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Speichermedien

Schnell, schneller - Optane!

27.03.2020
Über die Leistung von Intels Optane-Speicher wurde schon viel geschrieben. Doch was zeichnet diese Technologie aus und was macht sie zu dem, was sie ist: Eine hoch performante und gleichzeitig kostengünstige Lösung für die Datenanforderungen der Zukunft?

Immer mehr Cloud-Anwendungen werden aus der Public-Cloud ins eigene Rechenzentrum zurückgeholt. Die Gründe dafür sind unterschiedlich und reichen von zu hohen Kosten über Probleme mit der Datenhoheit bis hin zu unzureichender Performance. Letzteres resultiert zwar meist aus Netzwerkproblemen, doch gerade bei rechenintensiven Anwendungen können die Ursachen auch zu schwache Prozessoren oder zu langsame Speichermedien sein.

Intel Optane DC Persistent Memory und Intel Optane DC SSDs schließen die Lücke zwischen den schnellen DRAMs und den vergleichsweise langsamen NAND SSDs.
Intel Optane DC Persistent Memory und Intel Optane DC SSDs schließen die Lücke zwischen den schnellen DRAMs und den vergleichsweise langsamen NAND SSDs.
Foto: whiteMocca - shutterstock.com

Diese Speicherprobleme könnten sich in absehbarer Zukunft noch verschärfen, denn überall steigen die Datenberge weiterhin exponentiell an. Laut IDC umfasste das gesamte digitale Speichervolumen im Jahr 2018 rund 33 Zettabytes, doch bis 2025 soll es auf 175 Zettabytes förmlich explodieren.

Das allein gibt schon genügend Anlass, die bestehenden Speicherstrukturen zu hinterfragen, um sich rechtzeitig auf die neuen Datenanforderungen einzustellen.

Doch damit nicht genug. Der Anstieg der Datenmengen ist nur ein Problem - ein wesentlich größeres ist die immer kürzer werdende Response- und Verarbeitungszeit. Realtime-Analytics, der neue Mobilfunkstandard 5G und die drahtlose Steuerung von Robotern und Fertigungsstraßen (Stichwort: Industrie 4.0) lassen sich mit den herkömmlichen Technologien nicht mehr in den Griff bekommen. Eine IDC-Studie besagt, dass bis 2025 ein Drittel aller Daten in Realtime benötigt werden, also direkt in dem Moment, in dem sie entstehen. Der Netzwerkspezialist Cisco geht davon aus, dass die Zahl der IoT-Verbindungen bis 2022 auf über 28 Milliarden ansteigen wird.

Speicher und Prozessor Hand in Hand

Während immer schnellere Prozessoren schon seit vielen Jahren die Norm sind, gab es bei den Speichertechnologien vergleichsweise wenige bahnbrechende Leistungsverbesserungen. Insofern lohnt ein Blick auf die Hintergründe von Intels Optane-Speichertechnologien.

Dafür muss man etwas weiter ausholen und zunächst die Basisprobleme des Zusammenwirkens von Prozessor und Speichermedien erläutern. Das Grundübel moderner, datenintensiver Anwendungen besteht darin, dass herkömmliche Speichersysteme vergleichsweise langsam auf die Datenanforderungen der Prozessoren reagieren. Das führt dazu, dass die Prozessorleistung nicht immer voll ausgeschöpft werden kann.

Eine nachhaltige Lösung dieses Problems ist nur möglich, wenn größere Datenmengen dichter an die CPUs verschoben und in deren unmittelbarer Nähe bereitgehalten werden. Technisch ist das zunächst kein größeres Problem, denn man könnte theoretisch eine weitere hochperformante DRAM- oder sogar eine Register-Ebene zwischen den Prozessoren und den langsamen Hauptspeichern schaffen. Doch das würde die Systemkosten ins Uferlose treiben. Um daher sowohl die neuen Performance-Anforderungen zu erfüllen, als auch die Kosten im Griff zu behalten, braucht es eine neue Speichertechnik, die genau diese Lücke zwischen dem schnellem, aber kostenintensiven Arbeitsspeicher, und den preiswerten, aber langsamen Festplattenlaufwerken schließt.

Die Lösung: Intel Optane

Intel Optane DC Persistent Memory und Intel Optane DC SSDs wurden speziell entwickelt, um diese Lücke zwischen den schnellen DRAMs einerseits und den vergleichsweise langsamen NAND SSDs andererseits zu schließen. Und das in einer Form, in der sich gleichzeitig die TCO des Rechenzentrums senken lässt. Das heißt, der Einsatz von Intel Optane Technologien bietet viele Vorzüge:

  • massiv erweiterter Gesamtspeicher des gesamten Systems

  • hohe Dichte an virtuellen Maschinen (VMs), was wiederum zu mehr VMs pro Server führt und damit eine deutliche Serverkonsolidierung bewirken kann.

  • hohe Performance der Anwendungen, da weniger Disc-Swapping anfällt

  • Persistent Memory für ein schnelles System-Recovering

  • Massive Verbesserung der Antwortzeiten des Speichersystems

3D XPoint als Basistechnologie

Die Entwicklung der Optane-Technologie geht auf das Jahr 2015 zurück, als Intel gemeinsam mit Micron die non-volatile 3D-XPoint-Speichertechnologie auf den Markt brachte. Diese ist zwar ähnlich zu NAND, ist aber bis zu wesentlich schneller und langlebiger als herkömmliche NAND-Flash-Speicher, da eine völlig andere Speicherphysik zur Anwendung kommt.

Während die Speicherzellen bei NAND-Flash den Speicherinhalt durch unterschiedliche elektrische Spannungsniveaus in Feldeffekttransistoren speichern, basiert 3D XPoint auf der Veränderung des elektrischen Widerstands. Die Speicherchips weisen eine räumliche Gitterstruktur auf, an deren Kreuzungspunkten die eigentlichen Informationsspeicher sitzen. Sie kommen ohne Feldeffekttransistoren wie die Flash-Zellen aus, was eine höhere Integrationsdichte ermöglicht. "Sofort vom ersten Augenblick an hat die 3D-XPoint-Speichertechnologie schlagartig viele Perfomance-Flaschenhälse eliminiert", sagt Frank Hady, Director der Storage Technology Group bei Intel.

Bus-Koppelung: DRAM und Optane kooperieren

Intel Optane DC Persistent Memory basiert auf dieser 3D-Xpoint-Technologie. Dabei werden die non-volantilen Medien auf ein Dual-In-Line-Speichermodul (DIMM) platziert und dann auf demselben Speicherbus installiert, welcher bislang nur für die volatilen Medien (DRAM) verwendet wurde. Diese direkte Bus-Kopplung bewirkt zum einen eine höhere Gesamtsystemspeicherkapazität, zum anderen aber auch einen deutlich höheren Datendurchsatz durch massives DRAM-Caching.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Architektur ergibt sich durch die non-volatile Eigenschaft dieser Medien. Damit bleiben die auf den persistent Speicher-DIMMS gespeicherten Daten auch ohne Stromzufuhr erhalten. Auf diese Weise kann die Technologie auch als permanenter Datenspeicher wie ein Festplattenlaufwerk (HDD) oder Solid-State-Laufwerk (SSD) verwendet werden, jedoch mit DRAM-ähnlichen Latenzen.