В рамках мероприятия Intel FPGA Technology Day, которое прошло в конце 2021 года, компания Intel и её партнёры рассказали о последних достижениях в области разработки продуктов на базе FPGA, а также показали свои новейшие программные и аппаратные решения. Среди последних оказался и модуль Kestral от SMART Modular Technologies, который был анонсирован ещё весной.

Модули памяти Optane PMem продвигаются Intel достаточно давно, и это действительно уникальная по ряду параметров разработка. Такая память обладает достаточно высокой производительностью, чтобы работать в качестве «расширителя» обычной DRAM, но вместе с тем располагает основным свойством флеш-памяти — энергонезависимостью. При этом Optane PMem в пересчёте на единицу объёма стоят дешевле DRAM и позволяют набрать более объёмный пул памяти.

Изображения: SMART Modular Technologies

Но у Optane PMem есть один существенный недостаток — если SSD с этой памятью универсальны, то для PMem требуется система на базе Intel, причём процессоры Xeon Scalable первого поколения не поддерживается. Это резко ограничивает сферу применимости удачной в целом технологии. И модуль Kestral призван решить данную проблему.

Kestral, в целом, занимает некое промежуточное положение между накопителем и памятью. Это универсальное решение в виде FHHL-платы PCIe 4.0, сочетающее в себе сразу несколько полезных технологий. Kestral может включать SoC Cortex Arm-A53 с DDR4 ECC объёмом 2 Гбайт и eMMC-накопителем на 8 Гбайт. Собственно говоря, SoC является частью FPGA Intel Stratix 10 DX. А раз есть ПЛИС, есть и ряд готовых IP-блоков для ускорения различных задач.

Архитектура расширения памяти, предлагаемая SMART

Наконец, на плате Kestral имеется четыре DIMM-разъёма с поддержкой DDR4 и Optane PMem. Каналов памяти у Kestral два, они поддерживают смешанную работу DRAM и Optane, но максимальный объём в 2 Тбайт достигается при установке четырёх 512-Гбайт PMem-модулей. Латентность заявлена в районе менее 350 нс — выше, чем у подключаемых напрямую к CPU модулей (около 100 нс), но это искупается универсальностью Kestral.

Ограничений на тип процессора в хост-системе нет — разработчики говорят о поддержке любых систем с любыми архитектурами, лишь бы только те располагали стандартной шиной PCIe 3.0/4.0. При этом плата обходится стандартным пассивным радиатором и охлаждается за счёт вентиляторов сервера, имея теплопакет не выше 150 Вт. Аналогичный модуль, продемонстрированный Intel и Meta (Facebook), сейчас используется для практического тестирования CXL-памяти.

Компания MemVerge объявила о выпуске версии 1.2 программного обеспечения Memory Machine, которое используется для систем класса Big Memory. Новая версия адаптирована под процессоры Intel Xeon Scalable 3-го поколения (кодовое название Ice Lake), которые поддерживают до 6 Тбайт памяти (DDR4-3200 + Intel Optane серии 200).

Компания также объявила о вступлении в Консорциум CXL и своём участии в лабораториях Big Memory в Arrow, Intel, Penguin Computing и WWT, которые теперь оснащены необходимой техникой и доступны для демонстраций технологий Big Memory, тестирования новых разработок и адаптации программного обеспечения.

«Memory Machine v1.2 разработана, чтобы позволить поставщикам приложений и конечным пользователям в полной мере использовать преимущества новейшего процессора Intel Xeon Scalable и технологии памяти Optane. Мы начали с предоставления доступа к новым уровням производительности и ёмкости без необходимости вносить изменения в приложения», — заявил Чарльз Фэн (Charles Fan), генеральный директор MemVerge.

Как отмечается, программное обеспечение Big Memory позволяет максимально эффективно использовать доступный объем памяти, обеспечивая новые возможности для рабочих нагрузок in-memory. Memory Machine позволяет не просто задействовать весь объём памяти в системе, но и существенно ускоряет работу с ней за счёт особых алгоритмов.

На конференции Sanford C. Bernstein Operational Decisions Conference компания Micron сообщила, что у нее есть планы по развитию SSD и DIMM-модулей на базе технологии 3D XPoint. Формально это прямая заявка на конкуренцию с Intel Optane через пару лет, когда Micron запустит свою серию продуктов 3D XPoint.

По заявлениям финансового директора Micron Дэйва Зинснера, компания будет продолжать создавать портфолио для 3D XPoint, он также отметил, что данная технология будет очень востребована в области искусственного интеллекта. В настоящее время Micron производит 3D XPoint для продуктов Intel Optane PMem 200 и твердотельных накопителей Micron X100, представленных в октябре 2019 года.

В ближайшие пару лет Micron планирует начать выпуск собственных накопителей 3D XPoint второго поколения, а также модулей DIMM 3D XPoint. По словам Дэйва Зинснера, у Micron до сих пор нет значительного дохода в этом сегменте, если не считать пластин 3D XPoint, которые они продают Intel. Кроме того, производственные линии 3D XPoint недостаточны загружены, что  прямо влияет на расходы Micron.

Над всеми современными компьютерными архитектурами довлеет одно проклятие — разделение всех ресурсов памяти на быструю (оперативную) и медленную (дисковую). Несмотря на весь прогресс в области микроэлектроники, сам принцип остаётся фундаментальным и по сей день, однако есть и те, кто решается бросить вызов этой системе. Компания MemVerge, летом этого года заявившая о том, что делает ставку на вычисления в памяти (in-memory), официально представила разработанное ей специально для этой цели программное обеспечение под названием Memory Machine.

Модуль Optane DCPMM без радиатора. Виден контроллер и один из чипов Optane

Как и все инициативы подобного рода, Memory Machine нуждается в достаточно быстром, но при этом энергонезависимом типе памяти: обычная DRAM не подходит и по цене, и по невозможности надёжно хранить данные. К счастью, сейчас такая «промежуточная» память есть, и это, разумеется, Intel Optane. Успешно доказана возможность Optane дополнять обычную память, и в тех случаях, где объём важнее пропускной способности, такие системы показывают впечатляющие результаты.

Архитектурные устои современных серверов и кластерных систем, однако, приходится преодолевать, и именно с этой целью MemVerge разработала специальную программную прослойку, существенно упрощающую построение комбинированных пулов памяти, сочетающих в себе DRAM и Optane DCPMM (PMEM, Persistent Memory). В основе Memory Machine лежит идея прослойки виртуализации между приложениями и различными API доступа к памяти и хранилищам данных.

Концепция in-memory, реализованная MemVerge. Для связи между узлами кластера используется RDMA over Converged Ethernet

Благодаря этой прослойке, все имеющиеся сочетания DRAM и Optane DCPMM в пределах сервера или различных узлах кластера представляются, как единое объектное пространство памяти (Distributed Memory Objects), а приложения воспринимают это пространство как обычный объём памяти, с которым можно работать стандартными средствами. Прослойка с точки зрения приложений полностью прозрачна, а значит, приложения не нуждаются в модернизации. Для внедрения вычислений in-memory без модернизации ПО достаточно приобретения Memory Machine Standard Edition.

MemVerge Memory Machine включает в себя удобные средства мониторинга и управления

Но существует и расширенная версия, Memory Machine Advanced Edition, ещё более продвинутая и выводящая идею единого быстрого пространства памяти на новый уровень. Ключевым отличием от стандартной версии можно назвать поддержку ZeroIO, технологии моментальных снимков памяти. Если верить MemVerge, ZeroIO позволяет полностью отказаться от операций ввода-вывода с традиционными блочными накопителями (SSD и HDD) и хранить всё в пределах PMEM.

Загрузка объемных рабочих сценариев (сотни гигабайт или единицы терабайт) при этом занимает секунды против минут и часов при традиционном подходе. Поддерживается практически мгновенное клонирование объёмных баз данных, что обязательно порадует разработчиков. Также реализована функция Time Travel, позволяющая быстро откатываться к любому из сделанных ранее снимков.

Memory Machine состоит из гипервизора памяти и надстроек, работающих непосредственно с приложениями

Разумеется, Memory Machine представляет собой весьма непростое программное обеспечение. При всех своих достоинствах, память Optane DCPMM всё же уступает традиционным модулям DRAM DIMM в производительности. Но Memory Machine дирижирует имеющимися в её распоряжении ресурсами интеллектуально, перемещая наиболее часто используемые, «горячие» данные в область DRAM для максимизации производительности. Общий объём DRAM и Optane при этом всё равно используется на 100%.

В основе Memory Machine лежит гипервизор на базе Linux, он-то и занимается виртуализацией всех ресурсов памяти в единый пул. Из этого пула приложения могут забирать необходимые ресурсы, а надстройка Memory Machine следит за тем, чтобы производительность была максимальной и поддерживает качество обслуживания (QoS). А в случае Advanced Edition, эта надстройка отвечает и за функции ZeroIO.

Новое ПО поддерживает зонирование памяти (tiering), снятие снэпшотов и репликацию в реальном времени

Обе редакции MemVerge Memory Machine можно заказать уже сейчас. Список поддерживающего режим выполнения in-memory программного обеспечения достаточно широк и включает в себя такие наименования как Autodesk Maya, TensorFlow, PyTorch, MySQL, MongoDB, KVM и ряд других. Список будет постоянно пополняться, также компания принимает отдельные заказы на обеспечение поддержки пользовательского приложения.

Аппаратные ограничения проистекают из самой природы Memory Machine: к сожалению, серверы на базе AMD EPYC не подходят, как не поддерживающие Optane DPCMM. Но подойдёт любой сервер с процессорами Intel Xeon Scalable второго поколения, поддерживающими такой тип модулей памяти. Поддерживаются гипервизоры VMware ESXi и QEMU-KVM, операционные системы CentOS и Red Hat Enterprise Linux, а также платформы контейнеризации на базе Kubernetes.

Напомним, что на самих платформах Intel память Optane DCPMM тоже может работать в режиме прозрачного расширения объёма DRAM. А на более ранних платформах с Xeon Scalable первого поколения доступна технология IMDT, которая позволяет расширить объём видимой в системе оперативной памяти за счёт NVMe-накопителей (в первую очередь, на базе той же Optane).

Сегодня Intel провела небольшой виртуальный брифинг, посвящённый промежуточному отчёту об успехах и планах в области памяти и твердотельных накопителей для центров обработки данных. За год продажи в этом сегменте выросли на впечатляющие 46%.

Intel продолжает заниматься продвижением своего видения иерархии памяти, которая в представлении компании включает промежуточный слой SCM-памяти — в данном случае это Optane DCPMM + Optane SSD — между DRAM и дисковой подсистемой, а сами диски должны быть представлены исключительно накопителями на базе 3D NAND. Жёстким дискам и «ленточкам» отведена роль внешнего «холодного» хранилища. Впрочем, LTO и так им является, а на смену HDD должны прийти накопители на базе QLC-памяти, а впоследствии и PLC.

Планы относительно QLC-накопителей не поменялись — в этом году должно стартовать массовое производство 144-слойной памяти данного типа, а в следующем компания начнёт переводить на неё свои основные продукты. Intel всё так будет продвигать форм-фактор EDSFF E1.L (рулер) для компактных и ёмких хранилищ. На днях, к слову, она, наконец, выпустила в этом форм-факторе накопители «старой» серии DC P4510 ёмкостью 15,36 Тбайт. Ожидается, что в ближайшие годы крупные производители серверов и СХД начнут массово переходить на стандарт EDSFF, но конкуренцию «рулерам» составят U.3 и E3.S. Что касается SSD на базе 3D XPoint, то следующее поколение под кодовым именем Alder Stream всё так же ожидается в этом году.

Несколько слов было сказано и втором поколении Intel Optane PMem 200 (кодовое имя Barlow Pass), представленной пару недель назад. Заявленный прирост производительности на 25% был получен благодаря новому контроллеру, обновлению протокола обмена данными и некоторыми улучшениями самой памяти 3D XPoint. Также было переработано управление питанием, что привело к снижению среднего TDP. Речь идёт о нескольких ваттах, однако новая память работает с Intel Xeon Cooper Lake, которые ориентированы на плотные 4- и 8-сокетные системы с большим числом DIMM-модулей. Новая память Optane будет поддерживаться и в системах на базе следующего поколения процессоров Intel Xeon Ice Lake.

Пример расчёта стоимости платформы с Intel Optane DCPMM и RAM

А вот о клиентских решениях прямо пока ничего не говорится, хотя в этом году ожидается некий анонс для несерверных продуктов. Впрочем, формально к таковым относятся и рабочие станции на базе тех же Xeon. Сейчас Optane DCPMM позиционируется как решение для ЦОД и периферийных вычислений. Intel отмечает интерес к такой памяти: более 200 компаний из списка Fortune 500 уже тестируют её или используют в рабочих нагрузках, 30+ крупных разработчиков ПО адаптировали софт для Optane DCPMM, а из «большой семёрки» (Super 7) — Facebook , Google, Microsoft, Amazon, Baidu, Alibaba и Tencent — её используют пять гигантов.

Китайский производитель гиперконвергентных решений SmartX выпустил решение Halo P, использующее для кеширования Optane PMem, что позволяет выдать 1,2 миллиона IOPS с задержкой не более 100 мкс и пропускную способность до 25 Гбайт/с. Стенд для демонстрации решения был построен на основе трехузловой системы Lenovo и с использованием накопителей NVMe.

Каким образом SmartX удалось снизить задержку доступа до такой малой величины? Ответ простой — использование собственной ОС SMTX и модулей Optane DCPMM в режиме App Direct (DAX).

Это решение позволяет сохранять данные любого узла в кеше из модулей памяти Optane, при этом на другие узлы данные так же реплицируются с использованием протокола RDMA, который уменьшает задержку до подтверждения записи данных. Далее данные из кеша записываются на твердотельные накопители и хранятся там, пока снова не потребуются.

OC SMTX использует 64-байтовое выравнивание для журнала блоков, вместо 4 Кбайт (для SSD), таким образом решается проблема с лишними операциями записи (когда не набирается блок в 4 Кбайта). Кроме этого, виртуализованное хранилище передается в программный стек ВМ через отдельный протокол SMTX ELF, что позволяет избежать снижения производительности, вызванного запросами ввода-вывода от виртуальных машин.

Память системы хранения и виртуальной машины разделяется, чтобы избежать репликации памяти и замедления операций ввода-вывода. RDMA over Converged Ethernet (RoCE) используется для ускорения сетевых запросов ввода-вывода через сетевые карты (работа с разными узлами хранилища).

SmartX заявляет, что это самое быстрое в мире решение с гиперконвергентной системой. SmartX позиционирует свое решение HaloP для работы с базами данных OLTP и машинного обучения.

В понятие «платформа» как таковое входят три компонента: процессор, память и устройства хранения данных, хотя с появлением Optane DCPMM грань между последними двумя понятиями и стала размываться. Вместе с анонсом Xeon Scalable Cooper Lake Intel представила второе поколение памяти Optane DCPMM, которе и предназначено для новых CPU.

Рост популярности систем машинного интеллекта и периферийной обработки данных приводит и к тому, что от подсистем памяти требуются большие, нежели ранее, объёмы. DRAM, однако, всё ещё очень дорогое удовольствие, когда речь заходит о терабайтах и десятках терабайт, а обычная флеш-память NAND не может похвастаться высокой производительностью на мелкоблочных и случайных операциях в силу своей структуры.

Intel не первый год продвигает концепцию Optane DCPMM: сам тип микросхем Optane (3D XPoint) хорошо подходит в качестве «продолжения» системной памяти, порой не критически уступая DRAM в производительности. При этом модули DCPMM энергонезависимы и могут быть весьма солидных объёмов, заведомо превышающих объёмы, достигаемые «чистой» DRAM.

DCPMM позволяет снизить стоимость владения при увеличении объёмов памяти и лучшей производительности

В прошлом году мы опубликовали заметку, рассказывающую о том, насколько хорошо смешанные системы на базе Optane DCPMM + DRAM показывают себя в научно-технических расчётах. И они доказали свою полезность, хотя речь шла о первом поколении модулей DCPMM. А сейчас компания Intel представила модули на базе Optane второго поколения, обладающие улучшенными техническими характеристиками.

Они носят название Optane 200 и, по замыслу разработчика, эти модули должны составить компанию платформе Cooper Lake-SP, третьему поколению Xeon Scalable. Максимальная ёмкость модуля по-прежнему составляет 512 Гбайт.

Эффективность новой DCPMM в сравнении с серверами трёхлетней давности

Общий объём смешанной памяти у систем на базе Cooper Lake может достигать внушительной цифры 4,5 Тбайт на процессорный разъём, хотя для этого и требуется процессор Xeon с суффиксом HL в названии. Отличный выбор для нагрузок вроде баз данных in-memory, аналитики в реальном времени, да и системы виртуализации от такого только выиграют — один сервер сможет вместить больше инстансов.

Новые модули имеют невысокий теплопакет, остающийся в рамках 12 ‒ 15 Ватт, но при этом они могут быть на четверть производительнее Optane DCPMM предыдущего поколения. По разным оценкам надёжность новинок варьируется в пределах 75 — 363 Пбайт, записанных в течение пятилетнего гарантийного срока. Поддерживаются частоты DDR4 1866, 2133, 2400 и 2666 МГц, тогда как сами процессоры Cooper Lake-SP получили поддержку и более быстрой DDR4-3200.

Вместе с новой памятью и процессорами компания также анонсировала накопители Intel D7-P5500 и D7-5600 с интерфейсом PCIe 4.0 и новую FPGA Intel Stratix 10 NX.

Наряду с ускорением вычислений (GPU, FPGA) и совершенствованием шин (NVLink, CXL), технологии класса in-memory computing станут частью высокопроизводительных систем нового поколения. Речь идёт о переносе как можно больших объёмов данных в RAM, что должно решить целый спектр проблем, вызываемый достаточно высокой латентностью традиционных накопителей.

Молодой стартап MemVerge согласен с этим видением, но полагает, что для достижения наилучшего результата потребуется соответствующая программная прослойка.

Хранить данные в оперативной памяти всегда было заманчивой идеей, поскольку такая память на порядки быстрее традиционных накопителей. Однако до недавних пор реализация этой идеи была достаточно ограниченной. С одной стороны, DRAM является достаточно дорогим удовольствием, а с другой — её объёмы ограничены и в ряде случаев их может оказаться недостаточно. С появлением новых типов энергонезависимой памяти класса SCM, главным из которых пока является Intel Optane, ситуация начинает понемногу меняться. Этого потребует и сам рост объёмов данных, получаемых в реальном времени, считает MemVerge.

Концепция in-memory computing в версии MemVerge

Согласно исследованию, проведенному IDC, в следующие пять лет четверть всех данных, обрабатываемых вычислительными системами планеты, будут составлять данные реального времени. Следовательно, от машин нового поколения потребуется не только скорость работы с памятью, но и солидные её объёмы. MemVerge полагает, что для оптимальной реализации вычислений in-memory потребуется сочетание DRAM, энергонезависимой SCM-памяти и специальной программной прослойки. Последнюю компания называет Memory Machine. 

Основой, как уже было сказано, считается память Intel Optane DCPMM, поскольку пока только эта технология позволяет создавать массивы памяти нужного для воплощения концепции memory centric объёма. MemVerge надеется занять нишу первопроходца в программной части реализации Memory Machine и стать основополагателем соответствующего стандарта. На сегодняшний день Optane хотя и опробована большинством крупных владельцев ЦОД, но единого стандарта на реализацию in-memory computing нет, что сдерживает широкое распространение концепции.  Однако к 2022 году ситуация может измениться и у Optane появится 3 ‒ 4 конкурирующих типа энергонезависимой памяти. Одним из них может стать MRAM — рабочие образцы такой памяти уже существуют, но по объёму пока не могут сравниться с Optane.

Ещё в 2019 году Microsoft Azure анонсировала инстансы SAP HANA Large. В основу платформы легли процессоры Intel Xeon Scalable второго поколения, поддерживающие, в числе прочего, модули Optane DCPMM. Теперь же Azure объявила о доступности новых, ещё более крупных с точки зрения объёма памяти вариантов ВМ.

Нагрузки SAP HANA создаёт весьма серьёзные, особенно в случаях, когда речь идёт о задачах класса high availability/disaster recovery (HA/DR). Здесь нуждающимся в подобного масштаба услугах должна прийти на помощь новая услуга HANA Large with Intel Optane PMem.

Инстансы на базе S224: четыре варианта из семи используют Optane PMem

Разработка новой платформы для SAP HANA велась совместными силами троих разработчиков: SAP, Intel и Microsoft Azure. Помимо того, что упростилась программная архитектура, удалось снизить и стоимость владения (TCO) за счёт того, что Optane дешевле того же объёма DRAM. Всего MS Azure теперь предлагает семь вариантов S224 HANA Large, с объёмами памяти от 3 до 9 Тбайт; объём памяти Optane — 3 или 6 Тбайт.

Узел с Optane ускоряет загрузку данных в случае сбоя и уменьшает стоимость владения в целом

Соотношение DRAM к DCPMM может составлять 1:1, 1:2 или 1:4, так что заказчик может сконфигурировать инстанс в соответствии со своими потребностями. В задачах, требующих быстрого аварийного восстановления, новым инстансам нет равных: если классический вариант после системной перезагрузки восстанавливался за 44 минуты, то версия на базе Optane справлялась за 2 минуты, то есть в 22 раза быстрее — за счёт отказа от необходимости заново загружать данные с обычных накопителей.

Новая услуга доступна в тех же регионах, что и предыдущие реализации HANA Large. DCPMM-модули SAP HANA поддерживает с версии 2.0 SPS 03, но к использованию рекомендуется версия 2.0 SPS 04, которую нужно соответствующим образом сконфигурировать, чтобы она распознала наличие в системе памяти Optane DCPMM.

Сами модули в режиме Application Direct поддерживаются операционными системами Red Hat Enterprise Linux версии от 7.6 и выше, а также SUSE Linux Enterprise Sever версий 12 SP4, 15 и выше. Руководство по использованию SAP в облачных системах Azure можно скачать с сайта Azure.

Ещё весной прошлого года Intel анонсировала новый тип модулей памяти на базе технологии 3D XPoint — Optane DCPMM. Технология заинтересовала всех, кому нужны большие объемы оперативной памяти, и кто готов при этом мириться с некоторой потерей производительности.

Японский национальный институт передовых технических наук и технологии (AIST) опубликовал результаты сравнительного тестирования DCPMM, в котором эти модули сравнивались с традиционной памятью DRAM.

Модуль DCPMM объёмом 128 Гбайт. Фото StorageReview.

В отличие от блочных накопителей Optane, существует не так уж много доступных результатов тестирования DCPMM, вот почему данные AIST представляют существенную ценность, о чём говорят и сами авторы проекта.

Для тестирования они использовали инструментарий собственной разработки и вот каких результатов им удалось достичь: при чтении латентность DCPMM составила порядка 374 наносекунд, в режиме случайной записи write-back она возросла до примерно 390 наносекунд.

Пропускная способность при этом составила 38 и 3 Гбайт/с, соответственно. Иными словами, задержки DCPMM примерно в четыре раза выше, нежели у DRAM, однако при этом такие модули способны обеспечить 37% пропускной способности обычной памяти. Это не так уж мало и, во всяком случае, на операциях чтения — намного быстрее любых традиционных блочных накопителей. Также подтвердилась польза от включения чередования (interleaving).

Любопытно, что для точного измерения задержек японским учёным пришлось пойти на ряд ухищрений, поскольку, по их словам, большинство современных архитектур используют предвыборку (prefetch) и внеочередное исполнение (out-of-order execution), что позволяет минимизировать негативные последствия, вызываемые задержками при обращении к оперативной памяти. Полностью ознакомиться с методикой и результатами тестирования можно по этой ссылке.