latenzzeit, die für NAND-Flash nur schwer zu erreichen ist. SCM ist vor allem in hochleistungsfähigen Speicher-Arrays zu finden, obwohl es auch für Server verfügbar ist.
Intels 512 GB Optane DC Persistent Memory Modul (links), mit seinem Quad-Level Cell 3D NAND D5-P4326 (Mitte) und der Dual-Port Optane SSD DC D4800X.
Das Preis-Leistungs-Problem
Für viele IT-Profis geht es um das Preis-Leistungs-Verhältnis. SCM ist im Durchschnitt vier- bis fünfmal so teuer wie die schnellste NVMe Flash-SSD für die gleichen Kapazitäten. Das macht es schwierig, den Einsatz allein über das Preis-Leistungs-Verhältnis zu rechtfertigen. Es kommt auf die jeweilige Anwendung und die „Above-the-line“-Rendite dieser Leistungsverbesserung an.
Der „Above-the-line“-Ertrag ist ein neues Konzept für viele IT-Profis. Es ist der Umsatz, der durch schnellere Reaktionszeiten und eine frühere Markteinführung entsteht – Umsatz, der ohne diese Leistungsverbesserung nicht vorhanden wäre.
Ein hervorragendes Beispiel ist der Hochfrequenzhandel, bei dem eine zehnfache Reduzierung der Latenzzeit zu einem Umsatz in Millionenhöhe führen kann. Für andere Unternehmen können verbesserte Latenzen und Reaktionszeiten zu einer schnelleren Markteinführung und größeren Marktanteilen führen – Einnahmen und Gewinne, die zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr möglich wären.
Welche Anwendungen profitieren also am meisten von SCM? Diejenigen, die geringere Schreib- und Leselatenzen und große Datentransfers benötigen. Datenbanken und verschiedene KI-Technologien, einschließlich maschinelles Lernen, Deep Learning und neuronale Netze, profitieren alle am meisten von reduzierten Schreib- und Leselatenzen. Data Warehouses, Big Data Analytics und High Performance Computing profitieren am meisten von schnelleren großen Datentransfers.
Funktionsweise
Was ist mit den neueren DCPMM oder PMEM? Um zu verstehen, wie diese Technologie effektiv genutzt werden kann, ist ein gewisser Hintergrund erforderlich.
PMEM ist zum Zeitpunkt dieses Artikels nur von Intel erhältlich. Es ist 3D XPoint in einem DIMM-Formfaktor, der auf dem DDR4-Standard basiert. Es reicht von 128 GB bis 512 GB pro DCPMM. Es gibt maximal 6 DCPMMs pro CPU oder Sockel. Jedes DCPMM ist mit einem DRAM DIMM gepaart. Für die DCPMM-Unterstützung sind Intel Cascade Lake Prozessoren der zweiten Generation oder besser erforderlich.
DCPMMs kosten pro Byte etwa die Hälfte des DRAMs, sind aber etwa 10 Mal langsamer. Beide werden im Byte-Modus beschrieben. Der Hauptunterschied ist die Datenpersistenz. PMEM kann als persistenter Speicher auch bei Stromausfall verwendet werden. Da es auf der nichtflüchtigen 3D-XPoint-Technologie basiert, sollten die Daten nicht immer persistent sein? Die Antwort ist ja und nein.
PMEM hat zwei Modi: Memory Mode und Application Direct Mode (AppDirect). Der Memory Mode ist die Art und Weise, wie der persistente Speicher am häufigsten verwendet wird, so dass es so aussieht, als ob es sich um DRAM handelt. Wenn das PMEM verwendet wird, sieht das System eine größere DRAM-Zuweisung.
Es verwendet die DCPMMs als Hauptspeicher und die DRAM-DIMMs als schnellen Puffer für schnell benötigte Daten. In Bezug auf die Leistung ist dies eine bessere Option als die Verwendung von DRAM zur Pufferung von NVMe-NAND-Flash-SSDs. Der beste Teil des Memory Mode ist, dass es keine Änderungen an der Anwendung oder dem Dateisystem erfordert, um PMEM zu verwenden. Es ist buchstäblich Plug and Play. Die Daten werden jedoch nicht als persistent angesehen. Um persistent zu sein, ist AppDirect erforderlich.
Vorteile der Persistenz
AppDirect lässt ein DCPMM wie eine RAM-Disk aussehen und sich wie eine RAM-Disk verhalten. Die Daten bleiben auch nach dem Ausschalten der Stromversorgung erhalten. Dies ermöglicht schnelle Neustarts und minimiert Ausfallzeiten und Datenverluste, obwohl es nicht von selbst bootfähig ist.
AppDirect ist für relationale Datenbanken attraktiv, weil es die Anforderungen an Konsistenz, Isolierung und Haltbarkeit beim Ausführen in „in-memory“ vereinfacht. Die viel größeren Memory-Größen erleichtern zudem die Ausführung nahezu jeder Datenbank im Speicher. Aber im Gegensatz zum Memory Mode ist AppDirect nicht Plug and Play. Es erfordert die Modifikation der Anwendung und möglicherweise des Dateisystems - keine triviale und potentiell riesige Aufgabe.
Eine bekannte AppDirect-Implementierung ist die Oracle-Datenbank mit Exadata X8M. Oracle verwendete AppDirect mit RDMA über konvergentes Ethernet, um alle DCPMMs in den Speicherservern zu poolen, so dass sie als ein einziger persistenter Memory-Pool von bis zu 27 TB pro Rack für alle Datenbankserver erscheinen.
Die Ergebnisse sind verblüffend und liefern 19 µs oder weniger Latenz und 16 Millionen 8K SQL-Lese-IOPS. Oracle bietet dies zum gleichen Preis wie sein nicht-persistentes Memory Exadata X8 an, das eine Latenz von 250 µs und 6,57 Millionen 8K SQL-Lese-IOPS aufweist. Das sind mehr als 10 Mal geringere Latenzen und etwa 2,5 Mal mehr IOPS zum gleichen Preis.
Womit wir wieder bei der ursprünglichen Frage wären: Sind SCM und PMEM den Preis wert? Die Antwort lautet: „Es kommt darauf an.“ Es hängt davon ab, ob niedrigere Latenzen, schnellere Antwortzeiten und ein schnellerer, größerer Datendurchsatz die Produktivität, die Markteinführungszeit und den Umsatz für Ihr Unternehmen deutlich verbessern. Letztendlich hängt es auch vom Preis-Leistungsverhältnis ab.
