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.

Не так давно компания Intel анонсировала первый серийный накопитель для ЦОД на базе технологии 3D XPoint, она же Optane. Новинка под названием DC P4800X пока не блещет огромными ёмкостями, предлагая скромные 375 Гбайт, но при этом обеспечивает случайную производительность в районе 500‒550 тысяч IOPS при записи и чтении с латентностью доступа менее 10 микросекунд. При этом надёжность впечатляет: накопитель способен выдержать по 30 полных перезаписей каждый день в течении пятилетнего срока, а общий его ресурс записи заявлен на уровне 12,3 петабайт.

Вопрос, однако, в другом. Современные твердотельные накопители на базе технологии NAND тоже декларируют сотни тысяч IOPS на сценариях случайного чтения или записи, однако, эти сотни тысяч оборачиваются десятками или даже единицами тысяч при сколько-нибудь длительной нагрузке: такова логика работы современной флеш-памяти. Именно поэтому для серверных моделей обычно указываются показатели устоявшейся производительности, а не пиковой, как для пользовательских моделей.

Как сообщает ресурс PC Perspective, примерно так себя они и ведут. На первой же диаграмме, демонстрирующей количество IOPS при случайном чтении блоками по 4 Кбайт в сценарии со 100 % чтения производительность DC P4800X не только не падает, она даже несколько растёт, причём, и линейная скорость, начинающаяся с отметки 2 Гбайт/с, тоже постепенно возрастает. А вот накопитель Micron 9100 MAX с его заявленными 750 тысячами IOPS для модели объёмом 2,4 Тбайт едва переваливает за отметку 300 тысяч, а на 40 % и вовсе скатывается ниже отметки 130 тысяч IOPS. Накопитель Intel P3520 держится неплохо, но он в пять раз уступает DC P4800X, что является отличным свидетельством преимущества новой технологии.

Но в современных серверных приложениях важна и латентность. Именно ей оценивается показатель «качества обслуживания» (QoS), и у нового решения Intel здесь тоже дела обстоят отлично. При загруженности в районе 99 % у DC P4800X латентность лишь незначительно превышает 20 микросекунд, достигая 50 микросекунд в сценарии с записью. Это несравнимо с показателями конкурентов. По предварительным прикидкам, DC P4800X должен опережать традиционные SSD в задачах, где латентность критична, в 10‒100 раз. Да, стоимость гигабайта у 3D XPoint пока очень высока, о чём свидетельствует и ёмкость первого накопителя Intel на базе новой технологии, так что говорить о вытеснении NAND ещё очень и очень рано. Но начало положено, а кроме того, это отличный выбор там, где важна именно скорость случайного доступа, устоявшаяся производительность и низкая латентность при сравнительно небольших объёмах данных.