Optane چیست و چگونه مراکز داده با بارکاری حجیم را متحول می‌کند

دیسک سخت و حافظه‌ حالت جامد (SSD) حافظه‌های غیرفرار هستند، به این معنا که پس از قطع جریان برق اطلاعات در این حافظه‌ها محفوظ باقی می‌‌ماند. در مقابل، حافظه‌‌های اصلی فرار است و پس از قطع برق، اطلاعات ذخیره‌ شده در آن‌ها پاک می‌‌شود. در سیستم‌های کامپیوتری اطلاعاتی که باید به سرعت پردازش شوند در حافظه اصلی بارگذاری می‌شوند تا پردازنده مرکزی بتواند به سرعت به آن‌ها دسترسی پیدا کند. یکی از مشکلات اصلی کاربران محدود بودن ظرفیت حافظه‌ اصلی است. زمانی‌که سامانه‌ای با کمبود حافظه اصلی روبرو می‌شود، بخشی از حافظه‌ ذخیره‌ساز غیرفرار (دیسک سخت یا حافظه‌ حالت جامد) در نقش حافظه‌ اصلی پنهان استفاده می‌شود، اما این دیسک‌ها کندتر از حافظه اصلی هستند و استفاده از آن‌ها به عنوان حافظه‌ اصلی پنهان باعث کاهش عملکرد سیستم می‌شود. اینتل تصمیم گرفت راه‌حلی برای این مشکل پیدا کند. حافظه‌ Optane از جمله حافظه‌های غیرفراری است که اطلاعات ذخیره‌ شده در آن پس از قطع برق، همچنان حفظ می‌‌شود، اما وجه تمایز Optane با دیگر حافظه‌های غیرفرار سرعت بیشتر آن است. این حافظه‌ها به‌ منزله‌ پلی میان حافظه‌ اصلی و دیگر حافظه‌‌های غیرفرار (دیسک سخت یا حافظه‌ی حالت جامد) عمل می‌‌کنند. بدین ‌ترتیب که فایل‌ها و اپلیکیشن‌های پرکاربرد در این حافظه ذخیره می‌‌شوند تا در زمان نیاز به ‌سرعت به حافظه‌ اصلی منتقل شوند.
درایوهای حالت جامد Optane DC با کش کردن داده‌ها سرعت دسترسی بالایی ارائه می‌کنند که مناسب برای سرورها است. این حافظه‌ها در ظرفیت 375 گیگابایت تا 1.5 ترابایت ساخته می‌شوند. ماژول‌های حافظه غیر فرار Optane DC یا به اختصار DCPMM یک راهکار قدرتمند برای مراکز داده هستند که با ظرفیت 16 تا 64 گیگابایت ارائه می‌شوند و با قیمت کمتر جایگزین مناسبی برای DRAM در مراکز داده هستند. 

Optane براى انجام چه کارهایى مناسب  است؟

به‌طور کلی، استفاده از فناوری Optane برای زمان‌هایی مناسب‌تر است که مشغول کار با حجم زیادی از داده‌های بلادرنگ هستید که نیاز به دسترسی با تاخیر پایین دارند. اگر بخواهیم کمی‌ وسیع‌تر به موضوع نگاه کنیم، می‌توانیم کاربردهای زیر را برای حافظه Optane در نظر بگیریم:
• مجموعه داده‌هایی که به حجم انبوهی از فضای حافظه (به ویژه در سطوح ترابایت) نیاز دارند که از لحاظ اقتصادی تامین این ظرفیت تنها با DRAM امکان‌پذیر نیست.
• بارهای کاری که محدود به حافظه ماشین مجازی هستند. مدیران فناوری‌اطلاعات اغلب منابع سخت‌افزاری موجود را بین کاربردهای مختلف تقسیم می‌کنند و پیش‌بینی حافظه مورد نیاز برای این نوع کاربردها مشکل رایجی است. Optane DCPMM می‌تواند حافظه کافی در اختیار ماشین‌های مجازی قرار دهد. ظرفیت DCPMM می‌تواند به مدیران فناوری‌اطلاعات این امکان را بدهد تا تعداد سرورهای فیزیکی که برای میزبانی محیط‌های مجازی استفاده می‌شوند را کم کنند.
• اپلیکیشن‌های کاربردی که برای فعالیت‌های خود نیازمند دسترسی مداوم و ماندگار به داده‌ها هستند. هنگامی‌ که برق یک سامانه قطع می‌شود یا راه‌اندازی مجدد ضروری است، بارگیری مجدد داده‌ها به حافظه می‌تواند زمان‌بر باشد و خسارات بالقوه‌ای به کاربران وارد کند. ماندگاری داده در شرایط App Direct Mode می‌تواند به میزان قابل ملاحظه‌ای زمان راه‌اندازی مجدد را کاهش دهد.
• سیستم‌ها و اپلیکیشن‌هایی که روزانه حجم زیادی از داده‌ها را می‌نویسند. استقامت بالای Optane در محیط‌هایی که به‌کارگیری درایوهای مبتنی بر NAND معمولی قابل اعتماد نیست، راهکار مقرون به صرفه‌تری است. 
حافظه‌های ماندگار به تدریج به ایستگاه‌های کاری و مراکز داده وارد می‌شوند.
اگر روی یک ایستگاه کاری، نرم‌افزاری مثل ویرایشگر ویدیو، یادگیری ماشین یا مدل‌سازی سه بعدی را اجرا می‌کنید که نیازمند حافظه زیادی هستند، ایده به‌کارگیری یک حافظه غیرفرار و پرسرعت در مجاورت پردازنده مرکزی سرعت پردازش را چند برابر بیشتر می‌کند. اینتل در کنفرانس خبری دسامبر 2019 میلادی در شهر سئول کره جنوبی از استراتژی خود مبنی بر تجهیز ایستگاه‌های کاری به ماژول‌های حافظه غیرفرار Optane DC (DCPMM) پرده برداشت. این فناوری نه تنها امکان نگهداری پروژه‌های بزرگ در حافظه را ممکن می‌سازد، بلکه می‌تواند در زمان قطع برق این پروژه‌ها را حفظ کند. وقتی اینتل ماژول‌های حافظه غیرفرار Optane DC را در سال 2018 معرفی کرد، هدف این شرکت مشتريان سازمانی بود که به ظرفیت بالا، نیازهای اجرایی جدی و هزینه تمام شده پایین احتیاج داشتند.
اینتل قرار است حافظه غیرفرار Optane DC را توسط پردازنده‌های مرکزی نسل دوم زئون به ایستگاه‌های کاری اضافه کند. این فناوری در حالت حافظه و بدون نیاز به تغییرات نرم‌افزاری کار می‌کند، البته برنامه‌های کاربردی ایستگاه کاری، DRAM و DCPMM را به شکل یک حافظه بزرگ می‌بینند. ویژگی App Direct Mode اجازه می‌دهد نرم‌افزارهای بهینه شده، DRAM و Optane را روی یک گذرگاه یکسان در نظر بگیرند. در این وضعیت داده‌های ذخيره شده روی DCPMM به شکل ماندگار باقی می‌مانند. اینتل می‌گوید: «نسخه‌های اولیه حافظه غیرفرار Optane DC عملکرد و توانایی اپلیکیشن‌ها در ایستگاه‌های کاری با حافظه محدود را بهبود بخشیده است.»

پشتیبانی از حافظه غیرفرار 

اکوسیستم مرکز داده هنوز در حال شکل‌گیری است و توسعه‌دهندگان به دنبال یافتن روش‌هایی برای بهره‌مندی از حداکثر توان بالقوه این فناوری هستند تا بتوانند از Optane DC برای بهینه‌سازی فضای ذخيره‌سازی مراکز داده استفاده کنند.
ماژول‌های DCPMM از معماری و ساختاری پیچیده‌تر از DDR4 DIMM برخوردار هستند. در واقع مهندسان اینتل،  DCPMM را یک کامپیوتر کامل در یک ماژول توصیف می‌کنند. تامین انرژی، وضعیت دما، بررسی خطا و رمزگذاری همگی توسط یک کنترلر پیشرفته که بین تراشه‌های رسانه Optane قرار داده شده اداره می‌شود. کنترلر فوق مسئول تعامل با پردازنده‌های نسل دوم Xeon Scalable از طریق پروتکل جدیدی به‌نام DDR-T است که نقل و انتقالات خارج از سرویس را به این ماژول بدون تداخل با ترافیک DDR4 در گذرگاه برعهده دارد. از طرف دیگر پردازنده زئون باید قادر باشد با DDR-T تعامل داشته باشد. با وجودی که مولفه‌های زیادی در این پلتفرم نقش دارند، اما جایگاه اینتل در زمینه بازاریابی و پیدا کردن مشتری برای فناوری Optane عالی است. هیچ فروشنده‌ای راهکار ذخیره‌سازی دیگری همانند اینتل ارائه نکرده تا به این اندازه به کنترلر حافظه پردازنده اصلی، بایوس مادربورد یا نرم‌افزارهای بهینه‌سازی شده دسترسی داشته باشد.
در حال حاضر تنها پردازنده‌های نسل دوم Xeon Scalable هستند که از حافظه‌های Optane DC پشتیبانی می‌کنند، بنابراین انتظار می‌رود اولین ایستگاه‌های کاری مجهز به DCPMM با یک یا دو سوکت پردازنده به همراه 3 ترابایت حافظه غیرفرار به ازای هر پردازنده پیکربندی شود. از آن‌جایی که مدل‌های Core i9 مبتنی بر Cascade Lake از کنترلر حافظه یکسانی برخوردار هستند، این احتمال وجود دارد که اینتل حافظه Optane را برای این سری آماده کند. ایستگاه‌های کاری Z8 G4 و Z6 G4 شرکت اچ‌پی دو نمونه از سیستم‌هایی هستند که از حافظه غیرفرار Optane DC پشتیبانی می‌کنند.

حافظه ماندگار چه مزیتی برای ایستگاه‌های کاری و مراکز داده دارد؟

ایستگاه کاری و سرورها توسط Memory Mode، App Direct Mode یا Dual Mode ترکیبی به حافظه غیرفرار Optane DC دسترسی پیدا می‌کنند. با پیکربندی DCPMM توسط Memory Mode برنامه‌های کاربردی، DRAM و Optane DC را به شکل یک مخزن بزرگ حافظه می‌بینند. به محض اینکه ایستگاه کاری خاموش می‌شود، تمام داده‌های موجود در این مخزن از بین می‌رود. در این روش نیازی به اصلاح نرم‌افزاری نیست. ماژول‌های DCPMM در کنار ماژول‌های DDR4 ایستگاه کاری نصب می‌شوند تا با قیمت کمتری نسبت به DRAM ظرفیت حافظه افزایش پیدا کند. 
پردازنده‌های زئون اینتل تفاوت بین این دو فناوری حافظه را تشخیص داده و به ترتیب از آن‌ها استفاده می‌کند. DRAM به عنوان یک حافظه نهان یا کش برای دسترسی مکرر به داده‌ها در نظر گرفته می‌شود و پردازنده ابتدا آن‌را بررسی می‌کند. اگر اطلاعاتی پیدا نشد، داده‌ها با تاخیر کمی‌ بالاتر از حافظه غیر فرار Optane DC خوانده می‌شود، اما اگر یک پروژه چند ترابایتی داشته باشید که قبلا روی SSD قرار گرفته، نگهداری آن روی گذرگاه حافظه و نزدیک به پردازنده مرکزی وضعیت عملکرد را به میزان قابل توجهی بهبود می‌بخشد. توسعه‌دهندگان در حال یافتن روش‌هایی برای بهره‌برداری از فناوری Optane اینتل هستند. آن‌ها می‌توانند با بهینه‌سازی App Direct Mode سیستم‌عامل و برنامه‌های کاربردی را از هر دو نوع حافظه در یک گذرگاه یکسان آگاه کنند. فایل‌هایی که به کمترین زمان تاخیر احتیاج دارند را می‌توان مستقیما به DRAM فرستاد و ساختار داده‌های بزرگ‌تر که به حافظه ماندگار نیاز دارند را درون DCPMM نگهداری کرد.
خوشبختانه نیازی به انتخاب بین Memory Mode و App Direct Mode نیست. در مراکز داده‌ای که نرم‌افزارهای کاربردی را به شکل ترکیبی اجرا می‌کنند، این امکان وجود دارد تا حافظه Optane DC را برای بهره‌مندی از هر دو شیوه پارتیشن‌بندی کرد. در حال حاضر چند توزیع لینوکس، نسخه‌هایی از ویندوز سرور و نرم‌افزار مجازی‌ساز VMware از حافظه‌های غیرفرار Optane DC پشتیبانی می‌کنند. ویندوز10 مخصوص ایستگاه‌های کاری نیز از ماژول‌های DCPMM در حالت Memory Mode، App Direct Mode و Dual Mode ترکیبی پشتیبانی می‌کند.
کاملا مشخص است که حافظه غیرفرار Optane DC تاثیر شگرفی بر مکانیزم‌های ذخیره‌سازی خواهد گذاشت، به‌طوری که  متخصصان این صنعت رشد سریع و چشم‌گيری برای آن پیش‌بینی کرده‌اند. انتظار می‌رود فناوری حافظه غیرفرار اینتل (Optane) تا سال 2023 به یک بازار 3.5 میلیارد دلاری دست پیدا کند.