3D XPoint – der Kern von Intel Optane
Optane ist der Markenname von Intel für die gesamte Produktkollektion, die auf dem 3D XPoint-Speicher des Unternehmens basiert, einer in Zusammenarbeit mit Micron entwickelten Technologie. Trotz ihrer Vielfalt ist diese Art von Medien das, was sie alle gemeinsam haben.
3D XPoint ist eine weitere Form des nichtflüchtigen Solid-State-Speichers, der viel schneller und langlebiger sein soll als herkömmlicher NAND-Flash. In Bezug auf die Leistung kann er mit dynamischem RAM (DRAM) verglichen werden, wodurch er die meisten Rechenprozesse beschleunigen kann. Während DRAM jedoch temporär ist, behält 3D XPoint die Daten auch nach dem Ausschalten des Systems bei. Und preislich liegt er zwischen teurem DRAM und relativ günstigem NAND.
Die Architektur von 3D XPoint unterscheidet sich von anderen Flash-Lösungen. Sein spezielles Design vereinfacht den Betrieb mit Speicherzellen erheblich, ermöglicht effizientere Leistung, geringeren Stromverbrauch und die Unterbringung von mehr Speicher auf demselben Raum. Außerdem ist 3D XPoint weniger der Abnutzung durch intensives Schreiben ausgesetzt. Diese einzigartigen Eigenschaften erweitern die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie in verschiedenen Produkttypen.
Typen von Intel Optane-Produkten
Die Verwirrung rund um Optane ist höchstwahrscheinlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Produkte, die diesen Namen tragen, ihrem Wesen nach unterschiedlich sind und daher in verschiedene Kategorien fallen. Der Hauptunterschied zwischen ihnen liegt in der Hardware und Software, mit der das 3D XPoint-Medium kombiniert wird. Sie bestimmen die Rolle des Optane-Geräts im System und seine Funktionalität.
Erstens kann Optane durch ein kleines Cache-Laufwerk dargestellt werden, das in Verbindung mit einem langsameren Speichergerät wie einer herkömmlichen SATA-Festplatte gebraucht wird. Solcher Cache kann in ein Hybrid-Speicher-Modul integriert werden und dort ein größeres NAND-basiertes Solid-State-Laufwerk ergänzen. Zudem kann Optane als schnelles eigenständiges Laufwerk zum dauerhaften Speichern verwendet werden. Und schließlich gibt es speicherorientierte Optane-Produkte, die neben DRAM-Modulen eingesetzt werden.
Schauen wir uns die einzelnen Arten von Optane-Geräten genauer an und erkunden wir die Art und Weise, wie sie benutzt werden.
Intel Optane-Cache-Laufwerk
Diese Art von Optane-Geräten war tatsächlich das erste Produkt auf Basis von 3D XPoint, das auf den Markt kam. Sie wird hauptsächlich durch die Serien Intel Optane Memory und Intel Optane Memory M repräsentiert. Optane-Caching-Module sehen genauso aus wie moderne PCIe-NVMe-SSDs im M.2-Formfaktor. Sie sind in relativ kleinen Kapazitäten von bis zu 64 GB erhältlich. Das Board kann vorinstalliert in einem PC geliefert oder im Rahmen eines Upgrades hinzugefügt werden.
Bild 1. Cache-Laufwerk der Intel Optane Memory-Serie.
Solches Modul soll parallel zum Primärspeicher des Systems betrieben werden, beispielsweise einer rotierenden Festplatte oder einer SATA-SSD mit niedrigerer Geschwindigkeit. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Leistung des Computers zu beschleunigen, indem es die am häufigsten aufgerufenen Dateien und Anwendungen zwischenspeichert. Wenn häufig gebrauchte Daten auf einem schnellen Gerät gespeichert sind, können tägliche Aufgaben viel schneller erledigt werden. Der maximale Nutzen kann bei der Verarbeitung einer großen Menge kleiner Dateien erwartet werden.
Um zu bestimmen, was vor allem anderen zwischengespeichert werden muss, greift es auf die Software und den Treiber der Rapid-Storage-Technologie (RST) von Intel zurück. Sie überwachen die Häufigkeit der Anfragen, um zu entscheiden, welche Daten in den Cache verschoben werden und welche ersetzt werden, wenn er voll ist. Somit befindet sich ein Teil der Benutzerdateien und Betriebssystemelemente auf dem Optane-Laufwerk, ohne unbedingt in den Primärspeicher kopiert zu werden. In der Zwischenzeit werden einige Optane-Metadaten am Ende des primären Laufwerks platziert.
Bei aktivierter Beschleunigung werden beide Laufwerke ähnlich wie RAID 0 zu einem einzigen virtuellen Volumen zusammengefasst und können nicht getrennt werden. Das Ergebnis erscheint im Betriebssystem als Intel Optane-Speicher-Volumen mit der Kapazität der primären Festplatte oder SSD.
Bild 2. Intel Optane-Cache-Laufwerk mit einer regulären Festplatte.
Wenn man die Funktion deaktiviert, werden die Daten auf das primäre Laufwerk verschoben, der Optane-Cache gelöscht und die Metadaten entfernt. Die Laufwerke werden dann als einzelne Geräte angezeigt.
Bild 3. Intel Optane-Cache-Laufwerk und eine reguläre Festplatte mit deaktivierter Beschleunigung.
Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Technologie nur auf einem Computer eingesetzt werden kann, der ihre strengen Hardware- und Softwareanforderungen erfüllt. Dazu gehören unter anderem:
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ein kompatibler Intel-Prozessor;
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ein Motherboard, das Intel Optane-Speicher unterstützt;
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ein M.2-Steckplatz, der dem NVMe-Protokoll entspricht;
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die richtigen BIOS/UEFI- und Betriebssystemversionen;
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der entsprechende RST-Treiber und das Softwarepaket.
Besonderes Augenmerk sollte auch auf die BIOS/UEFI-Einstellungen des Computers gelegt werden. Der im BIOS/UEFI verfügbare SATA-Controller-Modus-Parameter muss als "RAID" oder "Intel RST" anstelle von "AHCI" ausgewählt werden. Die Änderung des Modus ist auch dann erforderlich, wenn kein RAID als solches erstellt werden soll, da Optane-Speicher selbst auf einer RAID-ähnlichen Konfiguration basiert. Der M.2-Steckplatz, in dem sich das Cache-Laufwerk befindet, muss ebenfalls im System erkannt werden.
Intel Optane-Hybrid-Speicher
Optane-Hybrid-Speichergeräte funktionieren auf ähnliche Weise. Allerdings ist der zuvor beschriebene Optane-Cache mit einer weiteren Intel-SSD auf einem einzigen M.2-Board kombiniert. Das Modul wird in der Regel vorinstalliert in die Systeme verschiedener großer Hersteller geliefert. Während der Optane-Teil des Moduls auf 3D XPoint basiert, nutzt das andere Laufwerk die QLC NAND-Flash-Speichertechnologie. Solches Design bildet die Grundlage für die Intel Optane Memory H10- und H20-Serien.
Bild 4. Hybrid-Laufwerk der Intel Optane Memory H20-Serie.
Der Optane-Cache soll hier die Defizite von QLC NAND bei Leistung und Haltbarkeit ausgleichen. Gleichzeitig belegt das Board nur einen M.2-Steckplatz und wenig Platz, was die Implementierung der Caching-Funktion in Geräten mit begrenztem Platzangebot wie Laptops und Ultrabooks ermöglicht.
Der Teil des Moduls mit QLC NAND-Flash befindet sich näher am M.2-Anschluss. Er ist mit einem SM-Controller, DRAM- und NAND-Paketen ausgestattet. Die Optane-Seite umfasst einen kleinen Intel Optane-Controller, ein 3D XPoint-Speicherpaket und Energieverwaltungskomponenten. Jeder Teil des Moduls verfügt über zwei dedizierte PCIe-Lanes.
Bild 5. Layout des Intel Optane-Hybrid-Laufwerk-Moduls.
Beide Laufwerke des Moduls arbeiten unabhängig voneinander, ohne direkt miteinander zu kommunizieren. Der bereits erwähnte RST-Treiber (Rapid Storage Technology) von Intel übernimmt das gesamte Caching und lässt sie ähnlich wie RAID 0 als eine Einheit erscheinen. Wenn die Beschleunigung deaktiviert ist, werden die Teile des Moduls als einzelne Geräte behandelt.
In Bezug auf die Funktionalität entspricht solche Konfiguration genau dem Standard-Optane-Speicher mit separater SSD. Aufgrund seines besonderen Aufbaus müssen jedoch noch strengere Systemanforderungen erfüllt werden, damit es ordnungsgemäß funktioniert. Neben den zuvor genannten Punkten benötigt es einen speziellen M.2-Steckplatz, der die sogenannte Bifurkation unterstützen muss. Um sowohl die Optane- als auch die QLC-NAND-Komponenten zu hosten, sollte er vier PCIe-Lanes bereitstellen und diese in zwei Sätze zu je zwei Lanes aufteilen können. Ohne entsprechende Unterstützung wird nur der QLC-NAND-Teil des Geräts erkannt.
Eigenständige Intel Optane-SSD
Intel bietet auch reine Optane-SSDs an, die als superschneller permanenter Speicher dienen können. Bei einem solchen Gerät handelt es sich im Wesentlichen um einen 3DX-Point-Speicher, der in den Formfaktor M.2, 2,5-Zoll-U.2 oder PCIe-Zusatzkarte integriert ist. Ihre Kapazitäten reichen von 58 GB bis 3,2 TB. Es gibt mehrere SSD-Produktlinien, die sich an den Verbrauchermarkt und Unternehmen richten, diese unterscheiden sich jedoch eher in ihren Preisen und ihrer Haltbarkeit als im Layout.
Bild 6. Intel Optane-SSD im M.2-Formfaktor.
Optane-SSDs sind im Vergleich zu NAND-basierten Optionen sehr kostspielig, wodurch sie besser für PC-Enthusiasten und Hochleistungsserverumgebungen geeignet sind. Ihre Kompatibilität ist jedoch mit der der meisten NVMe-SSDs vergleichbar. Mit geeigneten Treibern können sie in einer Vielzahl von Systemen arbeiten, im Gegensatz zu anderen Arten von Optane-Produkten, die in ihren Anforderungen äußerst wählerisch sind.
Persistenter Intel Optane-Speicher
Eine weitere Form von Optane wird durch die Intel Optane DC Persistent Memory-Serie repräsentiert. Sie bringt 3D XPoint auf Speichersticks im DDR4-Formfaktor. Solche Module passen in DDR4-DIMM-Sockel auf kompatiblen Server-Motherboards, die traditionell für flüchtigen Speicher gebraucht werden. Sie verfügen über Kapazitäten von bis zu 512 GB, was deutlich mehr ist als typische DDR4-Module mit 16-64 GB.
Anscheinend kann solches Modul DRAM nicht ersetzen. Stattdessen kann es die vorhandene Speicherkonfiguration mit zusätzlicher Kapazität zu einem günstigeren Preis ergänzen. Obwohl es langsamer als DRAM ist, kann es durch Caching auch die Gesamtleistung verbessern.
Die Besonderheiten der Datenwiederherstellung auf Intel Optane-Geräten und das mithilfe des Softwareprodukts UFS Explorer durchgeführte genaue Verfahren werden im entsprechenden Artikel erläutert.
Die beschriebene Technologie wird für die Datenwiederherstellung und den Datenzugriff von den folgenden Softwareprodukten unterstützt:
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UFS Explorer Professional Recovery Volle Unterstützung
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Recovery Explorer Professional Volle Unterstützung