Optaneで超高速化を実現したい？実現可能だが、かなり難しい

Intel の Optane DC パーシステントメモリ DIMM は主要なストレージアプリケーションを 17 倍高速化できますが、システムビルダーは、このテクノロジを最大限に活用するために「複雑なパフォーマンス特性」に対処する必要があります。

カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者たちは、Intel Optane DC パーシステント・メモリ・モジュールを徹底的にテストし、アプリケーションのパフォーマンスは大きく異なることを発見しました。しかし、全体的な傾向としては、Optane DIMMの使用によってパフォーマンスが向上することが示されています。

バイトアドレス指定可能なメモリマップモードでも同様で、RocksDBのパフォーマンスは3.5倍向上するのに対し、Redis 3.2ではわずか20%しか向上しません。カリフォルニア大学サンディエゴ校のチームは、これらの違いの根本原因を理解することは、開発者や研究者にとって有益な研究材料となるだろうと指摘しています。

研究者らは、キャッシュメモリモードで使用される Optane DC メモリは、多くの実際のアプリケーションで DRAM に匹敵するパフォーマンスを提供し、システムで使用可能なメモリの総量を大幅に増やすことができると述べています。

今まで見たことのないような

App Direct モードで使用すると、不揮発性メモリをサポートするファイルシステムを備えた Optane DC メモリにより、多くの実際のストレージアプリケーションのパフォーマンスが大幅に向上します。

しかし、研究者らは、Optane のパフォーマンス特性は現在導入されているどの媒体とも大きく異なるため、Optane を最大限に活用する方法を理解するにはさらなる研究が必要であるとも警告している。

Optane は、DRAM とフラッシュストレージ間のメモリ階層における新しい層として提案されている、Intel の 3D XPoint 不揮発性メモリテクノロジです。

Optane DC 永続メモリバージョンは、Intel の最新の Cascade Lake AP Xeon プロセッサを搭載したサーバーの空き DIMM ソケットに挿入されます。

Optane DIMMは、メモリモードとApp Directモードの2つの動作モードがあります。メモリモードでは、Optaneと従来のDRAM DIMMを組み合わせ、より大容量だが低速なOptaneのキャッシュとして機能させることで、全体としてより大きなメモリプールを提供します。App Directモードではキャッシュは存在せず、Optaneは単に永続メモリのプールとして機能します。

カリフォルニア大学サンディエゴ校のテスターは、メモリモードではキャッシュメカニズムがより大きなメモリフットプリントに対して効果的に機能することを発見しました。MemcachedとRedis（どちらも非永続的なキーバリューストアとして構成、96GBのデータセットを使用）を使用した結果、以下の結果が得られました。

Optaneのパフォーマンスを示すグラフ

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当然のことながら、DRAM をキャッシュなしの Optane DC に置き換えると、memcached と Redis のパフォーマンスはそれぞれ 20.1% と 23% 低下しますが、DRAM キャッシュを有効にするとパフォーマンスは 8.6% から 19.2% 低下します。

パフォーマンスの低下は望ましくないように思えるかもしれませんが、テストサーバーは 192 GB の DRAM と比較して、ソケットあたり 1.5 TB の Optane DC メモリを収容できるため、アプリケーションははるかに大きなメモリ内データセットで動作できるようになります。

Optane DCは、永続メモリとして使用する場合、ストレージのように扱うことができます。また、バイトアドレス指定可能なメモリとしてもアクセス可能で、どちらも大学チームによってテストされました。

以下のグラフでは、永続メモリをサポートする直接アクセス (DAX) モードの有無にかかわらず Ext4 と、永続メモリ用に設計された NOVA ファイルシステムを使用して、さまざまなデータベースツールがテストされています。

青とオレンジの列は、比較のためにフラッシュSSDとOptaneベースのSSDを示しています。赤の列は、Optane DCをバイトアドレス指定可能なSSDとして使用した場合です。この場合、アプリケーションはOptane DCをアドレス空間にマッピングし、ロードとストアで直接アクセスする必要があります。

Optaneのパフォーマンスを示すグラフ