Speichermodul mit Storage-Class-Memory-Technologie Was ist ein NVDIMM-P?

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Während NVDIMM-N den Inhalt des DRAMs auf Flash-Speicher kopiert und NVDIMM-F einen größeren internen wie auch extern anschließbaren Flash-Speicher ermöglicht, bringt NVDIMM-P eine Speicherarchitektur auf das Hauptspeichermodul, die DRAM als Cache für einen wesentlich größeren Halbleiterspeicher nutzt und wo eine im Controller installierte Speichersoftware für einen persistenten Hauptspeicher mit geringstmöglichen Latenzzeiten sorgt.

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

Auf dem Speichermodul befindet sich aber nichtflüchtiges Persistent Memory (PMEM), das Daten dauerhaft speichert. Es behält seine Daten auch nach Stromausfällen oder Systemabstürzen. Im Gegensatz zu NVDIMM-F oder NVDIMM-N, die typischerweise auf DRAM/Flash-Kombinationen beziehungsweise Flash basieren, verwendet NVDIMM-P echte Storage-Class-Memory-Technologien wie ReRAM oder andere SCM-Ansätze. In der Vergangenheit wurde zum Beispiel die mittlerweile eingestellte Technologie Intel Optane (3D XPoint) für NVDIMM-P eingesetzt.

Mit NVDIMM-P lassen sich große Hauptspeicherkapazitäten und niedrige Latenzzeiten realisieren. Die Datenraten liegen unter reinem DRAM, aber deutlich über denen von per PCIe angebundenen Flash-Speichern wie SSDs. Um ein NVDIMM-P in einem Rechner zu nutzen, ist eine explizite Firmware- (UEFI/BIOS) und Betriebssystemunterstützung notwendig. Sowohl Linux als auch Windows Server bieten entsprechende Unterstützung für NVDIMM-P und PMEM.

Prinzipielle Funktionsweise eines NVDIMM-P

NVDIMM-P-Module passen physisch und elektrisch in reguläre DIMM-Steckplätze und nutzen die DDR-Schnittstelle. Der persistente Halbleiterspeicher (Storage-Class-Memory) des Moduls ist direkt über den Speicherbus wie Arbeitsspeicher adressierbar, erfordert aber für eine optimale Verwaltung der nichtflüchtigen Eigenschaften Anpassungen im Protokoll. Ein entsprechendes Transaktionsprotokoll ist von der JEDEC spezifiziert. Es erlaubt beispielsweise variable beziehungsweise nicht strikt deterministische Latenzcharakteristiken und ermöglicht höhere Kapazitäten als klassisches DRAM.

Je nach Herstellerimplementierung kann ein NVDIMM-P neben Persistent Memory noch einen kleinen DRAM-Cache als schnelle Zwischenspeicherschicht und einen On-DIMM-Controller zur Verwaltung der Cache-Policy sowie der Konsistenz und der Persistenz der Inhalte des Speichermoduls besitzen. Die Lese- und Schreibzugriffe laufen dann über den Cache und werden zeitnah auf das Persistent Memory übertragen. Über einen kleinen Energiepuffer lässt sich sicherstellen, dass der Controller bei einem Stromausfall die ausstehenden Cache-Inhalte noch in das Persistent Memory schreiben kann.

Zu beachten ist, dass NVDIMM-P zwar die Performance und Ausfallsicherheit verbessert und den Systemneustart beschleunigt, gleichzeitig aber auch die Anforderungen an die physische Sicherheit und Verschlüsselung erhöht. Durch die persistente Datenspeicherung können sensible Inhalte, die aus dem Arbeitsspeicher stammen, wie Passwörter, Schlüssel oder Session-Token dauerhaft im Klartext in den Modulen gespeichert bleiben. Hat ein Angreifer Zugriff auf ein solches Modul, kann er die Daten auslesen. Zu den Maßnahmen zum Schutz vor unbefugtem Zugriff auf solch sensible Informationen zählen unter anderem:

• physischer Zugangsschutz zu den Rechnern,

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

• Verschlüsselung von Daten auf Betriebssystem- und Applikationsebene,

• Memory-Encryption,

• Integration hardwarebasierter Verschlüsselungsfunktionen.

Typische Einsatzbereiche von NVDIMM-P

NVDIMM-P ist prädestiniert für Anwendungen, die große, schnelle und persistente Datenbereiche benötigen, die aber zu groß für DRAM und zu latenzkritisch für blockweise adressierten Flash-Speicher sind. Optimale Ergebnisse werden in Hochleistungsservern mit latenzkritischen In-Memory-, Datenbank- oder Caching-Workloads erzielt, wenn Anwendungen die Persistenz von NVDIMM-P explizit nutzen können.

Typische Einsatzbereiche sind beispielsweise:

• In-Memory-Datenbanken,

• Datenbank-Journaling und Checkpointing,

• Storage-Tiering und -Caching,

• Big-Data-Analytics,

• Virtualisierung zum Beispiel für VMs, Container oder speichernahe Workloads.

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