Intel Optane PMem: Memory Mode und App Direct erklärt

Intel Optane bezeichnet eine Speichertechnik zwischen DRAM und Flash. Im Server begegnet sie Ihnen vor allem als Optane PMem (Persistent Memory): Module im DDR4-Format, die direkt neben dem Arbeitsspeicher stecken. Damit lassen sich mehrere Terabyte Hauptspeicher pro Server zu einem Bruchteil der DRAM-Kosten aufbauen. Dieser Ratgeber erklärt Memory Mode und App Direct, die Plattformvoraussetzungen und die Stolperfallen beim Bestücken.

Was ist Intel Optane PMem?

PMem nutzt statt DRAM-Zellen das Speichermedium 3D XPoint. Es behält seine Daten ohne Strom, ist aber byte-adressierbar wie RAM: Die CPU liest und schreibt einzelne Cache-Zeilen, nicht ganze Blöcke wie bei einer SSD. Die Latenz liegt mit einigen hundert Nanosekunden über der von DRAM, aber weit unter der einer NVMe-SSD. Jedes Modul hat einen eigenen Controller, der den Verschleiß verteilt und die Daten verschlüsselt.

Es gibt drei Größen: 128, 256 und 512 GB. Gängige DDR4-RDIMMs haben 32 oder 64 GB; wer 128 GB pro Steckplatz will, braucht sonst teure LRDIMMs. Alle Module finden Sie in der Kategorie Intel Optane PMem.

Generationen und passende CPUs

Die häufigste Stolperfalle bei PMem 100 ist die CPU. Unterstützt werden nur Platinum 82xx, Gold 62xx und 52xx sowie als einziger Silver der 4215. Ein Silver 4214, die Bronze-Modelle und die gesamte 1. Generation (Gold 61xx, Silver 41xx) scheiden aus. Ein Xeon Gold 6248 ist dagegen eine typische Wahl. Sobald PMem 100 verbaut ist, laufen die Speicherkanäle mit 2666 MT/s, auch wenn CPU und DRAM 2933 schaffen würden.

Optane Memory Mode: viel RAM, aber flüchtig

Im Memory Mode sieht das Betriebssystem nur die PMem-Kapazität als Arbeitsspeicher. Das DRAM verschwindet aus der Anzeige und arbeitet als Cache davor, gesteuert vom Speichercontroller der CPU. Software muss dafür nichts Besonderes können: Hypervisor und Betriebssystem sehen einfach mehr RAM. Prüfen Sie trotzdem, ob Ihre Version für Memory Mode freigegeben ist.

Die Daten sind in diesem Modus nicht persistent, nach dem Ausschalten ist der Inhalt weg wie bei DRAM. Als Faustregel für das Verhältnis von DRAM zu PMem gilt 1:4 bis 1:8. Beispiel pro CPU: 6 × 32 GB DRAM (192 GB) vor 6 × 128 GB PMem (768 GB) ergibt 1:4. Das System meldet 768 GB pro Sockel, mit zwei CPUs 1,5 TB.

Das funktioniert gut, solange der aktiv genutzte Datenbestand in den DRAM-Cache passt – etwa bei vielen VMs oder VDI-Desktops, die den Großteil ihres Speichers selten anfassen. Greift eine Anwendung ständig zufällig auf den gesamten Speicher zu, sinkt die Leistung spürbar.

App Direct: persistenter Speicher für Anwendungen

Im App-Direct-Modus bleibt das DRAM normaler Arbeitsspeicher, und PMem erscheint als eigener, persistenter Bereich. Die Daten überleben einen Neustart. Unter Linux legen Sie darauf Namespaces in einem von drei Modi an:

• fsdax: ein Dateisystem wie ext4 oder XFS mit der Option dax. Anwendungen, die Dateien per mmap einblenden, greifen ohne Page Cache direkt auf PMem zu.
• devdax: ein Zeichengerät ohne Dateisystem, das Anwendungen oder VMs komplett einblenden.
• sector: ein Blockgerät mit atomaren Sektor-Schreibvorgängen. Es verhält sich wie eine extrem schnelle SSD und braucht keine Softwareanpassung.

Den vollen Nutzen bringt App Direct nur mit Software, die PMem kennt, etwa SAP HANA, einige Datenbanken oder Programme auf Basis der Bibliothek PMDK. Auch Windows Server und VMware ESXi können PMem nutzen. Im Mixed Mode teilen Sie die Kapazität auf, zum Beispiel 50 % Memory Mode und 50 % App Direct.

Speichergrenze pro Sockel: die M- und L-Falle

Bei Xeon Scalable der 2. Generation begrenzt Intel die Speichermenge pro CPU je nach Modell, und zwar für DRAM und PMem zusammen. Standardmodelle wie der Xeon Platinum 8280 schaffen 1 TB pro Sockel, die M-Variante (8280M) 2 TB und die L-Variante (8280L) 4,5 TB.

Bei der 3. Generation (Ice Lake-SP) hat Intel diese Stufen abgeschafft; dort unterstützt jede CPU deutlich mehr Speicher pro Sockel.

PMem richtig bestücken

Pro Speicherkanal sitzt höchstens ein PMem-Modul, und zwar immer zusammen mit einem DRAM-Modul. Xeon Scalable 2. Gen. hat pro CPU zwei Speichercontroller mit je drei Kanälen. Die übliche Vollbestückung heißt deshalb 2-2-2: In jedem der drei Kanäle stecken zwei Module, eines davon PMem. Pro CPU sind das 6 × DRAM plus 6 × PMem, bei zwei CPUs alle 24 Steckplätze eines Dell R740 oder HPE DL380 Gen10.

Kleinere Varianten mit weniger PMem-Modulen, etwa 2-1-1, sind möglich, bringen aber weniger Bandbreite. Alle PMem-Module eines Servers sollten gleich groß sein, die DRAM-Module ebenfalls. Welcher Steckplatz pro Kanal für PMem vorgesehen ist, legt der Serverhersteller fest. Die DRAM-Grundlagen stehen im Ratgeber ECC-RAM, RDIMM und LRDIMM.

Einrichten mit BIOS, ipmctl und ndctl

Die Betriebsart legen Sie im BIOS-Setup fest oder unter Linux und Windows mit ipmctl:

1. Module prüfen: ipmctl show -dimm listet alle PMem-Module mit Kapazität, Zustand und Firmware-Version.
2. Ziel festlegen: ipmctl create -goal MemoryMode=100 für reinen Memory Mode, PersistentMemoryType=AppDirect für App Direct oder etwa MemoryMode=50 für Mixed Mode.
3. Neu starten: Das BIOS übernimmt die Konfiguration erst beim nächsten Start.
4. Für App Direct Namespaces anlegen: ndctl create-namespace --mode=fsdax erzeugt zum Beispiel /dev/pmem0, das Sie formatieren und mit der Option dax einhängen.

ipmctl show -sensor zeigt Restlebensdauer und Temperatur. BIOS und PMem-Firmware sollten auf einem vom Serverhersteller freigegebenen Stand sein.

Einsatzzwecke für Persistent Memory

• Große VMs und VDI: Im Memory Mode trägt ein Dual-Socket-Server 1,5 TB und mehr – ideal für viele VMs mit wenig aktiv genutztem Speicher.
• SAP HANA: HANA kann seine Spaltentabellen per App Direct ablegen. Nach einem Neustart sind die Daten sofort da, statt minutenlang von der SSD geladen zu werden. Für produktive Systeme gelten die Hardware-Freigaben von SAP.
• Redis und Caches: Große In-Memory-Caches passen im Memory Mode ohne Umbau in einen einzelnen Server.
• Datenbanken: PMem-fähige Datenbanken nutzen App Direct für Logs oder Puffer und verkürzen so die Schreiblatenz.

Warum gebrauchte Optane-Module günstig sind

Intel hat 2022 angekündigt, das Optane-Geschäft auslaufen zu lassen. Neue Generationen kommen nicht mehr, gleichzeitig mustern Rechenzentren viele Server der Cascade-Lake- und Ice-Lake-Generation aus. Deshalb gibt es PMem-Module gebraucht zu Preisen weit unter DRAM gleicher Kapazität. Wie lange Firmware-Updates und Softwareunterstützung angeboten werden, sollten Sie beim Server- und Softwarehersteller prüfen.

Welche Server passen?

PMem 100 läuft in den gängigen Dual-Socket-Servern mit Xeon Scalable der 2. Generation: Dell PowerEdge R640 und R740, HPE ProLiant DL360 Gen10 und DL380 Gen10 sowie Lenovo ThinkSystem SR630 und SR650. Entscheidend ist die CPU: Ein Server mit Xeon Scalable der 1. Generation braucht neue Prozessoren, und das BIOS muss PMem unterstützen.