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RRAM et PCM en lice pour contrer l'essor de la 3D Xpoint

La performance décevante des premiers supports de stockage à base de mémoire 3D XPoint devrait permettre aux concurrents d'Intel et Micron de préparer leur riposte.

Le Saint-Graal de l’informatique serait de disposer de Teraoctets de mémoire persistante dans les serveurs. La technologie 3D XPoint d’Intel et Micron est pour l’instant l’un des concurrents sérieux dans cette quête, mais de multiples retards à l’allumage pourraient permettre à la concurrence de refaire son retard.

L’avènement d’une couche de mémoire vive persistante pourrait éviter aux applications de devoir en passer par le stockage de leurs données dans des blocs de 4Ko adressés par une pile d’entrées-sorties lente et compliquée. La différence est simple : il faut 20 nanosecondes pour écrire une donnée en RAM, alors qu’une opération d’écriture de bloc prend une microseconde ou deux avec de la mémoire Flash très performante et une dizaine de millisecondes avec des disques durs.

Au cours des deux dernières années, des alternatives ont commencé à émerger. Par exemple, un module NVDIMM (NonVolatile Dual Inline Memory Module) permet de doper les accès aux données tout en permettant d’assurer la persistance des données en cas de rupture d’alimentation électrique. Il y a actuellement deux types de NVDIMM:

  • Les modules NVDIMM-F sont des barrettes DIMM à base de mémoire Flash  que l’on peut insérer à la place d’une barrette mémoire dans un emplacement DIMM et qui sont vues comme des SSD très rapides. Elles sont accessibles via la pile d’entrées-sorties historique (donc les transferts se font par blocs de 4K) au moyen d’un pilote spécifique (les serveurs doivent aussi disposer d’un firmware adapté). Malgré cette utilisation du chemin d’I/O historique, les barrettes NVDIMM-F affichent des performances significativement meilleures que celles des SSD ou cartes PCIe Flash, même si elles restent sensiblement plus lentes que la DRAM.
  • Les barrettes NVDIMM-N sont quant à elles des barrettes DRAM traditionnelles, mais qui sont couplées à de la Flash et à un mécanisme de protection électrique (en général un supercondensateur). Le serveur accède à la RAM de façon standard et en cas de défaillance électrique, le contenu de la RAM est sauvegardé sur la Flash.En couplant les deux technologies, on approche des promesses de la mémoire persistante, mais avec quelques limitations. En particulier, le fait de devoir packager deux types de mémoire sur une même barrette et les contraintes de consommation électrique limite la capacité à quelques centaines de gigaoctets et pas à des téraoctets. Il faut aussi un support firmware spécifique dans les serveurs et des systèmes d’exploitation à même de reconnaître les NV-DIMM-N, notamment pour bien gérer la reprise après une panne d’alimentation.

Si ces deux types de NVDIMM ont la capacité de doper de façon drastique la performance d’un système, en particulier pour les bases de données, aucune n’est, en l’état, à même d’atteindre le vrai Graal de la mémoire persistante. Toutefois, la mémoire 3D Xpoint, une nouvelle technologie annoncée par Intel et Micron, offre des temps d’accès radicalement meilleurs que la Flash. Les deux sociétés entendent déployer la mémoire 3D XPoint dans des SSD, mais aussi au sein de barrettes NVDIMM.

Les SSD 3D Xpoint s’insèrent dans des serveurs existants, mais affichent des performances sensiblement supérieures. Il en va de même avec les barrettes NVDIMM, mais les limitations sont les mêmes qu’avec les actuelles NVDIMM-N: les supports firmware et OS ne sont pas encore mûrs, même si Intel a sans doute une petite longueur d’avance en la matière.

Mise en œuvre dans une NVDIMM, la 3D XPoint pourrait offrir environ 20% des performances de la mémoire vive standard. C’est suffisamment rapide pour que les deux technologies puissent cohabiter sur un serveur, la mémoire vive servant en quelque sorte de cache rapide pour masquer la différence de performance. Mais pour que l’ensemble fonctionne de façon transparente, de subtils changements sont requis au niveau logiciel.

L’idéal serait que les compilateurs soient à même de faire la différence entre les différentes classes mémoire, afin que le comportement des applications s’adapte à la nature des différents supports. Ces modifications sont en cours de développement. Intel et Micron sont confiants qu’elles arriveront en conjonction avec la disponibilité de la mémoire 3D XPoint. 

Des ratés dans l'Optane

Intel a pour l’instant d’autres problèmes à régler. Le premier contrôleur Optane développé par le fondeur conjointement avec la 3D XPoint n’a pas atteint le niveau de performances attendu avec des gains allant seulement de 4 à 10 fois ceux de SSD rapides. Ce contrôleur n’est pas assez performant pour implémenter la 3D Xpoint sous forme de NVDIMM.

Ces problèmes de contrôleurs ont amené Intel à revoir son calendrier. Si de premiers SSD Optane sortiront sans doute en fin d’année, il faudra attendre une seconde génération prévue en 2017 pour espérer tirer pleinement partie du potentiel de la mémoire 3D Xpoint. Et il faudra sans doute attendre 2018 pour voir la technologie dans des barrettes NVDIMM signées Intel.

Pendant ce temps, Samsung et la division SanDisk de Western Digital travaillent sur leurs propres alternatives à la mémoire 3D Xpoint et les déboires d’Intel pourraient leur permettre de refaire leur retard.

RRAM et PCM en embuscade face à la 3D Xpoint

En 2015, SanDisk a annoncé avoir développé une nouvelle famille de mémoires RRAM (resistive RAM) avec Hewlett Packard Enterprise. La mémoire RRAM pourrait émerger comme l’une des concurrentes de la 3D Xpoint. Ses performances seraient similaires, mais la technologie offrirait une plus grande durabilité. Elle serait aussi plus simple à produire en masse.

IBM de son côté parie sur  la mémoire à changement de phase et a récemment montré qu'il était possible de concevoir des modules PCM à trois bits. Aucune date de disponibilité de mémoire PCM n'a toutefois été indiqué par Big Blue.

Pour l’instant, le cœur de la bataille autour du stockage mémoire s’opère autour de la mémoire Flash 3D NAND, avec 48 voire 64 couches. Si Intel arrive à résoudre ses problèmes, la mémoire 3D Xpoint devrait faire son apparition dans la seconde moitié de 2017 ou au début 2018, et il faudra un certain nombre d’années avant que les volumes de production ne soient suffisamment élevés pour peser face à la 3D NAND. De quoi permettre à des alternatives d’émerger...

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