Энергонезависимая память NVDIMM — что это такое и как это работает

Существует множество форматов оперативной памяти (DIMM) — небуферизованная UDIMM, регистровая RDIMM, компактная SO-DIMM. Эти виды оперативной памяти широко применяются как в пользовательских, так и коммерческих вычислительных системах. Но существуют другие, более интересные и менее распространенные форматы оперативной памяти, к которым относятся энергонезависимые модули NVDIMM. В этой статье мы расскажем вам, что такое память NVDIMM, как она работает, где используется и какие компании активно занимаются ее производством.

NVDIMM (Non-Volatile Dual In-line Memory Module) — это гибридный модуль памяти, объединяющий преимущества энергозависимой оперативной памяти (DRAM) и энергонезависимых накопителей (SSD). В отличие от традиционной DRAM, которая теряет данные при отключении питания, NVDIMM сохраняет информацию благодаря встроенной энергонезависимой флеш памяти NAND и резервному источнику энергии — батарее или суперконденсатору. В зависимости от того, какой источник энергии выбран, будет отличаться долговечность NVDIMM-модуля:

• Батареи (литий-ионные) — обеспечивают длительную автономность (до 72 часов), но имеют ограниченный срок службы (3–5 лет), а также они чувствительны к высоким температурам. Модули энергонезависимой памяти NVDIMM с батареей также называются BBU (battery backed up). В настоящее время BBU NVDIMM практически не реализуются отдельно, а поставляются совместно с серверами, например, в сервере DELL PowerEdge R640. 

• Суперконденсаторы — мгновенно отдают энергию, выдерживают до 1 миллиона циклов заряда, компактны, но сохраняют заряд всего несколько минут. Более популярны, чем аналоги NVDIMM BBU ввиду простой конструкции и удобной интеграции.

При сбое питания данные из DRAM мгновенно копируются в NAND, обеспечивая их полную целостность. Модуль подключается через стандартные слоты DIMM, что позволяет интегрировать его в серверы, персональные компьютеры или рабочие станции не требуя изменения архитектуры устройства. Такие типы устройств обозначаются термином “persistent memory” (энергонезависимая память).

Основное преимущество NVDIMM — сочетание высокой скорости доступа, характерной для DRAM, с надежностью хранения, присущей SSD. Это делает ее идеальной для задач, где важны минимальные задержки и максимальная сохранность данных: обработка транзакций в реальном времени для финансового сектора, кэширование СУБД, журналирование изменений или работа с большими массивами данных в аналитических системах. Технология особенно востребована в корпоративных решениях, в том числе некоторых особо важных инфраструктурах, например государственных или военных секторах, обеспечивая бесперебойную работу даже в условиях аварийных перебоев питания. Изначально NVDIMM предназначался для использования в качестве кэша RAID-контроллеров, обеспечивая сохранность как в самом RAID, так и в модулях оперативной памяти, но впоследствии технология энергонезависимой памяти начала применяться обособленно.

Модули памяти NVDIMM делятся на 4 основных вида. Расскажем о них по-отдельности:

• NVDIMM-N — гибридный модуль, объединяющий энергозависимую DRAM и энергонезависимую NAND- память, дополненный резервным источником питания (батарея или суперконденсатор). В штатном режиме он функционирует как стандартная оперативная память с наносекундной задержкой, но при отключении питания данные мгновенно копируются из DRAM в NAND, обеспечивая их сохранность. Емкость наиболее современных NVDIMM-N накопителей ограничена 32 ГБ. Модуль подходит для задач, где критичны скорость и защита от потерь: консолидация виртуальных машин с большей плотностью памяти, работа с неструктурированными данными, обеспечение высокоскоростного доступа к приложениям и базам данных. 

• NVDIMM-F — модуль, построенный исключительно на NAND-памяти без использования DRAM, но подключаемый через стандартный интерфейс DIMM. Он эмулирует работу оперативной памяти, однако из-за особенностей флеш-памяти, задержки при передаче данных измеряются микросекундами, что ближе к SSD, чем к DRAM. NVDIMM-F имеет повышенную емкость вплоть до нескольких терабайт, при этом сохраняя энергонезависимость, что делает его идеальным решением для хранения статических данных: образов ОС, эталонных конфигураций или редко изменяемых наборов информации. Однако низкая скорость записи ограничивает его применение сценариями, где важна высокая скорость чтения данных.

• NVDIMM-P — наиболее современный модуль энергонезависимой памяти, сочетающий DRAM и NAND, предоставляющий доступ к обоим типам памяти на одной планке Он может работать одновременно как оперативная память и хранилище, автоматически сохраняя данные при сбоях. Предназначен для гибридных задач: ускорения аналитических систем, обработки больших данных или машинного обучения. Емкость достигает 512 ГБ. 

• NVDIMM-X — нестандартный тип энергонезависимой памяти, представляющий собой модуль DDR4 с совмещенной DRAM и NAND памятью в одном модуле. Разработан компанией Xitore. NVDIMM-X имеет максимальный объем памяти от 256 ГБ до 4 ТБ, увеличенный объем локального кэша и встроенный контроллер NVM. NVDIMM-X предназначен для обеспечения минимальной задержки доступа к памяти в 2 микросекунды. Однако, найти модули NVDIMM-X в продаже невозможно, поскольку после громкого анонса технологии компания Xitore прекратила свое существование.

Первая интеграция технологии NVDIMM со стандартами DDR произошла в 2015 году, когда компания SanDisk ULLtraDIMM представила свой энергонезависимый модуль DDR3 NVDIMM-N, однако этот стандарт официально не был утвержден JEDEC.

С появлением DDR4 поддержка NVDIMM стала более стандартизированной. JEDEC официально утвердил спецификации для NVDIMM-N и NVDIMM-F, что позволило создавать гибридные модули с DRAM и NAND, а также флеш-накопители на DIMM-разъемах. Например, NVDIMM-N от компаний Micron и Viking Technology предлагали до 32 ГБ DRAM с резервным копированием данных в NAND при отключении питания, подключаясь через стандартные слоты DDR4. Модули NVDIMM-P, анонсированные JEDEC в 2021 году, также начали использовать DDR4-интерфейс, обеспечивая до нескольких терабайт емкости.

В настоящее время официально интерфейс DDR5 так и не получил поддержку памяти NVDIMM, хоть он и был утвержден JEDEC еще в 2018 году. Однако разработчики активно занимаются внедрением энергонезависимой памяти в наиболее современный формат подключения оперативной памяти. DDR5 может предложить оптимизированную пропускную способность (до 51,2 ГБ/с на 1 канал), а также позволит объединить NVDIMM с более перспективными видами памяти, вроде Z-NAND. Также стандарт DDR5 позволит создавать энергонезависимые модули емкостью до 512 ГБ и выше, что будет особенно полезно для ИИ-задач и анализа больших данных. Кроме того, DDR5 NVDIMM-P будет обеспечивать более эффективное управление питанием благодаря встроенному PMIC (Power Management Integrated Circuit), что снижает энергопотребление и улучшает стабильность. Сложность интеграции DDR5 NVDIMM обуславливается тем, что в DDR5 контроллер питания интегрирован в сам модуль памяти, что увеличивает требования к стабильности и совместимости при использовании NAND-памяти. Это требует изменения архитектуры существующих инфраструктур и тестирования обновленных систем. Несмотря на это, некоторые компании, такие как Viking Technology, все же выпускают память DDR5 NVDIMM, но только для закрытых продуктов, вроде решений для военных инфраструктур.

Есть несколько ключевых компаний, которые занимались производством памяти NVDIMM:

• Micron — компания, специализирующаяся на гибридных модулях NVDIMM-N, которые сочетают DRAM для скоростных операций и NAND для сохранения данных при сбоях питания. Ее решения совместимы с DDR4, поддерживают резервное питание через суперконденсаторы и ориентированы на серверные платформы. К их продуктовой линейке относятся модули Micron DDR4 NVDIMM-N 32 ГБ 2666 МТ/с для Intel Xeon Scalable и AMD EPYC.
• Xitore — бывший разработчик модулей NVDIMM-X с гигантской емкостью (до 4 ТБ) и встроенным контроллером NVM. Проект закрыт из-за недостатка финансирования, но ранее предлагал уникальные решения для задач с минимальной задержкой (2 мкс). 
• Viking Technology — разрабатывает гибридные NVDIMM-P для ЦОД и военных инфраструктур, объединяющие DDR4/DDR5 с энергонезависимой памятью. Модули поддерживают гибридные задачи, такие как машинное обучение и обработка больших данных. К их продуктовой линейке относятся модули Viking DDR4 NVDIMM-P 32 ГБ с неограниченным количеством циклов записи.
• SK Hynix — компания, известная разработкой и производством различных форматов чипов памяти. SK Hynix предлагает энергонезависимые NVDIMM-N, интегрирующие DRAM и NAND, с поддержкой резервного питания через конденсаторы. Модули предназначены для ЦОД и систем, требующих минимальных задержек, например, SK Hynix DDR4 NVDIMM-N 16 ГБ 3200 МТ/с. Энергонезависимые решения SK Hynix менее распространены, чем устройства конкурентов.
• Smart Modular Technology — специализируется на энергонезависимых модулях для промышленных и телекоммуникационных решений. Их NVDIMM поддерживают расширенные температурные диапазоны и повышенную устойчивость к вибрациям. Пример: Smart Kestral PCIe NVDIMM с поддержкой интерфейса PCIe 4.0.
• AGIGA — малоизвестная компания, разрабатывающая NVDIMM с акцентом на системы резервного питания, включая суперконденсаторы и батареи. Решения совместимы с DDR4/DDR5, например, AGIGA ArmourDrive DDR4 32 ГБ с функцией мгновенного сохранения данных. AGIGA играла большую роль в области создания контроллеров памяти NVDIMM, однако, решения не получили широкого распространения.

Рассмотрим несколько технологий, особенности которых аналогичны решениям NVDIMM:

• Intel Optane (3D XPoint) — энергонезависимые модули памяти от Intel, которые используют технологию 3D XPoint, сочетающую скорость DRAM с энергонезависимостью NAND. Оптимизированы для задач с интенсивными операциями записи, таких как базы данных и кэширование. Не требует резервного питания, так как данные сохраняются на уровне ячеек. Ранее технологии Intel Optane и NVDIMM активно конкурировали, однако, в настоящее время выпуск решений Optane полностью остановлен ввиду низкого спроса. 
• MRAM (Magnetoresistive RAM) — энергонезависимая память на основе магнитных элементов. Устраняет необходимость в резервном питании и копировании данных, так как сохраняет информацию при отключении энергии. MRAM имеет весьма серьезные недостатки — ограниченный объем памяти, высокие задержки и повышенное энергопотребление, ввиду чего технология не используется в корпоративных инфраструктурах. Однако, такие компании, как IBM и TSMC активно занимаются разработкой передовых форматов MRAM. Например, SOT-MRAM от TSMC обеспечивает задержки в 10 нс и потребляет в 100 раз меньше энергии, чем DRAM.
• ReRAM (резистивная память с произвольным доступом) — альтернатива технологии NVDIMM с низким энергопотреблением и меньшими задержками, основанная на использовании диэлектрика между электродами, формирующего токопроводящие нити или разрушающего их в зависимости от режима работы ReRAM. В 2013 году компаниями SanDisk и Toshiba был представлен модуль ReRAM памяти объемом 32 ГБ, а в 2014 году компания Sony представила модуль ReRAM памяти объемом 16 ГБ. ReRAM требует использования редких материалов (например, оксидов гафния или тантала) и сложных процессов нанесения слоев, вследствие чего технология практически не используется в современных вычислительных системах.
• FRAM (ферроэлектрическая память с произвольным доступом) — память на основе сегнетоэлектрических материалов, которые сохраняют поляризацию даже при отсутствии питания. Такая память выдерживает до 100 триллионов циклов перезаписи, что в миллионы раз превышает возможности NAND, а также не требует предварительного стирания данных, как флеш-память, не деградирует и может работать в экстремальных температурных условиях. Однако, для создания FRAM необходимы дорогостоящие сегнетоэлектрические пленки, а также они очень чувствительны к электромагнитным помехам, а их емкость на данном этапе развития ограничена 4 МБ, что исключает их использование в современных вычислительных системах.

NVDIMM остаются нишевым решением из-за ряда технических и экономических факторов. Во-первых, высокая стоимость (в 3–5 раз дороже обычной DRAM) делает их невыгодными для массового применения. Во-вторых, ограниченная емкость (особенно у NVDIMM-N, где максимальный объем не превышает — 32–128 ГБ) не подходит для задач обработки больших объемов данных. Тем не менее, технология все же остается востребованной, но лишь в узких сегментах рынка, таких как финансы, военные и научные инфраструктуры, где потеря данных недопустима.

NVDIMM — это один из самых перспективных форматов оперативной памяти, который по разным причинам не нашел широкого покупателя. Тем не менее, пользователи NVDIMM-памяти все же есть, и к ним относятся не просто коммерческие, а критически важные инфраструктуры, что может мотивировать разработчиков NVDIMM создавать новые, высокотехнологичные и энергонезависимые модули памяти, чтобы выйти на более массовый рынок.