Definition

Was ist Persistent Memory?

| Autor / Redakteur: Walter Schadhauser / Tina Billo

Das Persistent-Memory-Programmiermodell nach Intel.
Das Persistent-Memory-Programmiermodell nach Intel. (Bild: Intel)

„Persistent“ leitet sich von dem lateinische Begriff persistere ab, der mit „über eine Zeit hinweg bleiben“ oder „verharren“ übersetzt werden kann. Das Gegenteil „transient“ steht für einen vorübergehenden, flüchtigen Zustand. In der Storage-Welt wird hierunter Speicher verstanden, auf den sich auch nach Beendigung von Prozessen zugreifen lässt.

Beim Begriff „Persistent Memory“ (PM) hat man es der ersten Bestimmung nach mit einem „Gedächtnis“ zu tun, das dank seiner Kapazität auch größere Datenmengen speichern kann. Der Zugriff erfolgt byteweise über den CPU-Bus – nicht wie bei Massenspeichern blockweise per I/O-Zugriff. In der zweiten Bestimmung geht es darum, vergangene Datenstrukturen Schritt um Schritt „nachfahren“ zu können, so dass Unterbrechungen durch beispielsweise Stromausfälle oder Rechnerhavarien nicht mehr längere Ausfallzeiten zur Folge haben.

Mit einem persistenten Speicher ist man in der Lage, bei einer Programmunterbrechung an einem Wiederherstellungspunkt (Recovery Point) neu aufsetzen und die Prozessverarbeitung weiter fortführen zu können. Mit dem Hauptspeicher (DRAM) eines Rechners ist das nicht möglich.

Differenzierung

Persistentes Memory ist identisch mit Storage Class Memory (SCM), nicht jedoch mit einfachen NVDIMMs, die Speicherinhalte ebenfalls über längere Zeit zwischenspeichern. Diese Speichertypen sollen auf lange Sicht das DRAM (dynamische RAM) ersetzen. Das DRAM hat nämlich den Nachteil, dass es sich als Hauptspeicher eines Rechners ohne periodische Erneuerung der Speicherzelleninhalte (Refresh) nur für wenige Millisekunden seiner Daten erinnert. Sein Vorteil ist allerdings, dass es derzeit keinen schnelleren Speichertyp außerhalb der CPU gibt. Der Datenzugriff erfolgt im einstelligen Nanosekundenbereich.

3D-Flächendichte

Um diesen rasanten Zugriff mit Flash-Zellen, 3D Xpoint, PCM, Memristoren oder anderen Speichertechniken zu egalisieren, wird wohl noch ein Jahrzehnt intensiver Forschung notwendig sein. In der Zwischenzeit bietet es sich an, DRAM und Flash respektive 3D Xpoint zu „verbandeln“. Die beständigen Speicherzellen haben nämlich zwei Vorteile:

  • 1. Ihr Flächenbedarf ist pro Speicherzelle ähnlich groß ist wie bei DRAMs,
  • 2. und die Kosten liegen um Faktor drei bis fünf niedriger.

Der Flächenbedarf einer DRAM-Speicherzelle wird von der Größe eines Transistors und eines Ladungsspeicher (Kondensator) bestimmt. Die Fläche ist abhängig von den Herstellungsverfahren und liegt derzeit bei 20 Nanometern. (Kleiner Einschub: Statische Speicherzelle sind damit verglichen 10 bis 15 Mal so groß, benötigen zwar keinen Refresh, verlieren ohne Stromzufuhr jedoch auch ihre Inhalte. Die Zugriffszeiten liegen ebenfalls bei wenigen Nanosekunden.)

Fläche versus Zugriffszeit

Die derzeit interessanteste Speicherzelle für Persistent Memory – vom Flächenbedarf her betrachtet – stammt aus der NAND-Flash-Technik. Der Flächenbedarf einer einzelnen Speicherzelle entspricht zunächst dem der DRAM-Speicherzelle. Da sich inzwischen jedoch 4 Bit, das sind 16 Ladungszustände in dem NAND-Flash-Ladungsspeicher, unterscheiden lassen, sinkt der Flächenbedarf um Faktor 4. Zudem lassen sich Flash-Speicher mit derzeit 96 Etagen (Layern) dreidimensional aufbauen, so dass der Flächenbedarf insgesamt scheinbar auf etwa ein Vierhundertstel sinkt. Eine Verdopplung der Layer ist nach derzeitigem Wissenstand ohne weiteres möglich.

Gegen den Generaleinsatz von Flash-Speichern als Persistent Memory spricht jedoch die Zugriffszeit, die sich durch technische Tricks zwar von mehreren 100 Mikrosekunden auf unter 20 Mikrosekunden (µs) drücken lässt. Verglichen mit DRAM-Memory wäre das jedoch immer noch um Faktor 500 schlechter.

Speicherarchitektur en miniature

Persistent Memory schiebt in die bekannte Speicherpyramide vom CPU-Register über CPU-internen Cache, DRAM, SSD und Festplatte einen zusätzlichen Layer ein, der zwischen DRAM und SSD liegt und der eng mit dem DRAM kooperiert. Persistent Memory besitzt allerdings ebenfalls wie ein Speichersystem einen programmierbaren Controller-Baustein, der es ermöglicht, dass man diesen Speicherbereich auch für Filesystem benutzen könnte. Durch die Fabric-Variante des NVMe-Protokolls sind ebenso verteilte Filesysteme umsetzbar.

Denkt man diese Möglichkeit weiter, dann lassen sich alle Funktionalitäten herkömmlicher Speichersysteme auf diese Miniaturspeichersystemebene migrieren. Persistent Memory besitzt damit das Potenzial, einen Innovationsschub in die nächsten Speichergenerationen zu bringen, der über die reine Beschleunigung der Zugriffszeit weit hinausgeht.

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