Modul mit dynamischen und nichtflüchtigen Speicherchips Was ist ein NVDIMM-N?

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Ein NVDIMM-N ist ein hybrides Speichermodul im klassischen DIMM-Format, das wie herkömmlicher Arbeitsspeicher über den Memory-Bus angesprochen wird. Es besitzt sowohl schnellen, flüchtigen DRAM-Speicher als auch im Vergleich zu DRAM langsameren, nichtflüchtigen NAND-Flash-Speicher. Bei Stromausfällen oder Systemabstürzen bleiben die Daten erhalten. Ein typischer Einsatzbereich von NVDIMM-N-Speichermodulen sind In-Memory-Datenbanken.

Ein NVDIMM-N zählt wie ein NVDIMM-F oder ein NVDIMM-P zur Klasse der von der JEDEC spezifizierten NVDIMM-Speicher. Das Kürzel NVDIMM steht für „Non-Volatile Dual In-line Memory Module“. Bei einem NVDIMM-N handelt es sich um ein hybrides Speichermodul im klassischen DIMM-Format, das von der CPU wie herkömmlicher Arbeitsspeicher über den Memory-Bus byteadressiert angesprochen wird.

Auf dem Speichermodul befindet sich sowohl schneller, flüchtiger DRAM-Speicher als auch im Vergleich zu DRAM langsamerer, nichtflüchtiger NAND-Flash-Speicher für die automatische, modulinterne Sicherung und Wiederherstellung des DRAM-Inhalts. Dadurch erhält das Speichermodul nichtflüchtige Eigenschaften und behält seine Daten auch nach Stromausfällen oder Systemabstürzen. Die Geschwindigkeit von DRAM wird mit den persistenten Speichereigenschaften von Flash-Speicher kombiniert, um die Leistungslücke zwischen flüchtigem Arbeitsspeicher und langsamerem Langzeitspeicher zu schließen. NVDIMM-N gilt als eine Art Zwischentechnologie auf dem Weg zu universellem, nichtflüchtigem Arbeitsspeicher (Persistent Memory) und echten persistenten Speichertechnologien wie NVDIMM-P.

Um NVDIMM in einem Rechner zu verwenden, müssen das Motherboard und die BIOS-/UEFI-Firmware entsprechend vorbereitet sein. Auch das Betriebssystem muss den Speichertyp unterstützen. Die Unterstützung im Windows-Betriebssystem ist seit Windows Server 2016 und Windows 10 (Version 1607) vorhanden. In Linux wurde die grundlegende Unterstützung von NVDIMM-N ab der Kernelversion 4.0 eingeführt.

Prinzipielle Funktionsweise eines NVDIMM-N

Im Normalbetrieb arbeitet ein NVDIMM-N wie herkömmlicher Arbeitsspeicher und verwendet den flüchtigen DRAM-Speicher auf dem Modul, der byteadressiert über den Memory-Bus angesprochen wird. Bei einem Stromausfall oder unerwarteten Neustart des Rechners bleibt das Speichermodul dank einer kleinen modulinternen Energiequelle (Batterie oder Kondensator) kurzfristig weiter aktiv und startet über einen integrierten Controller automatisch einen Sicherungsvorgang. Dabei wird der komplette DRAM-Inhalt in den NAND-Flash-Speicher des Moduls übertragen. Die Daten bleiben dort auch ohne weitere Energieversorgung erhalten. Startet der Rechner neu, erfolgt die Rückübertragung der Daten in den DRAM, sodass der vorherige Speicherinhalt wieder zur Verfügung steht.

Zu beachten ist, dass ein NVDIMM-N zwar die Ausfallsicherheit verbessert und den Systemneustart beschleunigt, gleichzeitig aber auch die Anforderungen an die physische Sicherheit und Verschlüsselung erhöht. Durch die modulinterne Datensicherung können sensible Informationen im Arbeitsspeicher wie Passwörter, Schlüssel oder Session-Token dauerhaft im Klartext in den Modulen gespeichert bleiben. Entnimmt ein Angreifer beispielsweise ein solches Modul, kann er die Daten auslesen. Maßnahmen zum Schutz vor unbefugtem Zugriff auf diese sensiblen Informationen sind:

• physischer Zugangsschutz zu den Rechnern,

• Löschung des NVDIMM-Speichers vor dem Weiterverkauf oder vor der Entsorgung von Hardware,

• Verschlüsselung von Daten auf Betriebssystem- und Applikationsebene,

• Integration hardwarebasierter Verschlüsselungsfunktionen.

Typische Einsatzbereiche von NVDIMM-N

Zu den typischen Einsatzbereichen von NVDIMM-N zählen Anwendungen im Server- und Rechenzentrumsumfeld, die RAM-artige Performance benötigen und deren Daten bei Stromausfällen oder Systemabstürzen nicht verloren gehen sollen beziehungsweise deren Wiederanlaufzeit sehr kurz sein soll. Zu diesen Anwendungen zählen zum Beispiel:

• In-Memory-Datenbanken,

• Datenbank-Transaktionslogs und -Journaling,

• Virtualisierung (zum Beispiel für Snapshot-Mechanismen und eine robustere State-Erhaltung von VMs oder Container-Zuständen),

• Storage-Caching,

• Big-Data-Workloads,

• High-Performance-Computing.

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