Einleitung Architektur Schnittstellen Dateisysteme 3D XPoint im Vergleich Zusammenfassung Literatur

3D XPoint

Patrick Wittke

Arbeitsbereich Wissenschaftliches RechnenFachbereich Informatik

Fakultät für Mathematik, Informatik und NaturwissenschaftenUniversität Hamburg

2015-06-07

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Gliederung (Agenda)

1 Einleitung

2 Architektur

3 Schnittstellen

4 Dateisysteme

5 3D XPoint im Vergleich

6 Zusammenfassung

7 LiteraturPatrick Wittke 3D XPoint 2 / 33

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Einleitung

Einleitung

Was ist überhaupt 3D-XPoint ?Die Entwickler sind Intel und Micron Technology3D-XPoint wurde im Juli 2015 vorgestelltNicht flüchtiger Speicher3D XPoint Technologie soll als SSD (Optane) und im DimmFormat auf dem Markt erscheinen

Abbildung: Timeline

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Einleitung

Abbildung: Plakat bei Intels Präsentation

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Einleitung

Welche Vorteile hat 3D-XPoint

Soll die Vorteile von DRAM und NAND-Flash vereinen1000 mal schneller und haltbarer als Flash SpeicherBis zu 10 mal höhere Speicherdichte als DRAMKostengünstiger als DRAMBenötigt keine externe StromzufuhrNicht flüchtiger SpeicherBenötigt keine Transistoren

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Einleitung

Abbildung: Einordnung von 3D-XPoint

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Architektur

Architektur

Abbildung: Aufbau 3D-XPoint

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Architektur

Memory Cell : Speichert jeweils ein BitSelector : Ermöglicht das lesen und schreiben der Memory CellWord Line and Bit Line : Erlaubt es die Zellen einzelnanzusprechen

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Architektur

Word- und Bit Line

Die Word Line wird mit einer gewissen Stromspannung versetztJe nach dem ob gelesen oder geschrieben wirdDie Bit Line wählt aus welche Speicherzelle auf derHorizontalen ausgelesen wird

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Architektur

Abbildung: Word- und Bit Line

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Latenz

Abbildung: Latenz Vergleich

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Latenz

Die niedrige Latenz ergibt sich aus der Kreuzung der Word-undBit LineSelectors statt TransistorenKleine SpeicherzellenDas verwendete Material (Welches verwendet wird ist nichtbekannt)

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Phase-Change-Memory

Phase-Change-Memory

Speichert in dem der Elektrische Wiederstand einesSpeichermaterials geändert wirdEs handelt sich dabei um eine Chalkogenid-LegierungEs kann in amorpher Form (hoher Wiederstand) oder inkristalliner Form(geringer Wiederstand) vorliegen

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Phase-Change-Memory

Aufbau

Das Speicherelement besitzt eine Top-Elektrode und eineBottom-ElektrodeDazwischen liegt das Phasenwechselmaterial und der Heizer

Abbildung: Aufbau von Phase-Change-Memory

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Phase-Change-Memory

Funktionsweise

Erhitzung durch ein Stromimpuls höherer Stromstärke undgeringer Dauer -> Amorpher ZustandErhitzung durch ein Stromimpuls geringerer Stromstärke undlängerer Dauer -> Kristalliner ZustandAusgelesen wird indem eine Spannung angelegt wird, die zugering ist, um einen Phasenwechsel auszulösenJe nach Zustand fließt ein anderer Strom, welches zumAuslesen genutzt wird

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Phase-Change-Memory

Dies erübrigt den Nutzen von TransistorenVorteile sind :

Kostengünstigere HerstellungEine wesentlich höhere Packungsdichte

Abbildung: Jeder Die schafft 128Gb zu speichern

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NVM Express

NVM Express

NVM Express = Non-Volatile Memory ExpressNVM Express ist ein Protokoll für nicht flüchtigenDatenspeicherWurde für SSDs mit direkter PCI-Express Anbindung entwickelt

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NVM Express

Benutzt Universaltreiber (Funktioniert mit fast allenBetriebssystemen)Versucht möglichst viele Einzelzugriffe zu großenDatentransfers zusammenzufassenSpart Strom und schont die CPU-RessourcenNVM Express unterstützt 64.000 Befehle pro Warteschlangeund 64.000 Warteschlangen

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NVM Express

Abbildung: Schematischer Aufbau NVMe

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PCI Express

PCI Express

Abbildung: PCIe-Slot

PCI Express = Peripheral Component Interconnect Express

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PCI Express

Serielle Punkt-zu-Punkt-VerbindungFür das Senden werden Parallel-zu-seriell-Wandler verwendetFür das Empfangen werden Seriell-zu-parallel-WandlerverwendetPCI Express ist voll kompatibel zu PCIPCI Express ist vollduplexfähigJe nach Version 250, 500 oder 1000 MB/s pro Lane undRichtung

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PCI Express

Abbildung: PCIe-Versionen

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PCI Express

Abbildung: NVM Express im Vergleich

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PCI Express

Speicher GeschwindigkeitFestplatte 100 MB/sSSD (AHCI) mit SATA-Anschluss 500-600 MB/sSSD (AHCI) mit PCIe-Anschluss 1000 MB/s (1 Lane)SSD (NVME) mit PCIe-Anschluss 4000 MB/s (4 Lanes)

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Nova

Aktuelle Dateisysteme

Aktuelle Dateisysteme sind für HDDs und SSDs ausgelegt-> nicht für nicht flüchtigen HauptspeicherZu Großer Overhead um das ganze Potenzial auszunutzenDateisysteme die für RAM ausgelegt sind bieten keineKonsistenz

3D-XPoint Dimms sind zu langsam als alleiniger Hauptspeicher-> DRAM muss weiterhin verwendet werden ( 2 Hauptspeicher )

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Nova

Nova

Nova entwickelt um hybride Speichersysteme zu unterstützenMinimiert unnötigen OverheadAufgabenverteilungSchafft KonsistenzOperationen werden in Pakete geschickt statt nur atomar

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Nova

Abbildung: Phase Change Memory mit Nova

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3D XPoint im Vergleich

3D XPoint im VergleichEs wird eine Optane SSD mit einer SSD verglichen mit NANDTechnologie

Im live Test schaffte die Optane eine Geschwindigkeit von 1,6GByte die SekundeDie SSD mit NAND benötigte 4 mal so lange

Abbildung: Optane im VergleichPatrick Wittke 3D XPoint 28 / 33

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3D XPoint im Vergleich

Die 3D-XPoint Architektur soll wesentlich Haltbarer sein alsFlash-SpeicherDie Adressierung geschieht in Bytes, nicht in BlöckenRäumlich gesehen kleinere Chips, welche bei gleichenPlatzverbrauch 10 mal so viel Speicherkapazität anbieten wieDRAMgeringere LatenzKann extrem viele Input-/Output Operationen bearbeiten

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3D XPoint im Vergleich

Abbildung: Optane im Vergleich

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Zusammenfassung

Zusammenfassung

3D-XPoint wird seinen Platz als Speicher findenNutzen bei großen Servern und HeimrechnernIntel’s und Micron’s Zahlen sind unrealistischLöst nicht DRAM und/oder NAND ab

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Literatur

Abbildung Timeline:https://c.mobilegeeks.de/wp-content/uploads/2015/07/Intel-3DXPOINTSpeicher-Geschichte-Kopie.jpgAbbildung Plakat bei Intels Präsentation:http://www.hardwareluxx.de/images/stories/newsbilder/aschilling/2015/idf2015-octane-2.jpgAbbildung Einordnen von 3D-XPoint:http://hexus.net/media/uploaded/2015/8/916315ad-33b7-40ea-9e10-74171bc47e08.jpgAbbildung Aufbau 3D-XPoint:https://newsroom.intel.com/news-releases/intel-and-micron-produce-breakthrough-memory-technology/

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Abbildung Latenz Vergleich:http://www.golem.de/news/3d-xpoint-intels-optane-ssds-sollen-2016-erscheinen-1606-121454.htmlAbbildung Aufbau von Phase-Change-Memory:https://de.wikipedia.org/wiki/Phase-change_random_access_memoryAbbildung Jeder Die schafft 128Gb zu speichern:https://newsroom.intel.com/press-kits/introducing-intel-optane-technologybringing-3d-xpoint-memory-to-storage-and-memory-products/Abbildung Schematischer Aufbau NVMe:https://www.thomaskrenn.com/de/wiki/NVMe_Grundlagen

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Abbildung PCIe-Slot:https://de.wikipedia.org/wiki/PCI_ExpressAbbildung PCIe-Versionen:https://de.wikipedia.org/wiki/PCI_ExpressAbbildung NVM Express im Vergleich:http://www.giga.de/extra/ssd/specials/nvme-ssdwas-ist-das-und-wie-schnell-ist-sie-einfach-erklaert/Abbildung Phase Change Memory mit Nova:http://cseweb.ucsd.edu/ swanson/papers/FAST2016NOVA.pdfAbbildung Optane im Vergleich:http://www.hardwareluxx.de/index.php/news/hardware/festplatten/38833-intel-zeigt-benchmarks-der-optane-ssd-mit-3d-xpoint-speichertechnik.html

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