La الذاكرة الدائمة (PMEM)، وتحديداً Intel Optane لقد كسروا النموذج التقليدي القائل بأن الذاكرة سريعة ولكنها متطايرة، بينما التخزين بطيء ولكنه دائم. في السنوات الأخيرة، رسّخوا مكانتهم كمكون وسيط رئيسي بين ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) ومحركات الأقراص الصلبة التقليدية. وهذا يعني سعة أكبر، واستمرارية أطول، وتكلفة معقولة أكثر لكل جيجابايت.
في هذه المقالة سوف نتعمق فيها كيف تعمل تقنية PMEM، وما هو الأداء الذي تقدمه مقارنة بتقنيتي DRAM و NAND؟لماذا يُعد هذا الأمر مثيرًا للاهتمام للغاية بالنسبة لأحمال العمل الحديثة (قواعد البيانات في الذاكرة، والمحاكاة الافتراضية، والتحليلات، نماذج الذكاء الاصطناعي(5G، الحافة، إلخ.) وفي أي حالات استخدام واقعية يحدث فرقًا واضحًا في التكلفة الإجمالية للملكية، وزمن الاستجابة، وقابلية التوسع.
من التسلسل الهرمي الكلاسيكي لتخزين الذاكرة إلى عصر PMEM
على مدى عقود، استندت هندسة النظم إلى تسلسل هرمي صارم: ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية في الأعلى، ومحرك الأقراص ذو الحالة الصلبة/محرك الأقراص الصلبة في الأسفلتوفر ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) زمن استجابة فائق السرعة (بالنانو ثانية) ونطاق ترددي هائل. لكن يعيبها أنها متقلبة، باهظة الثمن، ومحدودة السعة. أما محركات الأقراص الصلبة ذات الحالة الصلبة (SSD) ومحركات الأقراص الصلبة الميكانيكية، فهي رخيصة وذات كفاءة عالية، وإن كانت أبطأ.
لطالما كانت العقبة الرئيسية أمام مهندسي النظم هي تحقيق التوازن بين القدرة والأداء والتكلفةإذا ملأتَ الخادم بذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM)، سيرتفع الأداء بشكل ملحوظ، لكن التكلفة سترتفع بشكل كبير، وستصل سريعًا إلى حدود السعة القصوى. أما إذا اعتمدتَ على محركات الأقراص الصلبة (SSD) أو محركات الأقراص الصلبة التقليدية (HDD)، فستحصل على سعة تخزين كبيرة بسعر مناسب، لكن زمن الاستجابة سيؤثر سلبًا على أداء التطبيقات الحساسة لعمليات الإدخال/الإخراج العشوائية وأوقات الاستجابة المتوقعة.
وفي هذا السياق، يدخل ما يلي حيز التنفيذ إنتل أوبتين وذاكرة إنتل أوبتين الدائمة (PMEM). لا تعتمد هذه التقنية على ذاكرة فلاش NAND، بل على مادة متغيرة الطور ذات خلايا قابلة للعنونة بشكل فردي (3D XPoint). هدفها الرئيسي هو سد الفجوة بين ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) ومحركات الأقراص الصلبة SSD. وفيما يلي أهم مزاياها:
- زمن استجابة منخفض للغاية ومستقر (أقل بكثير من ذاكرة NAND، وأعلى قليلاً من ذاكرة DRAM).
- استمرارية البيانات حتى بدون طعام.
- قدرات هائلة لكل وحدة (128، 256، 512 جيجابايت لكل وحدة DIMM).
- التكلفة لكل جيجابايت أقل بكثير من تكلفة ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM).، مع أفضل تكلفة إجمالية للملكية.
يُتيح ذلك إعادة تصميم التسلسل الهرمي للذاكرة والتخزين في مركز البيانات، بما في ذلك دمج طبقة وسيطة تجمع بين سعة عالية، وإمكانية الوصول عن طريق التحميل/التخزين، وعدم التقلببمعنى آخر، يمكنك تقريب البيانات "الكبيرة" إلى وحدة المعالجة المركزية دون الحاجة إلى دفع ثمن كل شيء في ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM).
أنواع حلول أوبتان ودورها في البنية
قامت شركة إنتل ببناء مجموعة واسعة من المنتجات حول تقنية أوبتين، مع تنسيقات وأنماط استخدام مختلفة للغاية لتلبية احتياجات محددة. بدءًا من تسريع الأقراص الميكانيكية وصولًا إلى إنشاء قواعد بيانات ضخمة بالكامل في الذاكرة الدائمة.
فيما يتعلق بالتخزين التقليدي، محرك أقراص الحالة الصلبة Intel Optane تتصل هذه الأقراص عبر منفذ PCIe/NVMe، وهي مصممة خصيصًا لتخزين البيانات النشطة، والتخزين المؤقت، وتسجيل العمليات في مراكز البيانات. وتُعدّ طرازات مثل Intel Optane SSD P5800X من أسرع أقراص SSD في العالم للاستخدام المؤسسي. فهي توفر زمن استجابة منخفضًا للغاية، وعمرًا طويلًا جدًا، وأداءً مستدامًا للقراءة والكتابة حتى مع انخفاض عدد الطلبات في قائمة الانتظار وأحمال العمل المتنوعة.
بالإضافة إلى ذلك ، هناك ملف ذاكرة أوبتان بتنسيق M.2صُممت لأجهزة الكمبيوتر الشخصية، وهي تعمل كطبقة تخزين مؤقت بين وحدة المعالجة المركزية ووحدات التخزين الأبطأ (HDD، SSHD، أو حتى بعض محركات أقراص الحالة الصلبة SATA)، حيث تقوم بتخزين البيانات والبرامج المستخدمة بشكل متكرر بذكاء حتى تتمكن من بدء التشغيل وفتح التطبيقات والوصول إلى ملفاتك بشكل أسرع بكثير دون الحاجة إلى استبدال القرص الصلب الميكانيكي بالكامل.
لكن التغيير الحقيقي في اللعبة يكمن في... ذاكرة Intel Optane الدائمة بتنسيق DIMM. حل مصمم ليتم تركيبه في نفس قنوات ذاكرة DDR المستخدمة في ذاكرة DRAM في الخوادم المزودة بمعالجات Intel Xeon Scalable المتوافقة. يمكن لهذه الوحدات العمل في أوضاع مختلفة، والتصرف كذاكرة متطايرة أو دائمة حسب التكوين، وتتجاوز سعتها بكثير سعة وحدات DRAM DIMM التقليدية.
من حيث الأرقام، بينما تتراوح سعة ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) النموذجية من 4 إلى 32 جيجابايت لكل وحدة (مع بعض الحالات التي تصل إلى 64/128 جيجابايت بتكاليف عالية)، تصل سعة وحدات الذاكرة PMEM DIMM إلى 512 جيجابايت لكل وحدةيتيح لك هذا بناء أجهزة مزودة بعدة تيرابايت من التخزين يمكن الوصول إليها مباشرة من وحدة المعالجة المركزية للتحميل/التخزين، دون الحاجة إلى استخدام محركات الأقراص الصلبة SSD لتخزين الجزء الأكبر من البيانات في الذاكرة.
مقارنة بين ذاكرة PMEM وذاكرة DRAM: الأداء والتكاليف وأنماط الاستخدام
أحد الأسئلة الشائعة هو كيف تتم المقارنة أداء PMEM مقابل DRAMمن حيث زمن الاستجابة وعرض النطاق الترددي فقط، لا تزال ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) أسرع. لكن يكمن المفتاح في المفاضلة بين الأداء والتكلفة والسعة، وإمكانية تصميم بنى هجينة.
يمكن لذاكرة Optane الدائمة أن تعمل في عدة أوضاع رئيسية:
- وضع الذاكرة (متطاير). يتعامل النظام معها كذاكرة إضافية، يديرها متحكم الذاكرة إلى جانب ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM). لا يتم الاحتفاظ بالبيانات بين عمليات إعادة التشغيل، ولكنك تحصل على سعة تخزين هائلة بتكلفة أقل مما لو كنت تستخدم ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) فقط.
- وضع التطبيق المباشر (مستمر). تصل التطبيقات (قواعد البيانات، ومحركات الذاكرة، وما إلى ذلك) بشكل صريح إلى المناطق الدائمة، باستخدام واجهات برمجة تطبيقات محددة، مما يحافظ على البيانات الهامة حتى بعد انقطاع التيار الكهربائي.
- الوضع المختلط. يتم تخصيص جزء من PMEM لتوسيع الذاكرة السريع ويتم عرض جزء آخر كمساحة ثابتة.
في بيئات العالم الحقيقي، يتمثل المزيج النموذجي في استخدام ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) كطبقة تخزين مؤقت عالية السرعة وذاكرة PMEM كطبقة ذات سعة عالية. كلاهما مدمج في قناة DDR نفسها. بالنسبة للتطبيق، مع التكوين المناسب، يبدو أن لديك "كتلة كبيرة واحدة" من الذاكرة، ولكن داخليًا يعرف النظام و/أو البرنامج ما يبقى في DRAM وما يُخزن في PMEM بناءً على الأهمية والوصول.
يضمن هذا النهج أنه على الرغم من تتميز ذاكرة PMEM بزمن استجابة أعلى قليلاً من ذاكرة DRAMيُعدّ التحسن الإجمالي في التكلفة الإجمالية للملكية ملحوظًا: فمع وحدات أكبر حجمًا وأقل تكلفة لكل جيجابايت، يمكنك مضاعفة الذاكرة المتاحة لكل خادم، ودمج المزيد من أحمال العمل، وتشغيل المزيد من الأجهزة الافتراضية، وتوسيع حجم قواعد البيانات الموجودة في الذاكرة بشكل كبير دون تجاوز الميزانية. إنه أمرٌ في غاية السهولة.
المثابرة والأمان والموثوقية: ما وراء السرعة
من السمات المميزة لـ PMEM القدرة على الاحتفاظ بالبيانات بدون طاقةعلى عكس ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM)، التي تفقد جميع محتوياتها بمجرد إيقاف تشغيل الكمبيوتر، تحتفظ وحدات Optane بالمعلومات المخزنة، مما يضيف طبقة إضافية من المرونة ويقلل من أوقات الاسترداد بعد إيقاف التشغيل. انقطاع التيار الكهربائي.
ويصاحب هذا الإصرار ما يلي: آليات أمان إضافية لحماية البيانات المخزنة في الوحدات، وهو أمر بالغ الأهمية في البيئات التي تحتوي على معلومات مالية قيّمة، أو سجلات طبية، أو بيانات شخصية، أو نماذج ذكاء اصطناعي. إن القدرة على تشفير هذه المناطق الدائمة وإدارتها بشكل سليم، بالإضافة إلى قربها من وحدة المعالجة المركزية، يقلل من مساحة الهجوم مقارنةً بالحلول القائمة على الأقراص والتي تعتمد على طبقات متعددة من البرامج وحماية الشبكة.
علاوة على ذلك، فإن طبيعة تقنية 3D XPoint نفسها توفر مقاومة تفوق بكثير مقاومة ذاكرة NAND على مستوى دورة الكتابة، مما يجعلها مثالية للسيناريوهات التي تتضمن العديد من عمليات الكتابة العشوائية، وقوائم الانتظار القصيرة، وعمليات التسجيل، حيث تعاني محركات الأقراص الصلبة NAND SSD من المزيد من التآكل والتمزق وتكون أقل قابلية للتنبؤ.
سيناريوهات يُحدث فيها PMEM فرقًا واضحًا
لا تُعدّ ذاكرة Optane الدائمة حلاً واحداً يناسب الجميع، بل هي إجابة متطورة للغاية لـ بعض أعباء العمل الشاقةمن بين السيناريوهات التي يتم فيها اعتمادها على نطاق واسع ما يلي:
قواعد البيانات الموجودة في الذاكرة وتحليلات البيانات الضخمة
تعتمد العديد من منصات الجيل التالي على وجود مجموعات بيانات ضخمة مباشرةً في الذاكرة للاستجابة في أجزاء من الثانية. بدون تقنية الذاكرة الدائمة (PMEM)، يعني هذا ملء العُقد بكميات هائلة من ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM)، مما يزيد التكاليف ويقلل من كثافة البيانات في كل رف. مع تقنية الذاكرة الدائمة (PMEM)، يُمكنك إنشاء "قواعد بيانات ضخمة" في الذاكرة الدائمة، مع أوقات تشغيل أسرع بكثير (لا حاجة لإعادة تحميل جميع البيانات من القرص بعد إعادة التشغيل) وسعة تخزين لكل عقدة لم تكن تخطر على بال أحد قبل بضع سنوات فقط.
المحاكاة الافتراضية، والحاويات، والسحابة الخاصة
بفضل سعة الذاكرة الأكبر بكثير لكل خادم، يمكنك استضافة المزيد من الأجهزة الافتراضية والحاويات لكل مضيف، أو تخصيص المزيد من الذاكرة لكل منها، مما يقلل من تكاليف التبديل ويجعل عملية الدمج أكثر كفاءة. وهذا يؤثر بشكل مباشر على تكاليف الترخيص واستهلاك الطاقة ومساحة مركز البيانات الفعلية.
الحوسبة عالية الأداء (HPC) والذكاء الاصطناعي والتحليلات المتقدمة
تتطلب نماذج الذكاء الاصطناعي من الجيل التالي، وتدفقات البيانات الضخمة، والمحاكاة العلمية، التعامل مع كميات هائلة من البيانات المؤقتة والدائمة. ويساهم تخزين هذه البيانات في الذاكرة الدائمة (PMEM)، بدلاً من الاعتماد على التخزين الشبكي أو محركات الأقراص الصلبة (SSD) البعيدة، في تقصير دورات التدريب، وتحسين إنتاجية الباحثين، وتسريع الحصول على رؤى قابلة للتنفيذ.
الحوسبة الطرفية وشبكات الجيل الخامس
عندما تكون المساحة والطاقة وزمن الاستجابة عوامل حاسمة، فإن وجود المزيد من الذاكرة بالقرب من وحدة المعالجة المركزية مع إمكانيات الاستمرارية يسمح بنشر الخدمات المعقدة (التحليلات المحلية، ووظائف الشبكة الافتراضية، والذكاء الاصطناعي على الحافة) على عقد صغيرة الحجم، مما يقلل من الاعتماد على النواة والسحابة العامة.
محرك أقراص الحالة الصلبة Optane وذاكرة NAND من نوع TLC/QLC ذات 144 طبقة: الركيزة الأخرى
لا يقتصر عرض إنتل على ذاكرة PMEM فقط، بل يعتمد أيضاً على نطاق واسع جداً من محركات أقراص الحالة الصلبة Optane ومحركات أقراص الحالة الصلبة 3D NAND التي تُكمل الذاكرة الدائمة وتحسن التخزين على جميع مستويات مركز البيانات.
أما بالنسبة لتقنية Optane، فبالإضافة إلى وحدة P5800X لمراكز البيانات ووحدة H20 للعملاء، تُستخدم هذه الوحدات غالبًا كـ طبقات ذاكرة تخزين مؤقت فائقة السرعة أمام محرك أقراص الحالة الصلبة QLC NAND بسعة عالية جدًا. هذا التصميم الهجين يخفف من نقاط ضعف تقنية QLC (زمن الاستجابة، ومقاومة الكتابة العشوائية) ويزيد من كثافتها ويخفض تكلفتها لكل جيجابايت.
من ناحية أخرى، أبدت شركة إنتل التزاماً قوياً بتقنية ذاكرة NAND ثلاثية الأبعاد مع 144 طبقة في كل من TLC و QLCتمثل منتجات مثل SSD 670P (QLC ذو 144 طبقة للأنظمة السائدة)، وD7-P5510 (أول تصميم TLC ذو 144 طبقة لمراكز البيانات) أو D5-P5316 (QLC عالي الكثافة للغاية) قفزة كبيرة في السعة والكفاءة.
توفر تقنية QLC المكونة من 144 طبقة حوالي كثافة بت أعلى بنسبة 50% مقارنة بتقنية QLC ذات 96 طبقة. أربعة أضعاف قدرة التحمل لبعض الأجيال السابقة ذات 64 طبقة وموثوقية مماثلة لـ TLC، وكل ذلك بتكاليف أقل بفضل تحسين DRAM الداخلي وتحسينات التصميم الأخرى.
في مراكز البيانات، تتيح هذه الوحدات تقليصًا هائلاً في مساحة الأنظمة القائمة على محركات الأقراص الصلبة. وهناك وفورات كبيرة في الطاقة والتبريد والمساحةمع تحسين الأداء بفضل تقنيتي PCIe وNVMe. وعند دمجها مع طبقة Optane (SSD أو PMEM)، ينتج عن ذلك بنية هرمية أكثر تماسكًا: Optane كذاكرة تخزين مؤقتة للبيانات الساخنة وQLC كمخزن بيانات بارد أو بارد ضخم.
كيف يؤثر كل هذا على التكلفة الإجمالية للملكية وقابلية التوسع؟
أحد أكثر الأسئلة شيوعاً التي تطرحها الشركات على نفسها قبل الانتقال إلى هذه التقنيات هو ما هو التأثير الحقيقي الذي تحدثه على التكلفة الإجمالية للملكية (TCO)؟بالإضافة إلى سعر الوحدة أو الوحدة الفرعية، يجب مراعاة ما يلي:
- دمج الخوادم. زيادة الذاكرة وسرعة التخزين لكل عقدة تعني عددًا أقل من الأجهزة لنفس عبء العمل.
- تقليل وقت التوقف. إعادة التشغيل، وإعادة تحميل البيانات، وفترات الصيانة...
- توفير الطاقة والتبريد مقارنةً بمزارع الأقراص الصلبة أو البنى التحتية الكبيرة.
- تحسين الإنتاجية ووقت الاستجابة من التطبيقات الحيوية.
في العديد من المعايير الداخلية وحالات الاستخدام الواقعية، محرك أقراص Optane SSD لمراكز البيانات مقابل محرك أقراص 3D NAND SSD لقد أظهرت هذه التقنيات تحسينات في الأداء تصل إلى 60 ضعفًا في بعض العمليات الحساسة للتأخير وأحمال العمل المختلطة، مع أوقات استجابة أفضل تصل إلى 63 ضعفًا في سيناريوهات محددة. هذه القفزات النوعية، عند استغلالها بالشكل الأمثل، تسمح بإنجاز المزيد من العمل باستخدام نفس الخوادم، مما يوفر ميزانية للاستثمار في الابتكار والخدمات الجديدة.
يحدث شيء مشابه مع ذاكرة Optane DIMM الدائمة. على الرغم من أن تكلفة الجيجابايت الواحد لا تزال أعلى من تكلفة محرك أقراص الحالة الصلبة QLC، وهو أقل بكثير من مثيله في ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM). والأهم من ذلك كله، أنه يضاعف الحد الأقصى لسعة الذاكرة القابلة للاستخدام لكل خادم، مما يُحسّن بشكل ملحوظ التكلفة الإجمالية للملكية في البنى ذات الذاكرة العالية. هذا التوازن بين التكلفة والسعة والاستمرارية هو ما رجّح كفة انتشاره الواسع.
التأثير على المرونة والسلامة والعمليات اليومية
عندما يُعاد تصميم التسلسل الهرمي للذاكرة والتخزين باستخدام تقنية Optane وتقنية NAND ثلاثية الأبعاد المتقدمة، فإن الأداء ليس هو الشيء الوحيد الذي يتغير، بل يتحول أيضاً العمليات التشغيلية، والتعافي من الكوارث، وكيفية حماية البياناتبفضل مثابرة PMEM، أصبحت مهام مثل تشغيل قواعد البيانات الكبيرة أو مجموعات البيانات الموجودة في الذاكرة بعد إعادة التشغيل، تصبح الأمور أبسط بكثير.
السلامة: مزيج من التشفير من طرف إلى طرف على محركات أقراص الحالة الصلبة NAND (على سبيل المثال، Pyrite 2.0) تُمكّن إمكانيات حماية البيانات في Optane من إنشاء بنى تحتية تحمي البيانات سواءً كانت مخزنة أو أثناء نقلها داخل المنصة. وهذا يُساعد على تلبية اللوائح والأطر الأمنية دون التأثير سلبًا على الأداء.
الموثوقية: يُقلل الانتقال من مزارع الأقراص الصلبة الميكانيكية الكبيرة إلى حلول التخزين الفلاشي بالكامل، القائمة على تقنية QLC بالإضافة إلى Optane، بشكل كبير من معدل الأعطال المادية والتعقيدات المرتبطة بعمليات الاستبدال وإعادة بناء أنظمة RAID وفترات التوقف. ويعني انخفاض عدد الأجزاء المتحركة عادةً مشاكل أقل.
وأخيرًا، في العمليات اليومية، تكتسب فرق الأنظمة مرونة أكبر. إذ يمكنها تجربة... احتياطيات موارد قابلة للتوسيع، وطلب سعة "مستعارة" من مجموعات الموارد الأساسية، وتعديل مزيج DRAM/PMEM/SSD وفقًا لتطور الأحمال.
انقطاع ذاكرة Intel Optane وذاكرة PMEM الدائمة لقد مثّل هذا أول قفزة نوعية في مجال الذاكرة والتخزين منذ ربع قرن. لا يهدف هذا إلى استبدال ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) أو القضاء على محركات الأقراص الصلبة SSD، بل إلى سدّ الفجوة بينهما بذكاء. من خلال التكامل مع محركات أقراص Optane SSD، وذاكرة NAND من نوع TLC/QLC ذات 144 طبقة، ومعالجات Xeon Scalable، فقد تم إنشاء منصة متكاملة قادرة على نقل البيانات بسرعة أكبر، وتخزين كميات أكبر، ومعالجة أحمال العمل من الحافة إلى السحابة، مع نسبة أداء إلى سعر يصعب مضاهاتها في البنى التقليدية.
