Intel Optane DC Persistent Memory Module (PMM)持久內存
英特爾已經公開討論了一年多的Optane DC Persistent Memory Module（PMM），體現了一種新的以數據爲中心的體系結構，在這個體系結構中，PMM位於DRAM和Optane DC SSD之間，再往下依次是速度較慢的SSD和HDD介質以及存檔級別磁帶介質。持久內存的目標一直是將更多的數據移動到更靠近CPU的位置，從而獲得DRAM級別的低延遲以及存儲級別的持久性和容量。在與硬件和軟件合作伙伴緊密合作及討論一年之後，隨着第二代Intel Xeon Scalable Processor可擴展處理器的發佈，Optane DC持久內存現在可以正式在各種服務器解決方案中得到應用。
Intel Optane DC Persistent Memory Module
Intel Optane DC Persistent Memory硬件概述
Intel Optane DC持久內存模塊的容量比傳統的DRAM高得多。Intel Optane DC持久內存模塊的容量爲128GB、256GB和512GB，遠遠大於常用的4GB到32GB的DRAM DIMM，儘管DRAM也有更大的容量的DIMM（128GB）。PMM模塊與DRAM在同一個內存通道上使用，並且應該填充在每個通道上最靠近CPU的插槽上。英特爾推薦的一種流行配置是4:1的比率，32GB DRAM到128GB DCPMM，您可以在下面看到。
每個CPU最多可支持6個持久內存模塊。在支持兩個Intel Xeon可擴展處理器的典型服務器中，這意味着每個系統可安裝12個持久內存模塊，或者持久內存容量最高可達6TB（每個插槽3TB）。支持持久內存的服務器還將支持通過其系統BIOS對持久內存進行配置，在這些模塊中可以設置持久內存模式、創建命名空間和配置存儲池等設置。同樣級別的可見性和配置也可以通過操作系統執行。
PMM的通信方式
Intel Optane DC Persistent Memory使用DDR-T協議。這允許異步命令/數據計時（asynchronous comm and/data timing）。模塊控制器使用請求/授權方案（request/grant scheme）與主機控制器通信。數據總線方向和定時由主機控制。每個請求的命令包從主機發送到持久內存控制器。如果需要，可以在Intel Optane DC永久內存控制器中重新提交（re-ordered）。與DDR4相似，PMM模塊採用64B緩存線訪問粒度（64B cache line access granularity）。
從硬件的角度來看，Optane DC persistent memory是一個完整的系統，它是一個模塊上的系統，有幾個關鍵的組件:
● 電源管理集成電路（PMIC）爲介質和控制器生成所有軌道（rails）
● SPI閃存存儲模塊的固件
● Intel Optane介質本身構成存儲空間，該存儲空間由11個並行設備組成，用於數據、ECC和備用設備。
● 用於高比特率信號完整性的DQ緩衝區
● AIT DRAM保存地址間接表
● Energy Store Caps確保在電源故障時對所有模塊隊列進行flushing。
● 每個持久性內存模塊的核心都位於Intel Optane DC持久性內存控制器中，該控制器處理板上的子組件的數據傳輸和管理。
當然，在考慮模塊本身時，除了成本和性能之外，壽命可能是最大的關注點。與其他存儲介質一樣，英特爾Optane DC持久性內存的測量單位是pb (PBW)。PBW是根據5年壽命內的帶寬和介質耐久性考慮估計的，假設目標電源使用的最大帶寬爲每年365天24/7。在100%寫15W的情況下，持久內存模塊支持超過350PBW，如下圖所示。
另外需要注意的一點，Optane DC模塊可針對不同的功率限制進行編程，從而實現廣泛的優化。持久內存模塊支持12W–18W的功率範圍，並且可以在0.25瓦的粒度中進行調整，越高的電源設置將帶來越好的性能。在不考慮功耗成本的前提下，可以根據服務器支持的最大限度來提高性能。
Intel Optane DC Persistent Memory工作模式
一旦部署到服務器中，PMM就可以在各種操作模式中進一步配置，包括內存模式和應用程序直接模式，以及在這兩者之間按比例分配的混合模式。
持久內存-內存模式
在內存模式下，PMM的使用非常類似於DRAM。不需要對應用程序進行特定的更改也不需要特定的軟件支持，持久內存將模擬DRAM的方式運行，使數據保持“易失性”，儘管每個電源週期都會清除易失性密鑰。在內存模式下，持久內存用作DRAM的擴展，由主機內存控制器管理。持久內存與DRAM之間沒有設置比率，可根據應用程序的需求進行混合配置。在延遲配置文件方面，任何觸及DRAM緩存（內存附近）的東西都會提供小於100納秒的延遲。任何緩存未命中都將流向持久內存（遠內存），該內存可以達到亞微秒級別的延遲。
持久內存- App Direct模式
App Direct模式需要特定的持久內存感知軟件/應用程序。這種模式使持久內存保持不變，但可以像內存一樣字節可尋址（byte addressable）。在App Direct模式下持久內存將保持緩存一致性，並提供了進行DMA和RDMA的能力。
還可以將持久內存配置爲AppDirect上的存儲（Storage over App Direct）。在這裏，持久內存以塊的方式工作，就像SSD那樣，使用傳統的讀/寫指令。這適用於現有的文件系統，在塊級別上提供原子性，並且塊的大小可以配置（4K、512B）。要使用Storage over App Direct ，用戶只需要一個NVDIMM驅動程序。與傳統企業級SSD相比，此模式允許容量擴展和更好的性能、更低的延遲和更高的耐久性。
持久內存- 混合模式
DCPMM一定容量的百分比用於內存模式，其餘部分用於App Direct模式。平臺中的任何DRAM都將作爲緩存與DCPMMs一起工作。
Intel Optane DC Persistent Memory的優點
Intel Optane DC持久內存模塊爲最終用戶提供了各種各樣的好處。首先，這些模塊提供了一種以更具成本效益的方式有效地擴展服務器的DRAM的方法。因爲持久性內存可以與DRAM層相齧合，所以有效的可用DRAM佔用空間可以更快地擴展，持久性內存可以改善服務器投資的總體TCO。此外，由於服務器能夠更快地處理更多的數據，一些服務器可能利用新的機會整合工作負載。還有第二個參數，當涉及到價值時可以進行。
對於可能不需要DRAM提供的納秒級延遲的工作負載，可以選擇使用更少的DRAM而使用更多的持久內存構建服務器，以保持合理或更大的內存佔用，但使用更具成本效益的持久內存模塊而不是DRAM。
持久內存模塊（顧名思義）是持久的。這意味着不需要用數據刷新PMMs，這將大大加快服務器重新啓動的速度。對於內存駐留數據庫，這一點非常重要。服務器重新啓動後，恢復內存中所有數據的時間可能需要很長時間。專注於高性能數據庫的獨立軟件供應商（ISV）從這些場景下的持久內存中獲得了巨大的收益，在這些場景中，快速實現操作是一個關鍵概念。事實上，英特爾已經展示了這種效果的數據。一個列存儲整個重新加載到DRAM中的1.3tb數據集，他們發現在一個只有DRAM的服務器中需要20分鐘。在持久內存之前，該服務器中的整個系統重新啓動時間爲32分鐘；操作系統爲12分鐘，數據爲20分鐘。使用持久內存的同一臺服務器花費了13.5分鐘。雖然表面上看起來令人印象深刻，但考慮到數據組件只有一分半鐘，這就更令人印象深刻了，這相當於13倍的增長。
Intel Optane DC Persistent Memory模塊還提供模塊加密，這是第一個硬件加密內存。這些模塊使用256bit AES-XTP加密引擎進行靜態數據保護。在內存模式下，如果DRAM緩存丟失數據，加密密鑰將丟失並在每次啓動時重新生成。在應用程序直接模式下，使用存儲在模塊上的安全元數據區域中的密鑰對持久介質進行加密，該區域只能由Intel Optane DC控制器訪問。Intel Optane DC永久內存在斷電事件中鎖定，需要密碼來解鎖。這些模塊還支持安全加密擦除和寫上的DIMM，以便在生命週期結束時安全地重新調整用途或丟棄。最後，固件的簽名版本是允許的，修訂控制選項是可用的。
Intel Optane DC Persistent Memory Software
雖然重點顯然圍繞着持久內存硬件的好處，但英特爾也有一套重要的軟件工具。以下工具將是通過操作系統管理持久性內存的主要方法，而不是通過重啓服務器並在系統BIOS中進行這些更改。這樣可以節省時間，並防止停機時間在運行中進行更改。
IPMCTL-用於管理Intel Optane DC持久內存模塊的實用程序
IPMCTL支持以下功能：
● 在平臺中發現持久內存模塊。
● 設置平臺內存配置。
● 查看和更新PMM上的固件。
● 在PMM上配置靜態安全數據。
● 監控PMM運行狀況。
● 跟蹤PMM的性能。
● 調試和排除PMM故障。
通過DCPMM FW更新，DCPMM管理實用工具ipmctl將自動安裝在Linux或Windows服務器環境中。用戶可以使用命令行提供DCPMM模式，並重新啓動以激活。
● 100% Memory Mode
ipmctl create -goal memorymode=100
● 100% AppDirect Mode
ipmctl create -goal persistentmemorytype=appdirect
ipmctl create -goal persistentmemorytype=appdirectnotinterleaved
● Mixed Memory Mode and AppDirect Mode
ipmctl create -goal memorymode=% persistentmemorytype=appdirect
ipmctl create -goal memorymode=% persistentmemorytype=appdirectnotinterleaved
NDCTL-管理“libnvdimm”子系統設備（非易失性內存）的實用程序
NDCTL是用於管理“libnvdimm”內核子系統的實用程序。“libnvdimm”子系統爲平臺nvdimm資源定義了內核設備模型和控制消息接口，與ACPI 6.0 NFIT（NVDIMM Firmware Interface Table）定義的資源類似。
該工具支持的操作包括：設置容量（名稱空間），以及枚舉/啓用/禁用與NVDIMM總線關聯的設備（DIMM、區域、名稱空間）。在配置了100% AppDirect或混合模式之後，用戶可以使用OS進行名稱空間管理。
當前全面支持DCPMM的操作系統
● Linux
RHEL7.6 supports Memory mode and AppDirect mode
SLES 12.4 and SLES 15 supports Memory mode and AppDirect mode
● Windows Server
WS2019 supports Memory mode and AppDirect mode
● ESXi
ESXi 6.7u1 supports Memory mode and AppDirect mode.
Native DCPMM driver supported on the OS version listed
本文部份內容引用並翻譯自以下文章：
Intel Optane DC Persistent Memory Module (PMM)