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Intel-CPUs: Neue Befehle für nichtflüchtige Speicher statt DRAM

In Intels Programmierhandbuch finden sich seit kurzem erste Befehle, die für die Verwaltung von NVRAM vorgesehen sind. Damit können Speicherbereiche unabhängig von der Stromversorgung gespeichert werden, was nicht nur für NVDIMMs mit Flash-Bausteinen oder SSDs nützlich ist.

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Xeons, wie hier die Haswell-EP auf einem Wafer, könnten bald NVM verwalten.
Xeons, wie hier die Haswell-EP auf einem Wafer, könnten bald NVM verwalten. (Bild: Andreas Sebayang/Golem.de)

Die Oktober-Ausgabe von Intels ausführlicher Beschreibung der Befehle seiner x86-Prozessoren (PDF) enthält ab Seite 1.191 die Beschreibung von drei neuen Instruktionen. Entdeckt hat die Befehle der Entwickler Dan Luu, der in seinem Blog auch erklärt, warum die neuen Instruktionen nötig seien. Die Kommandos sind laut der Dokumentation für "künftige Intel-CPUs" vorgesehen, wann sie unterstützt werden, gibt der Chiphersteller noch nicht an. Bei der letzten Änderung der Speicherverwaltung, dem Transactional Memory, gab es einen Bug, so dass die Funktionen bei den aktuellen Haswell-CPUs abgeschaltet sind.

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Intel beschreibt die neuen Befehle "CLFLUSHOPT", "CLWB" und "PCOMMIT" allgemein für die Benutzung von sogenanntem "Persistent Memory", also nichtflüchtigem Speicher. Die bekannteste Form solcher Speicher sind Flash-Bausteine, die ihre Inhalte auch ohne Stromversorgung behalten. Laut Intel sind die Instruktionen aber auch für andere Techniken wie mit Akkus gespeistes DRAM vorgesehen.

Der Unterschied zu bisherigen RAM-Disks, die über Massenspeicherschnittstellen oder PCI-Express angebunden waren, ist dass Persistent Memory direkt vom Speichersystem des Prozessors verwaltet wird. Das ist um mehrere Größenordnungen schneller als jedes andere Bussystem in einem PC, es gibt nur ein grundlegendes Problem: Da DRAM wegen seiner immer noch existierenden Vorteile der geringen Kosten und hohen Kapazitäten nicht so schnell verschwinden wird, geht Intel von mehreren Speicherbereichen aus DRAM und nichtflüchtigem Speicher (NVM) in einem System aus.

Erweiterte Cache-Verwaltung

Zudem sind die bisher bekannten NVMs wie Flash, MRAM oder der Memristor anders organisiert als DRAM. Es gilt vor allem, bestimmte Blockgrößen einzuhalten, so dass die Daten des Prozessors vor dem Schreiben in den persistenten Speicher neu geordnet werden müssen. Da die NVMs zum Hauptspeicher gehören, müssen auch die Caches der CPU konsistent damit gehalten werden, oder bestimmte Speicherbereiche als nicht-cachebar erklärt werden, was früher schon eine Funktion von x86-CPUs war. Für die Cache-Verwaltung kommen nun die Befehle "Cache Line Flush Optimized" (CLFLUSHOPT) und "Cache Line Write Back" (CLWB) hinzu.

Zudem kann nun auch ein bestimmter Speicherbereich durch die CPU als nichtflüchtig erklärt werden, das erledigt der Befehl "Persistent Commit" (PCOMMIT). Mit den neuen Befehlen lassen sich nach Meinung des US-Prozessorexperten David Kanter auch SSDs als Speicherbereich für die CPU einblenden, wofür wohl neue Treiber geschrieben werden müssen. Dann müssten sich die Zugriffe darauf, etwa bei Datenbankservern, nicht erst durch betagte Protokolle wie Sata quälen, weil der Prozessor die SSD direkt verwalten kann.

Überhaupt sind solche Änderungen an der Infrastruktur nichts für bestehende Betriebssysteme und Geräte. Um die Vorteile wirklich nutzen zu können, sind laut Intels Unterlagen auch Änderungen am BIOS nötig, das die verschiedenen Arten von Speicher unterscheiden muss, obwohl die gemeinsam von der CPU verwaltet werden. Vor allem für Serversysteme unter Linux erscheint das aber relativ einfach umsetzbar.

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TheSUNSTAR 10. Nov 2014

Zum einen hängt die Effizienz stark von deinem Contention-Level ab. Wenn du bei jeder...

476f6c656d 09. Nov 2014

Ich schätze es wird eher auf ein gewöhnlichen Sleepmodus hinaus laufen wo eine Sicherung...

barforbarfoo 09. Nov 2014

Bereitgestellt wird über das OS (z.b. mmap) danach geht es direkt auf den Speicher, so...


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