Intel Optane Memory

Optane Memory è il più recente tentativo intrapreso da Intel per promuovere un progetto che l’azienda americana sta sviluppando e affinando da molti anni, ma che fino ad oggi non ha mai riscosso un successo pieno: stiamo parlando delle soluzioni identificate come SSD caching, ovvero di quelle tecnologie che fanno leva sulle caratteristiche delle memorie allo stato solido per accelerare le operazioni su supporti tradizionali e più lenti come gli HDD. L’obiettivo è fondere il meglio di due mondi: da un lato la tecnologia allo stato solido che offre alta velocità, ma spazio di archiviazione ridotto e dall’altro la tecnologia magnetica che offre alte capacità a basso costo, ma prestazioni limitate.

Se leggendo queste prime righe avete avvertito una sensazione di dejavu sappiate che è tutto normale. Come abbiamo già anticipato, infatti, il progetto Optane Memory affonda le proprie radici in un terreno tutt’altro che inesplorato, prendendo spunto da idee già sperimentate in più riprese a partire dal 2007. Proprio dieci anni fa hanno fatto la comparsa sul mercato i primi dischi ibridi – noti anche come SSHD – targati Samsung (SpinPoint MH80) e Seagate (Momentus PSD); entrambi i modelli, proposti nel formato da 2,5 pollici, abbinavano un disco magnetico con capacità fino a 160 Gbyte a una cache da 128 e 256 Mbyte di memoria flash. A distanza di breve tempo questi dischi sono stati seguiti da una prima implementazione a livello di sistema della tecnologia Intel Turbo Memory, nota con il nome in codice Robson NVM Cache Technology. Questa consisteva di un modulo di memoria flash Nand – collegato alla scheda madre – con capacità variabile da 64 Mbyte a 4 Gbyte in grado di eseguire il pre-caching delle informazioni memorizzate nel disco magnetico di sistema attraverso l’impiego di un controller e di un driver appositamente sviluppati per identificare i dati maggiormente utilizzati dall’utente. Dopo un primo slancio iniziale da parte dei produttori, queste tecnologie non sono state in grado di ritagliarsi uno spazio all’interno del mercato: sui sistemi portatili economici i dischi magnetici sono rimasti ancora la soluzione preferita dai produttori in quanto permettono di ridurre al minimo i costi, mentre sui sistemi portatili di fascia più alta la tecnologia vincente è stata quella degli SSD puri. All’interno dell’ecosistema Apple queste tecnologie sono state declinate nella soluzione Fusion Drive che ancora oggi è disponibile come opzione sui sistemi iMac e che è indirizzata in modo specifico a chi cerca un compromesso tra capacità di archiviazione e velocità di accesso ai dati.

Il mancato successo a lungo termine delle precedenti tecnologie di SSD caching è dipeso da più fattori, primo tra tutti il fatto che all’epoca delle prime implementazioni era uno dei tanti fattori ad influire sulle prestazioni del sistema, ma non il principale collo di bottiglia sul quale intervenire. L’incremento delle prestazioni dei processori e delle schede grafiche, così come l’incremento delle dimensioni e della complessità dei contenuti multimediali ha cambiato in modo radicale l’equilibrio tra i diversi componenti di un computer, tanto che oggi il supporto di archiviazione dei dati è l’elemento che limita in modo preponderante le prestazioni e la reattività di un computer.

Optane Memory è la soluzione di accelerazione proposta da Intel per il mercato desktop e alla cui base troviamo la tecnologia 3D XPoint; questa consiste di un tipo di memoria non volatile che nei progetti dell’azienda americana pone le fondamenta per una nuova generazione di prodotti destinati sia al mondo enterprise sia a quello consumer. A dispetto della presenza della parola Memory all’interno del nome, questo prodotto non è un NVDIMM (Non-Volatile Dual In-line Memory Module) e non è una soluzione alternativa alle memorie Dram; ancora l’Intel Optane Memory non è una soluzione alternativa a dischi mainstream allo stato solido in quanto è disponibile sono in tagli di capacità da 16 e 32 Gbyte.

Memoria 3D XPoint

Alla base di Optane Memory troviamo la memoria 3D XPoint (Cross Point) nata dalla collaborazione tra Intel e Micron e annunciata nel 2015. Per comprendere quali sono le motivazioni che hanno portato allo studio di questa tecnologia, analizziamo i punti di forza e i limiti delle soluzioni di memoria impiegate fino ad oggi in ambito consumer, ovvero quella Dram e quella Nand.

La tecnologia Dram permette di realizzare uno spazio di parcheggio per i dati con un’elevata velocità di accesso a supporto del processore di sistema, è caratterizzata da una latenza di accesso nell’ordine dei nanosecondi e da un ciclo di vita pressoché illimitato; per offrire tali vantaggi la tecnologia Dram è però imbrigliata da alcuni vincoli costruttivi: richiede l’utilizzo di celle di memoria di grandi dimensioni, ha un consumo energetico elevato e, soprattutto, è una memoria di tipo volatile, ovvero non è in grado di conservare le informazioni al proprio interno quando non è alimentata.

La Nand, invece, è una tecnologia di memoria non volatile e caratterizzata da un’architettura molto più efficiente che permette di ottenere grandi capacità di archiviazione a un costo ridotto. In questo caso i limiti consistono in una durata limitata delle celle di memoria che per la loro natura si usurano durante i cicli di scrittura e in una maggiore latenza sia in fase di lettura e soprattutto di scrittura rispetto alla tecnologia Dram.

L’obiettivo della tecnologia 3D XPoint è quello di colmare il divario tra Dram e Nand offrendo in un’unica soluzione tecnica una bassa latenza di accesso – sia in lettura sia in scrittura – e un’elevata durata nel tempo del supporto di archiviazione. Come annunciato già nel 2015 sia da Intel sia da Micron, la memoria 3D XPoint non è concepita per sostituire le attuali Dram e Nand, bensì per essere una soluzione complementare che combina la non volatilità dei dati con prestazioni elevate e con una lunga durata nel tempo. Per ottenere questo risultato le memorie 3D XPoint di prima generazione sono realizzate con un processo produttivo a 20 nanometri, così da ottenere celle di memoria grandi a sufficienza per garantire una maggiore resistenza ai cicli di scrittura rispetto alle più compatte memorie Nand che oggi sono prodotte a 14 o 12 nanometri.

In questo schema potete osservare come è realizzata l’architettura delle celle di memoria 3D XPoint.

Sulla carta la struttura e il funzionamento delle memorie 3D XPoint è molto semplice. L’elemento di base è costituito da un selettore e da una cella di memoria accoppiati tra loro. Lo sviluppo della struttura tridimensionale si ottiene sovrapponendo più strati: il primo, denominato wordline, è composto da linee elettriche parallele tra loro; il secondo è composto da elementi base posti lungo le linee elettriche, mentre il terzo strato, denominato bitline, è composto sempre da linee elettriche perpendicolari tra loro ma orientate in modo ortogonale rispetto a quelle del primo strato. In questo modo si ottiene un sandwich nel quale le singole celle di memoria si trovano in corrispondenza delle maglie della griglia ortogonale generata dalle linee elettriche presenti sullo strato sotto e sopra lo strato delle celle di memoria. Applicando una differenza di potenziale predefinita su singoli percorsi presenti negli strati wordline e bitline si attiva uno specifico selettore che accende la corrispondente cella di memoria per l’operazione di scrittura oppure di lettura; da questo particolare sistema di funzionamento deriva il nome crosspoint: la cella di memoria attiva è quella all’intersezione dei segnali inviati sulle diverse linee degli strati wordline e bitline.

Questo tipo di struttura può essere estesa sovrapponendo una sequenza di strati così da creare pile di celle di memoria su più livelli e raggiungibili attivando le specifiche linee elettriche sugli strati wordline e bitline di competenza. Lo sviluppo tridimensionale permetterà in futuro di incrementare la densità di archiviazione delle informazioni; oggi, la prima generazione di memorie 3D XPoint impiega una struttura a due livelli, molto pochi rispetto ai 32 e 48 livelli che caratterizzano le memorie 3D Nand attualmente in commercio. Tuttavia è necessario ricordare che l’architettura delle memorie 3D XPoint è molto differente da quella delle memorie 3D Nand.

La produzione delle memorie 3D Nand avviene depositando in modo alternato uno sopra l’altro strati di materiale conduttivo e strati di materiale isolante; solo quando tutti gli strati sono stati depositati si procede a una definizione litografica delle celle di memoria. Nel caso delle memorie 3D XPoint ogni strato che compone l’architettura deve essere disegnato e inciso a livello litografico prima che si possa procedere alla costruzione dello strato successivo. Questo implica una maggiore complessità e un maggior tempo di realizzazione, ma tutto ciò lascia aperto un ampio margine di incremento della densità di dati che possono essere archiviati rispetto a quanto permetterebbe un approccio puramente litografico.

https://youtu.be/rGVWS-30ypc

Ecosistema Intel Optane Memory

Per avvalersi della nuova tecnologia Intel Optane Memory è necessario possedere tutti i componenti che permettono di creare una piattaforma in grado di supportarla. Ciò significa che oltre al modulo Optane Memory è necessaria una scheda madre basata su uno dei chipset Intel di ultima generazione (Intel Z270, H270 o B250) e un processore Intel Core di settima generazione con architettura Kaby Lake.

Sottolineiamo questo aspetto in quanto, come abbiamo spiegato negli articoli dedicati alla più recente piattaforma Intel per desktop, i processori Intel Core di settima generazione (Kaby Lake) possono essere installati anche su schede madri con chipset Intel della serie 100 introdotti sul mercato in abbinamento ai processori Intel Core di sesta generazione (Skylake); in modo analogo i processori di sesta generazione possono essere utilizzati anche sulle piattaforme di nuova generazione con chipset Intel della serie 200. Nel primo e nel secondo caso, rispettivamente il chipset e il processore non integrano le tecnologie necessarie per utilizzare il modulo Optane Memory. Per raggiungere lo scopo, infatti, Intel ha implementato un maggior numero di linea I/O dedicate sia nei processori Kaby Lake sia nei chipset della serie 200. Solo combinando questi due componenti si ottiene quindi la corretta corrispondenza delle linee I/O necessarie a rendere operativo il modulo Optane Memory.

Intel Optane Memory

Optane Memory nasce dalla combinazione della tecnologia di memoria 3D XPoint con un set di soluzioni hardware e software proprietarie di Intel. Queste ultime consistono di un controller, di un firmware, di un driver e di una applicazione software che si occupano di creare il volume accelerato e di gestirne il flusso dati.

Il modulo Intel Optane Memory vero e proprio. Il formato è identico a quello di un disco Ssd in standard M.2. Questo è il modello con una capacità di 32 Gbyte.

Il processo di accelerazione prevede la creazione un volume Raid tra il disco di sistema e il modulo Optane Memory. Il software di Optane Memory è un elemento molto importante in quanto si occupa non solo di costruire il volume Raid tra disco e modulo Optane Memory, ma anche e soprattutto di analizzare le modalità e la frequenza con le quali l’utente accede ai dati. Questo algoritmo di analisi permette di affinare la selezione dei dati che è preferibile archiviare sul modulo Optane Memory per garantire una maggiore velocità di accesso alle informazioni utilizzate con maggiore frequenza.

Il modulo Intel Optane Memory è accoppiato in modo permanente a un solo disco durante la fase di configurazione; ciò significa che l’accelerazione avviene su una singola unità e non a livello generale di sistema: se avete più dischi meccanici, quindi, solo quello accoppiato al modulo Optane Memory sarà più veloce.

Installazione

La tecnologia Intel Optane Memory permette di accelerare il disco di sistema sul quale è installato il sistema operativo e quindi quello che serve per l’avvio del computer. Questo è al momento il principale limite di questa soluzione in quanto non permette di accelerare un disco secondario qualora nel sistema sia già presente un disco di boot molto veloce. Tale scenario si verifica in moltissime configurazione desktop dove l’utente adotto un disco SSD per l’avvio del sistema e delle applicazioni e un disco magnetico (HDD) molto capiente per archiviare i dati più ingombranti come fotografie, video, film e altre tipologie di documenti.

Con queste premesse, Optane Memory si configura come soluzione ideale quando si utilizza un disco magnetico di grande capacità come unico disco di sistema, così da accelerare sia l’avvio delle applicazioni sia quello di accesso ai dati.

Al momento Intel non ha rilasciato indicazioni in merito al possibile utilizzo futuro della tecnologia Optane Memory su dischi secondari, anche se dal nostro punto di vista questa sarebbe la scelta ottimale per soddisfare la più grande platea di utenti. Se lo scenario non dovesse cambiare, Optane Memory potrebbe configurarsi come la soluzione Intel per i sistemi desktop di fascia economica e intermedia, lasciando agli SSD con tecnologia Optane il compito di attirare gli utenti di fascia più alta.