تحلیل سخت افزار: حافظه های Intel SSD Optane

ساعات پایانی سال 2017 با انتشار برخی از اطلاعات فنی در زمینه حافظه های Optane دیجیتالی تر شده است. نتیجه همکاری Intel و Micron به تولید 3D XPoint منتهی شده است. در این مطلب به تمامی اطلاعات موجود در این زمینه خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید.

از Optane چه می دانیم؟

در مهر ماه سال جاری اساسی و بهترین اطلاعات در زمینه این فناوری منتشر شد. پس از آن برداشت کاربران از حافظه های Optane با موارد مطرح شده از سوی Intel هماهنگی چندانی نداشت. هم اینک درایوهای NVME مانند استانداردهای M.2 و اتصال مستقیم (PCI) با سرعتی باورنکردنی و بین 2 الی 5 برابر بیشتر از اینترفیس های ساتا در بازار موجود هستند. مسیر PCI به طور ذاتی مستقیما به پردازنده متصل شده و به همین علت نیازی به داده پردازی های حافظه رم ندارد. در نتیجه سرعت نقل و انتقال و تصمیم گیری در پروسه پردازش و فراخوانی بسیار افزایش یافته است. دو شرکت “اینتل” و “مایکرون” ذخیره سازی 3D XPoint را در سالهای گذشته معرفی کردند. در سال 2015 مقدمات اولیه این طرح مطرح شده و در جریان مراسم IDF نیز اینتل برای نخستین یک فایل را با سرعت 2 گیگابایت در ثانیه جا به جا نمود. این سرعت همچنان جای پیشرفت داشت چرا که الگوریتم 3D XPoint در یک فرآیند پردازشی می توانست با پردازنده ها یک رابطه خاص را برقرار نماید؛ تا آنجا که اینتل الگوی سازگاری را در اختیار AMD قرار داد تا از آن در پردازنده های AMD AM4/ZEN نیز استفاده نماید. اینتل در سال 2017 نخستین SSD های Optane با بهره گیری از فناوری 3D XPoint را ارائه خواهد کرد. وب سایت جنجالی Benchlife اطلاعاتی را منتشر کرده بود که تاریخ آن به 3 ماه اخیر باز می گردد؛ این اطلاعات نشان می داد که اینتل اولین سری از محصولات مورد بحث را تحت عنوان Optane Memory 8000p در اختیار داشته و حتی مشخصات فنی آنها از قبیل سرعت نیز در اختیار Benchlife قرار دارد. حافظه های مورد نظر نوعی شتاب دهنده سخت افزاری هستند که اینتل نام آنها را ” Stony Beach” نهاده است. حافظه ای مابین به کار گیرنده و حافظه رم. پیشبینی می گردد که تنها پردازنده های نسل هفتم اینتل (کابی لیک) از آنها پشتیبانی کاملی به عمل آوردند که با این حساب بازار آنها محدود است. این حافظه ها در دو ظرفیت 16 و 32 گیگابایت عرضه می شوند. دو مسیر PCIe Gen 3.0 در اختیار این حافظه ها قرار می گیرد که به واقع پهنای باند بسیاری بالایی از این ترکیب خارج می شود. در نسخه 16 گیگابایتی سرعت خواندن به 1400 مگابایت در ثانیه و سرعت نوشتن نیز 300 مگابایت در ثانیه است. در برابر آن مدل 32 گیگابایتی در زمینه خواندن سرعت 1600 مگابایت در ثانیه و در نوشتن سرعت 500 مگابایت را ارائه می دهد. این حافظه ها در فرم های M.2 2280/2241 هستند.

اما نکته ای که در این میان وجود دارد، سرعت بحث برانگیز این حافظه ها است. هم اینک SSD های سامسونگ در مدل Samsung 960 Pro به آسانی قادر خواهند بود تا سرعت 3500 مگابایت در ثانیه را در زمینه خواندن و سرعت 2100 مگابایت را در زمینه نوشتن در اختیار کاربران قرار دهند. این در حالی است که خبری از ادغام دو اینترفیس در آنها وجود ندارد و این حافظه ها نیز در فرم M.2 تولید می شوند.

شتاب دهنده های سخت افزاری، اینبار به غیر از GPU

شاید نام شتاب دهنده های سخت افزاری را بیشتر در عنوان سامانه های سرور و کارت گرافیک شنیده باشید؛ اما این محدودیت به دلیل تعدد سخت افزار به وجود آمده و شتاب دهنده های سخت افزاری می توانند در تراشه های BCLK، کنترلر، ریموت های شبکه، آمپلی فایر و… به خدمت گرفته شوند. آیا هدف اینتل از حافظه های SSD Optane تنها شتاب دهنده است یا خیر؟ این سوالی است که جواب دقیق و منطقی برای آن وجود ندارد. در حال حاضر با توجه به نوت بوک های جدید “لنوو” و مشخصات فنی منتشر شده از سوی BenchLife تنها می دانیم که با یک سخت افزار جدید به عنوان شتاب دهنده مواجه هستیم. این شتاب دهنده از مسیرهای PCI Express 3.0 بهره می برد پس در نتیجه در دسته بندی حافظه های NVME قرار می گیرد. در نتیجه هیچ کنترلر مجزایی برای آن نیاز نیست. از سوی دیگر آنها در ماژول های M.2 تولید می شوند پس می توانند به مانند حافظه های ذخیره سازی مورد استفاده قرار گیرند. با الگوریتمی مواجه هستیم که در عین سادگی دارای پیچیدگی های خاصی است؛ حافظه های NVME به طور ذاتی “غیر فرار” بوده و با قطع جریان همچنان اطلاعات در آنها باقی می ماند. با توجه به درک این مسئله، پس کاربرد این شتاب دهنده ها در چه وضعیتی قرار دارد؟ ظاهرا هدف اصلی از تولید فناوری Optane این است که به جای استفاده از حافظه های SSD M.2، از ماژول های Optane مانند مدل های Optane Memory 8000p استفاده نمائیم. در این صورت قیمت تمام شده ی این فناوری باید کمتر از خرید حافظه های M.2 باشد که بسیار بعید به نظر می رسد.

ساختار

“اینتل” ادعا می کند که حافظه های Optane تا 10 برابر تاخیر کمتر، 3 برابر استفامت بیشتر، 4 برابر بهبود عملکرد در نوشتن، 3 برابر سرعت خواندن بیشتر و عملکرد 30% درصد به ازای هر ثانیه در استفاده از توان ورودی را به نسبت تراشه های NAND رقیب دارا هستند. توسعه حافظه های 3D XPoint از اواسط سال 2012 آغاز شد. هر چند که اعلان رسمی آن به جولای 2015 رسید، اما در این میان اینتل رقبای بسیاری را پیدا کرده بود. گمان می رفت که اینتل و مایکرون از فناوری سنتی حافظه های مبتنی بر تغییر فاز یا Phase-change memory (PCM) استفاده نمایند؛ اما مایکرون به صراحت گفت: ما از یک فناوری بهبود یافته برای انتخاب و ذخیره سازی سلول های از حافظه استفاده کرده ایم که با ثبات و سریع تر است. در این فناوری یک ترانزیستور به سلول های داده فردی نیاز نداشته و بنابراین چگالی پشته ها تا 4 برابر بیشتر از DRAM می گردد. این فناوری با نیمی از قیمت DRAM تولید می گردد و در عین حال قیمت آن 4 برابر بیشتر از تراشه های NAND موجود است. همه ما می دانیم که تراشه های DRAM گران قیمت ترین حافظه های ذخیره سازی در جهان هستند که در کنار Cache قرار گرفته و گاها نیز به عنوان Cache و حافظه نهان-موقت مورد استفاده قرار می گیرند. ذخیره سازی در 3D XPoint الگویی مشابه با PCM دارد؛ به طوری که ذخیره سازی در هر بیت بر اساس تغییر فاز صورت می گیرد. این تغییر فاز در رابطه با الگوی مشبک هر سلول است. به عنوان مثال هر سلول در تراشه های 3D NAND یا V-NAND می تواند چیزی در حدود 3 بیت را در خود جای دهد. همانطور که گفته شد، شباهت این الگو به مدل های PCM موجب آن شده است که متریال های اولیه آنها نیز بسیار مشابه باشد. 3D XPoint از “ژرمانیم-آنتیموان تلوریوم” (Germanium-antimony-Tellurium یا GST) تولید شده است. با این وجود اینتل اعلام کرده است که این فناوری کوچکترین ربطی به حافظه های ممریستور (Memristor) ندارد.

شیوه کار

متاسفانه کوچکترین اطلاعات فنی، شماتیک و بلوک دیاگرامی از Optane ها در دست نیست؛ هنوز به طور دقیق نمی دانیم که شیوه کار این محصولات به چه نحو است. چند سوال مهم در پایان باقی می ماند؛ آیا اینتل از شیوه ذخیره سازی موقت استفاده می کند؟ آیا این حافظه ها به عنوان یک کش پر سرعت و با ظرفیت بالا عمل می نمایند؟ آیا فایل های اصلی سیستم عامل و برنامه های در حال اجرا بر روی آنها ریخته می شود؟ آیا آنها از برنامه و اطلاعات مورد نیاز ایمیج (Disk Image) تهیه کرده و بر اساس آن حافظه رم را آدرس دهی می نمایند؟ آیا پردازنده 3D XPoint را به عنوان یک حافظه کش مورد استفاده قرار می دهد؟