Optane: la tecnologia di Intel per memorie e SSD veloci

La tecnologia Optane sviluppata da Intel e distribuita da Rutronik unisce le prestazioni di una memoria RAM con la capacità di archiviazione di un disco rigido per realizzare unità di memoria e dischi allo stato solido (SSD) ad alta capacità e bassa latenza, in grado di offrire prestazioni al vertice della categoria.

In Figura 1 è visibile la gerarchia dei sistemi di archiviazione, rappresentata comunemente come una piramide. Al vertice della struttura si collocano i dispositivi di memoria più veloci, caratterizzati da una latenza, e quindi tempi di accesso, molto ridotti. Procedendo dall’alto verso la base della piramide, si incontrano dispositivi di memoria caratterizzati da un crescente aumento combinato di tre parametri caratteristici: latenza, persistenza e capacità. Una memoria volatile, come ad esempio la DRAM, occuperà la posizione più alta nella gerarchia, le unità SSD saranno in una posizione intermedia, mentre i dischi rigidi elettromeccanici di tipo legacy saranno alla base della piramide.

Figura 1: gerarchia dei dispositivi di memoria

3D XPoint 

Dal punto di vista architetturale, la tecnologia Intel Optane è basata su una nuova soluzione per memorie persistenti, nota come 3D XPoint. La tecnologia 3D XPoint fornisce una soluzione in grado di soddisfare i requisiti tipici delle memorie DRAM e dei dispositivi di archiviazione persistenti. Come evidenziato nella seguente tabella riassuntiva, 3D XPoint si differenzia dalle attuali soluzioni per il settore data storage (basate sulla tecnologia NAND flash) e dalle attuali memorie dinamiche (DRAM), dalle quali però eredita le caratteristiche più significative.

Tabella 1: Confronto tra le diverse tecnologie

ProprietàDRAMNANDOptane
PersistenzaNo
DurataElevataVariabileElevata
IndirizzamentoA byteA bloccoA byte
Latenza< 100ns (DDR4)~ 100µs10µs (SSD) e 350ns (DIMM)
ScalabilitàFino a 128 Gb/moduloFino a 16/32 TbSSD fino a 1,5 Tb – DIMM fino a 512 Gb

Anche se i dettagli costruttivi della memoria non sono stati rilasciati da Intel, si suppone che essa sia una RAM di tipo resistivo (ReRAM) in cui la resistenza elettrica determina il valore assunto da ogni singolo bit, mentre la struttura tridimensionale (Figura 2) consente di ottenere una maggiore densità di memoria e l’accesso ai singoli bit. I layer di memoria possono inoltre essere sovrapposti in tre dimensioni, rendendo il dispositivo facilmente scalabile.

I dati visualizzati nella precedente tabella evidenziano come la memoria Intel Optane abbia una latenza dieci volte inferiore rispetto a quella della tecnologia NAND, su cui sono basati gli SSD tradizionali.

Come visibile in Figura 2, la cella di memoria è composta da un piano con linee parallele (colorate di blu) corrispondenti alle parole di memoria. Al di sotto di queste linee sono presenti i singoli bit appartenenti a ogni parola di memoria, organizzati su colonne perpendicolari.

Figura 2: struttura della memoria 3D XPoint

I vantaggi di 3D XPoint   

Il principale vantaggio, rispetto alla tecnologia NAND tradizionale, consiste nella capacità di indirizzamento (sia in lettura, sia in scrittura) delle singolo celle, anziché di un intero blocco.

Altri vantaggi significativi sono i seguenti:

  • Latenza estremamente ridotta;
  • Operazioni simultanee ad elevata velocità in lettura e scrittura;
  • Elevata durata senza degrado delle prestazioni.

La struttura tridimensionale consente alla memoria 3D XPoint (dove la ‘X’ sta per ‘cross’, proprio per enfatizzare l’incrocio tra linee di parola e linee di bit) di essere indirizzata a singolo byte. Questa caratteristica, tipica delle memorie DRAM, è del tutto innovativa nelle memorie persistenti, considerando che le NAND flash richiedono la cancellazione e la scrittura a blocchi (o pagine) di parole. Ciò spiega anche perché le memorie NAND flash abbiano una durata inferiore rispetto alle memorie DRAM e 3D XPoint.

La durata, intesa come il numero di volte in cui la memoria può essere scritta prima di essere considerata esaurita e non adatta per un utilizzo continuativo e affidabile è un parametro rilevante per i dischi allo stato solido (SSD). La tecnologia Optane supporta un numero molto elevato di cicli di scrittura e quindi una maggiore durata rispetto alle memorie NAND tradizionali. Gli SSD della serie Intel Optane memorizzano i dati in blocchi da 4 Kbyte, corrispondenti alla dimensione più comunemente utilizzata dagli attuali sistemi operativi per lo scambio dati con i dispositivi di archiviazione. Quando un blocco di archiviazione esistente deve essere riscritto, può essere direttamente aggiornato nell’unità di memoria.

Ciò significa che:

  • Non è richiesto un meccanismo di garbage collection;
  • Non è necessario allocare settori di memoria aggiuntivi pronti per la scrittura, in quanto non è necessaria alcuna cancellazione preventiva dei blocchi (come avviene nella memoria NAND);
  • Non vengono generate scritture aggiuntive rispetto a quelle effettivamente necessarie.

Le architetture computazionali tradizionali leggono e scrivono i dati da/su dispositivi di memoria persistente esterni, per poi trasferirli nei moduli DRAM, più performanti, per essere processati dalla CPU. Ne consegue che, maggiore è la velocità e il throughput di questi dispositivi di archiviazione, migliori saranno i tempi di risposta dell’applicazione.

La gamma di prodotti Intel Optane

Sin dalla sua introduzione, la tecnologia Intel Optane è stata progettata per essere utilizzata sia nei sistemi di archiviazione allo stato solido (SSD), sia nei moduli di memoria PMEM, ovvero delle memorie simili alle DRAM ma con la proprietà di essere persistenti anziché volatili. I moduli Optane PMEM memorizzano le istruzioni sul bus di memoria di sistema anziché sul bus di I/O. Poiché i moduli di memoria operano più vicini alla CPU, è possibile ottenere velocità di lettura e scrittura molto più elevate, le quali si traducono anche in una maggiore durata del componente.

In Figura 3 è visibile l’SSD P5800X appartenente alla famiglia di prodotti  Intel Optane. I sistemi di archiviazione legacy si stanno dimostrando inadeguati per supportare il carico di lavoro con elevato trasferimento di dati previsto dalle attuali applicazioni. Non solo, questi supporti di archiviazione rappresentano spesso un collo di bottiglia che limita il miglioramento delle prestazioni e frena l’innovazione.

Figura 3: SSD Intel Optane P5800X

Grazie a una eccellente combinazione di bassa latenza, elevata qualità del servizio (QoS), velocità e durata, l’unità SSD P5800X velocizza l’accesso a grandi volumi di dati supportando intensi carichi di lavoro. A diifferenza di altre tecnologie SSD, gli SSD Intel Optane possono eseguire la lettura e scrittura dei dati contemporaneamente senza compromettere le prestazioni.

La memoria persistente PMEM è invece implementata con un normale fattore di forma DIMM che può essere inserito direttamente negli slot di memoria della scheda madre ed è compatibile a livello di pin con le memorie DDR4.  La soluzione utilizza un’interfaccia modificata, denominata DDR-T e non può quindi essere inserita su una scheda madre qualunque. I moduli Optane PMEM richiedono infatti un supporto specifico da parte del processore e del chipset, più precisamente un Intel Xeon Scalable Processor almeno di seconda generazione.

La memoria PMEM di seconda generazione (Figura 4), basata sulla tecnologia 3D XPoint a quattro layer, ha introdotto ulteriori miglioramenti in termini di assorbimento di potenza e di prestazioni rispetto ai dispositivi della prima generazione. Le capacità rimangono le stesse, nelle versioni da 128 Gbyte, 256 Gbyte e 512 Gbyte, anche se la tecnologia sarebbe di per sè in grado di fornire capacità anche maggiori.

Figura 4: modulo PMEM della serie Intel Optane

Gli ambiti applicativi della tecnologiaGli ambiti applicativi della tecnologia

I prodotti della famiglia Intel Optane offrono la possibilità di aumentare la durata e le prestazioni, riducendo allo stesso tempo i costi. Gli SSD, grazie alla latenza estremamente ridotta e al maggior numero di operazioni di scrittura supportate, si propongono come la soluzione ideale per data center e applicazioni simili caratterizzate da un elevato numero di accesso ai dati.

I moduli di memoria PMEM, che uniscono i benefici delle tradizionali memorie DRAM con la persistenza dei dati, portano l’elaborazione più vicina al processore, riducendo gli accessi al bus di I/O e incrementando il throughput dei dati. Oltre ai data center, possono beneficiare di questa tecnologia tutte le applicazioni che includono algoritmi di intelligenza artificiale (AI), elaborazione delle immagini, realtà virtuale (VR), realtà aumentata (AR) e gaming.

Prodotti e soluzioni all’avanguardia con Rutronik

Grazie a una presenza capillare a livello mondiale, con 82 uffici in tre continenti, Rutronik è un’azienda leader nella fornitura di componenti e soluzioni per i mercati automotive, telecomunicazioni, elettronica di consumo, elettronica industriale, Lighting Solution SSL (Solid State Light), medicale ed energie alternative.

Oltre a un ampio portafoglio prodotti, che include semiconduttori, componenti passivi, dispositivi elettromeccanici, schede per sistemi embedded, storage, display e wireless, Rutronik offre alla propria clientela un completo supporto di tipo commerciale, tecnico e logistico.

La linea di prodotti SSD e PMEM della serie Intel Optane è disponibile presso la filiale italiana di Rutronik, presente sul nostro territorio con diversi uffici, il cui personale altamente qualificato è in grado di assistere il cliente proponendo i prodotti e le soluzioni tecniche adatte a soddisfare i requisiti tecnici e di budget dell’applicazione.

Stefano Lovati
Dopo aver conseguito la laurea in Ingegneria Elettronica al Politecnico di Milano, Stefano ha iniziato a lavorare, inizialmente, come progettista digitale e sviluppatore firmware. Negli anni ha maturato una solida esperienza nella progettazione di sistemi embedded, anche con prestazioni real-time, con applicazioni nei settori avionico, trasporti e telecomunicazioni. Stefano ha una profonda passione per tutto ciò che riguarda le tecnologie elettroniche e l'innovazione in generale, curando nel tempo libero la stesura di alcuni articoli tecnici inerenti il mondo dell'elettronica.