Устройства на базе энергонезависимой памяти 3D XPoint по брендом Optane уже достаточно давно занимают на рынке SSD уникальную нишу решений. Они особенно хорошо проявляют себя на мелкоблочных случайных операциях, и по этой причине снискали популярность в высокопроизводительных СХД в качестве кеш-накопителей. Цены на Optane не отличаются гуманностью и в 2020 году, но так ли уж выгодны они Intel?

Как говорит статистика, о прибыльности Optane корпорация Intel, точнее, её подразделение Non-volatile Solution Group (NSG), сложно было говорить очень долго. Начиная с 2016 года, каждый квартал, если верить аналитикам, NSG вынуждена была рапортовать об убытках, причём, иной раз достигающих 30-40%. Некоторые исключения можно было наблюдать в 2017 и 2018 годах, но лишь в отдельных кварталах и уже в начале 2019 подразделение было вынуждено вновь сообщить о существенных убытках.

Зарубежные источники сообщают, что в целом, производство и продажи устройств NAND в течение полугода, до второго квартала 2020, приносили Intel прибыль, однако именно Optane тянули общие показатели «на дно», сводя усилия компании не просто к нулям, а в область отрицательных значений. Но во втором квартале ситуация изменилась и NSG сообщила о прибыли на уровне $322 миллионов и доходности 19%. Это сопоставимо с финансовыми показателями таких конкурентов Intel NSG, как SK Hynix и Micron, хотя и ниже, чем, например, у Samsung или Western Digital.

Такие показатели свидетельствуют о том, что Optane, судя по всему, уже не является для NSG «якорем». Как утверждается, это произошло благодаря наращиванию объёмов выпуска таких устройства, что привело к срабатыванию эффекта масштаба и стоимость производства одной единицы продукции снизилась в достаточной степени. Ожидается, что тенденция останется положительной и в будущем.

Intel Optane в исполнении M.2 — подходящий вариант для высокоплотных СХД

Однако не исключается и возможность отказа Intel от выпуска Optane под собственным крылом — ранее компания уже отказалась от работ над многими типами энергонезависимой памяти, кроме NAND. В этот печальный список входят самые разные технологии, от SRAM и DRAM до экзотики вроде пузырьковой памяти и PCM.

Напомним, что в разработке 3D XPoint участвовал альянс Micron и Intel, и последняя в настоящий момент закупает кристаллы именно у бывшего партнёра. В свете тенденций Intel к концентрации усилий вокруг различных «сопроцессоров», включая ПЛИС, а также разработки программного обеспечения, существует некоторая вероятность того, что «синие» оставят в своём производстве лишь 3D NAND, особенно в набирающем популярность четырёхбитном варианте QLC.

Компания Micron Technology анонсировала X100 SSD — новое семейство твердотельных накопителей для центров обработки данных с высокой интенсивностью операций ввода/вывода.

Micron называет X100 SSD самыми быстрыми твердотельными накопителями в мире. В их основу положена память 3D XPoint, которая по ключевым параметрам многократно превосходит память NAND Flash. Утверждается, к примеру, что может достигаться 1000-кратный прирост производительности. Кроме того, значительно возрастает срок службы устройств хранения данных.

Полностью характеристики накопителей X100 SSD пока не раскрываются. Но говорится, что показатель IOPS (операций ввода/вывода в секунду) у них достигает 2,5 млн.

Что касается пропускной способности, то она достигает 9 Гбайт/с на операциях чтения и записи, а также при смешанных нагрузках.

Наконец, Micron говорит об ультранизких задержках, которые в 11 раз меньше аналогичного показателя для устройств хранения данных на основе памяти NAND Flash.

Пробные поставки решений X100 SSD начнутся в текущем квартале. Сведений о цене пока нет. 

Глобальные продажи энергонезависимой памяти 3D XPoint в 2023 году превысят $3 млрд против $0,9 млрд в 2019-м, прогнозирует аналитик MKW Ventures Consulting Марк Вебб (Mark Webb).

Другой аналитик — Джим Хэнди (Jim Handy) из Objective Analysis — ожидает более высокую выручку на рассматриваемом рынке в 2023 году ($3,6 млрд). Свои прогнозы эксперты озвучили на конференции Flash Memory Summit 2019 в Сан-Хосе.

Спрос на неё будет расти благодаря поддержке соответствующего системного ПО и сокращению производственных расходов, говорят специалисты. По мнению Джима Хэнди, продажи XPoint в 2020 году будут увеличиваться довольно медленно, но к 2023-му они ускорятся.

В 2020 году Intel и Micron, как ожидается, выпустят память 3D XPoint второго поколения. Она сохранит технологию SLC (один бит информации на ячейку), но станет дешевле — например, 256-гигабитные решения будут стоить на 35 % меньше по сравнению со 128-гигабитной памятью первого поколения, прогнозирует Вебб.

По мнению эксперта, Micron не будет наращивать продажи 3D XPoint первого поколения и дождётся выхода новой версии. Не исключено, что Micron адаптирует память 3D XPoint к работе с процессорами AMD, ARM, IBM Power и графическими чипами. Альтернативой этому типу памяти являются NAND-решения Samsung Z-SSD и Toshiba XL-FLASH.

Напомним, что 3D XPoint относится к Storage Class Memory (SCM). Такой тип памяти медленне и дешевле DRAM и в то же время быстрее и дороже классических SSD, то есть она занимает промежуточное положение между ними. Это открывает новые возможности для более эффективного использования иерархии памяти в целом, что особенно актуально для серверных систем. 

Intel предлагает решения 3D XPoint под брендом Optane как в виде NVMe-накопителей, так и в формате DIMM-модулей DCPMM. Первые массовые продукты Micron под брендом QuantX ожидаются в конце 2019 года. Предположительно к этому моменту совместное предприятие обеих компаний IM Flash Technology должно полностью перейти в собственность Micron, и на этом их пути разойдутся — разработкой и производством следующих поколений 3D XPoint они буду заниматься самостоятельно. 

Intel объявила о начале коммерческих поставок модулей NVDIMM на базе энергонезависимой памяти 3D XPoint избранным клиентам. Модули Optane DC Persistent Memory предназначены для установки в слоты для оперативной памяти и используют протокол работы памяти DDR4 с целью максимизировать производительность находящегося в непосредственной близости от микропроцессора накопителя данных. Клиенты, получившие модули, уже сообщают об их рекордной производительности.

«Мы осуществили наши первые коммерческие поставки накопителей Optane DC Persistent Memory компаниям Google, Microsoft и Alibaba, получив отличные отзывы», — сказал Роберт Суон (Robert Swan) финансовый директор Intel, временно исполняющий обязанности исполнительного директора, в ходе телеконференции с инвесторами и финансовыми аналитиками. «Microsoft уже сообщила о рекордной производительности [сервера на базе Xeon Scalable и Optane DC Persistent Memory] в 13,7 млн IOPS, уровень, которого они никогда не достигали ни на какой другой платформе».

Сервер на базе Intel Xeon Scalable поколения Cascade Lake

Как сообщалось ранее в этом году, семейство модулей Optane DC Persistent Memory будет включать в себя накопители ёмкостью 128, 256 и 512 Гбайт. По сообщению AnandTech, накопитель Optane DC Persistent Memory 512 Гбайт несёт на борту 10 многослойных микросхем памяти 3D XPoint, таким образом используя 640 Гбайт памяти и имея вдвое больше «избыточной» памяти, чем модули DDR4 SDRAM с ECC (коррекцией ошибок).

Компания Intel не раскрывает точные характеристики своих продуктов до их официального выпуска. Однако уровень производительности сервера с несколькими накопителями Optane DC Persistent Memory в том, что касается случайных операций чтения и записи, впечатляет. Для сравнения, типичный серверный SSD с шиной PCI Express имеет производительность в 550–750 тысяч IOPS. Таким образом, несколько накопителей Optane DC Persistent Memory могут предложить не меньшую скорость, чем несколько серверных SSD, при этом предлагая куда более высокую надежность.

Основные преимущества памяти 3D XPoint

Руководство Intel предпочитает не распространяться о том, когда именно компания начнёт продажи модулей Optane DC Persistent Memory, но, судя по всему, поставки данных устройств начнутся одновременно с продажами серверов на базе процессоров Intel Xeon Scalable поколения Cascade Lake.

На протяжении уже довольно продолжительного времени компания Intel не упускает возможности напомнить о подготовке модулей памяти Optane DC Persistent Memory. На недавнем мероприятии Intel Datacenter Summit 2018, где были обнародованы планы компании на будущее в серверном сегменте, было объявлено о начале поставок модулей Optane DC компании Google.

Однако актуальные серверные процессоры Intel Xeon Skylake-SP не поддерживают работу с новыми модулями, несмотря на полную их совместимость со слотами DDR4 DIMM на уровне контактов. Данная возможность будет только у будущих Cascade Lake-SP, которые пока что даже не были представлены. Поэтому зачем Google память, которую негде использовать, пока что неясно. Хотя, возможно, Google уже имеет на руках образцы процессоров Cascade Lake-SP и как раз занимается их тестированием в реальных условиях.

Также Intel пока что не раскрывает все подробности о новых модулях памяти. Неизвестна ни их латентность, ни точная скорость, ни цена, ни надёжность, ни безопасность, ни множество других особенностей. В Intel предпочитают ограничиваться лишь общими фразами, например, что модули Optane DC обладают более высокой скоростью, нежели традиционные твердотельные накопители. То есть в иерархии памяти занимают место как раз между ними.

Эти модули построены на твердотельной памяти 3D XPoint. Несмотря на проигрыш в скорости традиционной оперативной памяти, у модулей Optane DC есть несколько важных преимуществ. В частности, куда больший объём за меньшую стоимость, а также наличие возможности сохранить данные даже в отсутствие питания. На данный момент Intel производит модули Optane DC объёмом до 512 Гбайт, а один процессор способен работать с шестью такими модулями.

Корпорация Intel официально представила модули памяти Optane DC Persistent Memory, рассчитанные на использование в оборудовании корпоративного класса.

Анонсированные решения — это модули DIMM, выполненные с применением передовой технологии 3D XPoint. Напомним, что 3D XPoint представляет собой энергонезависимую память, которая по ключевым характеристикам многократно превосходит широко распространённую NAND Flash. Утверждается, к примеру, что 3D XPoint до 1000 раз быстрее и имеет до 1000 раз более длительный срок службы по сравнению с памятью NAND.

Прототипы модулей DIMM на основе 3D XPoint демонстрировались ещё в 2016 году, но только сейчас такие решения начинают выходить на коммерческий рынок.

Итак, сообщается, что изделия Optane DC Persistent Memory на уровне контактов совместимы с DDR4. Правда, использовать модули поначалу можно будет только в системах на платформе Intel Xeon следующего поколения.

Сейчас в семейство Optane DC Persistent Memory входят решения ёмкостью 128, 256 и 512 Гбайт. Скоростные показатели, к сожалению, не раскрываются.

Пока организованы поставки образцов Optane DC Persistent Memory. Отдельные заказчики начнут получать изделия на коммерческой основе позднее в текущем году. Массовые отгрузки намечены на 2019 год. 

Корпорация Intel поделилась планами по выпуску модулей DIMM, изготовленных с использованием передовой технологии 3D XPoint.

Напомним, что 3D XPoint представляет собой энергонезавиcимую память, по принципу действия совершенно отличную от традиционной флеш-памяти NAND. В то время как NAND Flash для хранения информации использует электроны, захваченные в затворе транзистора, ячейка 3D XPoint меняет сопротивление для различения между нулём и единицей.

3D XPoint является основой накопителей семейства Optane, которые сейчас выпускаются в виде карт расширения PCIe 3.0, 2,5-дюймовых U.2-устройств и модулей М.2. Кроме того, ещё в начале 2016 года демонстрировались прототипы модулей DIMM на основе этой памяти, но с тех пор о таких изделиях практически ничего не было слышно.

И вот теперь Навин Шеной (Navin Shenoy), исполнительный вице-президент Intel и глава группы центров обработки данных (Data Center Group), сообщил, что решения DIMM с памятью 3D XPoint появятся на рынке во второй половине следующего года.

Изделия нового типа будут нацелены на серверы и различные вычислительные платформы. Поэтому Intel придётся обеспечить требуемую надёжность, долговечность и производительность.

«Технология Intel Optane для центров обработки данных сочетает в себе характерные особенности, присущие памяти и подсистемам хранения, обеспечивая низкий уровень задержек, высокую надежность, исключительные показатели качества обслуживания и высокую пропускную способность, что позволяет реализовать новый слой данных, который увеличивает масштабируемость в пределах сервера и помогает снизить стоимость транзакций», — заявляет корпорация. 

Компании Intel и Micron объявили о завершении строительства нового производственного корпуса Building 60 (B60) на предприятии IM Flash в американском штате Юта: площадка позволит нарастить объёмы выпуска передовой памяти 3D XPoint.

Напомним, что технология 3D XPoint лежит в основе накопителей семейства Optane, в частности, изделий корпоративного класса Optane SSD DC P4800X и потребительских устройств Optane SSD 900P. Память 3D XPoint создавалась для удовлетворения быстро растущего спроса на накопители от самых различных заказчиков. Перекрёстная структура в 3D XPoint образует архитектуру из ячеек и матриц, которая позволяет переключать состояния намного быстрее, чем это осуществляется в NAND-памяти.

Расширение мощностей на предприятии IM Flash даст возможность увеличить объёмы выпуска устройств на базе 3D XPoint. «Технология Intel Optane в корне меняет характер нашего взаимодействия с теми огромными объёмами данных, которые генерируются сегодня каждый день. Расширение производственных мощностей позволяет нам удовлетворить растущий спрос на те продукты, которые мы представили в этом году, а также на ту продукцию, которую мы намерены представить в будущем», — заявляют в Intel.

Добавим, что совместное предприятие IM Flash было создано в 2006 году для производства энергонезависимой памяти для нужд Intel и Micron. Сначала здесь выпускалась NAND-память для SSD-накопителей, телефонов, планшетов и других устройств. В 2015 году предприятие IM Flash начало производить память на базе технологии 3D XPoint. 

Основным ограничителем в ряде серьёзных задач, исполняемых в ЦОД, служит узкое место в виде подсистемы хранения данных. Да, в последние годы твердотельные накопители сделали огромный шаг вперёд, и всё же в ряде случаев они проигрывают обычной оперативной памяти, особенно там, где ценится низкая задержка при обращении к данным, например, в крупных системах БД. Технология Intel 3D XPoint призвана устранить это «бутылочное горлышко», решив заодно и проблему с необходимостью загружать данные в память каждый раз при сбоях электропитания. Как известно, она предусматривает создание не только накопителей в привычных нам форматах PCIe, M.2 и U.2, но и в виде модулей DIMM — и такие модули на днях Intel успешно продемонстрировала в работе.

Выглядят такие модули точно так же, как и обычные DIMM. Устанавливаются они в те же слоты серверной платформы, что и оперативная память, а современные технологии позволяют им выглядеть как блочным устройством, так и расширением RAM. Производительность у модулей Intel Persistent Memory находится в промежутке между DIMM и твердотельными накопителями, но особенно удобны они для использования совместно с приложениями типа «база данных в памяти», таких, как SAP HANA (платформа для анализа данных и машинного обучения). Неудивительно, что демонстрация состоялась на конференции SAP Sapphire 2017, которая проходит сейчас в городе Орландо, штат Флорида (США), и использовалась при этом именно платформа SAP HANA.

Разумеется, сфера применения энергонезависимых модулей памяти не ограничена базами данных — от внедрения новой технологии выиграют все, от платформ виртуализации и облачных сервисов до суперкомпьютеров, производительность которых тоже упирается в традиционные «костыли». Полный список задач занял бы не одну страницу. Когда же нам следует ожидать новую революцию в сфере хранения данных? Судя по официальным данным, представленным Intel, начала поставок модулей Persistent Memory следует ожидать в 2018 году вместе с обновлением процессоров Xeon Scalable (кодовое название Cascade Lake). Но работу над программной поддержкой такой памяти следует начинать уже сейчас, и Intel готова предоставить разработчикам нужные библиотеки NVML (Non-Volatile Memory Libraries). Дополнительная информация также имеется на сайте Persistent Memory Programming.

Проблема с делением вычислительных систем на зоны «быстрой» и «медленной» памяти действительно в последние годы встаёт всё более остро. В этом году, с 3 по 7 апреля в Казанском федеральном университете прошла международная конференция, посвящённая развитию параллельных вычислительных технологий, где этот вопрос разбирался отдельно и глубоко. Мы опубликовали даже посвящённую этому событию статью. Одним из главных «виновников» торжества стала Intel, которая продемонстрировала свои достижения: процессоры Xeon E5 v4, шину Omni-Path, ускорители Xeon Phi Knights Langing и сопроцессоры машинного обучения, в том числе, ускорители Nervana.

Затронула компания и технологию Optane. Первые накопители на базе энергонезависимой памяти 3D XPoint — это лишь верхушка айсберга: они практически ничем не отличаются от обычных SSD и могут предложить только количественные улучшения, а компания Intel замахивается на всю парадигму с делением памяти на области. На вышеприведённой диаграмме всё ещё присутствуют накопители SSD в качестве быстрой памяти подкачки, но ничто не мешает и переходу полностью на модули Persistent Memory DIMM. В такой схеме останется разве что удалённое звено СХД на базе HDD с SSD-кешем, но как показывает практика и демонстрация прототипа The Machine, оснащённого 160 Тбайт единого пространства памяти, можно отказаться и от этого звена. Пока это очень сложно, поскольку память NAND не обладает нужными скоростными характеристиками, а DRAM целиком зависит от надёжности электропитания. Массовое распространение чипов 3D XPoint может положить этой сложности конец.

В предельном виде иерархия для одного вычислительного узла станет выглядеть следующим образом: «ЦП + кеш + встроенная в ЦП быстрая память типа MCDRAM + модули NVDIMM 3DXP + межузловые соединения». Здесь на помощь придёт технология NVMe over Fabric, обеспечивающая быструю связь с низким временем отклика между различными узлами ЦОД или суперкомпьютера. Решения физического уровня существуют вполне подходящие: так, шина InfiniBand EDR уже в 2014 году могла обеспечивать соединения на скорости 300 Гбит/с, а решения уровня 2017 года достигли впечатляющих 600 Гбит/с. Первое поколение Intel Omni-Path уже работало на скорости 100 Гбит/с и впереди у этой шины новые скоростные горизонты. Создание суперкомпьютеров, облачных систем или целых крупных ЦОД с объёмными системами хранения данных в виде единого пространства памяти уже не видится фантастикой: как уже было сказано, в 2018 году появятся новые модули Intel Persistent Memory DIMM, которые существенно облегчат постройку таких систем и сделают их архитектуру ещё проще и стройнее, а значит, и эффективнее.

Полтора года назад на мероприятии IDF15 компания Intel анонсировала новый тип энергонезависимой памяти 3D XPoint и предстоящий выпуск накопителей на её основе. Длительный период разработки и предпродажного тестирования SSD Optane первого поколения завершён, и чипмейкер из Санта-Клары готов к приёму заказов на 375-гигабайтную модель Optane SSD DC P4800X Series, выполненную в виде карты расширения PCI Express 3.0 x4.

Трёхмерная структура 3D XPoint, состоящая из ячеек памяти, селекторов и соединений

Внешне устройство ничем не примечательно. Проприетарный контроллер Intel и часть микросхем памяти 3D XPoint накрыта низкопрофильным радиатором. Тыльная сторона карты Optane DC P4800X стала посадочным местом для 14 чипов 3D XPoint. Дополнительное питание SSD не требуется, по крайней мере, в 375-гигабайтной версии.

Многослойные микросхемы 3D XPoint для Optane DC P4800X изготовлены самой Intel по 20-нм техпроцессу. Каждый чип имеет ёмкость 128 Гбит (16 Гбайт), соответственно, для получения 375-Гбайт SSD требуется не менее 24 таких чипов.

Накопитель выделяется очень низкой латентностью доступа (типичная — до 10 микросекунд), высокой производительностью и впечатляющей износоустойчивостью. Паспортное количество IOPS у первого представителя семейства Intel Optane DC P4800X достигает 550 000 при чтении и 500 000 при записи. Ежедневно на SSD можно записывать 11,25 Тбайт данных (30 циклов перезаписи), а в целом, в течение 5-летнего гарантийного срока, — 20,55 Пбайт (почти 54 800 циклов перезаписи).

Результаты прикладного тестирования 375-гигабайтной PCI-E версии накопителя Optane DC P4800X приведены на сайте IT Peer Network, а также в одном из наших предыдущих материалов. По сравнению с представителем ещё одной серии накопителей для дата-центров, DC P3700 объёмом 400 Гбайт, Optane DC P4800X оказался заметно более быстрым. Правда, при этом разница в стоимости SSD довольно значительна: «3700-й» сегодня оценивается за океаном примерно в $900, а «4800-й» — в $1520.

Новинка в виде карты расширения PCI Express 3.0 x4 первое время будет доступна в ограниченном количестве. Срок гарантии на устройства из первой партии составит только три года. Во втором квартале текущего года выйдет версия Intel Optane DC P4800X 375GB с интерфейсом подключения U.2. Тогда же дебютирует PCI-E вариант 750-гигабайтного P4800X. Далее, во втором полугодии, состоится релиз U.2-версии Optane DC P4800X 750GB и накопителя Optane DC P4800X 1500GB. Стоимость старших решений пока не известна.