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Uploaded byHiro Yoshioka
不揮発性メモリ(NVM)とはなにか
OSC2020 Online/Aizu 低レイヤ・OS・セキュリテイ LT大会 2020/10/25開催 不揮発性メモリとDRAMのレイテンシ，スループットについて
不揮発性メモリ(NVM)とはなにか
- 1. 不揮発性メモリとは何か OSC2020 Online/Aizu 低レイヤ・OS・セキュリテイLT⼤会 よしおかひろたか 1
- 2. プログラマにとっての不揮発性メモリ • 不揮発性メモリ（NVM -Non-Volatile Memory）とはなにか • なぜ不揮発性メモリについて語るのか 2
- 3. NVM（不揮発性メモリ） • DRAM同様にバイト単位でアクセス可能 • ストレージデバイス同様に不揮発性（永続性を保持） •2019年春頃から出荷されているIntel Optaneなどが製品例 3
- 4. 4 10-0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 L1 レジスタ L2 L3 DRAM SSD HDD レ イ テ ン シ ︵ 秒 ︶ 揮発性 不揮発性 Tape メモリ・ストレージ階層 レイテンシギャップ 100 101102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 容量 (bytes)
- 5. 5 10-0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 レジスタ L2 L3 DRAM SSD HDD レ イ テ ン シ ︵ 秒 ︶ 揮発性 不揮発性 Tape メモリ・ストレージ階層 100 101102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 容量 (bytes) NVM L1
- 6. 6 10-0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 レジスタ L2 L3 DRAM SSD HDD レ イ テ ン シ ︵ 秒 ︶ 揮発性 不揮発性 Tape メモリ・ストレージ階層 100 101102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 容量 (bytes) NVM • NVM • バイト単位アクセス可 能な不揮発性メモリ • 動作特性が不明 L1
- 7. 7 アプリケーションから⾒たNVM Management Utility Applications Nonvolatile Memory Module load store load store read write ndctl POSIXAPI AppDirect Memory NVM Driver FS NVM MMU
- 8. 8 L1d cache L1icache L2 cache register L3 cache WPQ NVDIMM CPUCACHE CLWB + fence or CLFLUSHOPT + fence or CLFLUSH + fence or NT stores + fence MOV RAX, Memory 不揮発 電源断で 情報喪失
- 9. 9 L1 cache L1cache L2 cache register L3 cache WPQ NVDIMM CPUCACHE CLWB + fence or CLFLUSHOPT + fence or CLFLUSH + fence or NT stores + fence MOV RAX, Memory MOVNT RAX, Memory 不揮発 電源断で 情報喪失
- 10. 10 L1 cache L1cache L2 cache register L3 cache NVDIMM CPUCACHE MOV Memory, RAX MOVNT Memory, RAX 不揮発 電源断で 情報喪失
- 11. 実行順序について，メモリオーダリング プログラム順 1. load-m1 2. load-m2 11 プログラム順実⾏1 実⾏2 load-m1 load-m2 プログラム順 1. store-m1 2. store-m2 プログラム順 実⾏1 実⾏2 store-m1 store-m2 プログラム順 1. store-m1 2. load-m1 プログラム順 実⾏1 実⾏2 store-m1 load-m1
- 12. 実行順序について，out of order実行，同期命令 12 プログラム順 1.store-m1 2. load-m2 プログラム順 1. store-m1 2. SFENCE 3. load-m2 プログラム順 実⾏1 実⾏2 実⾏３ store-m1 SFENCE load-m2 実⾏1 実⾏2 store-m1 load-m2
- 13. 実行順序について，CLFLUSH，CLFLUSHOPT プログラム順 1. store-m1 2. CLFLUSH 3.load-m2 13 プログラム順 プログラム順 1. store-m1 2. CLFLUSHOPT 3. load-m2 プログラム順 実⾏1 実⾏2 実⾏３ store-m1 CLFLUSHOPT load-m2 実⾏1 実⾏2 実⾏３ store-m1 CLFLUSH load-m2
- 14. 実験環境 CPU model IntelXeon Silver 2.5GHz 8 core, 2 socket No. of Nodes 2 Cache L1d 32 KiB, L1i 32 KiB, L2 1MiB, L3 11 MiB (shared) DRAM 32 GiB * 12 (384 GiB) DCPMM 128 GiB * 12 (1536 GiB) OS CentOS 7.7.1908, Linux kernel 3.10 14
- 15.
- 16. load命令の性能，レイテンシ 16 load load ntloadntload movql movql fence fence fence fenceなしのほ うが⾼性能 NVMは3倍程度レイ テンシが⼤きい
- 17. store-fenceレイテンシ 17 non temporal store レイテンシが⼤きい DRAMとNVMレイテ ンシ差は⼩さい storentstore store store store movqs fence fence clflush clwb clfopt fence fence fence fence
- 18. store-nofence レイテンシ 18 store storestore store ntstore movqs clflush clwb clfopt
- 19. load ランダムアクセススループット 19 fenceなしのほ うが⾼性能 NVMはDRAMの43% 程度のスループット load ntloadload ntload fence fence
- 20. store ランダムアクセススループット 20 NVMはDRAMの 33%程度 store storestore store ntstore movqs fence clflush clwb clfopt fence fence
- 21. まとめ • NVMとDRAMの性能差 • レイテンシ，loadでは3倍ほど，storeは同程度 •スループット，storeはNVMがDRAMの1/3程度，loadは1/2程度． • NVMの命令ごとの性能差 • レイテンシ • load，fenceあり，なし，命令の組合せでの性能差は⼩ • store，fenceなし，flushはどれも⼩(40数ns)．fenceありのflushは⼤（300ns程度）， • スループット • load，fenceありなしで⼤きな差，ランダムアクセスのスループットは低 • store，命令ごとに性能差あり，CLFLUSHOPTはfence付storeに⽐べ3割ほど⼤ 21
- 22. 永続性をもつメインメモリ • OSやDBMSへの影響 • ファイルへ読み書きしなくても情報が保持される •永続性を保証するための各種メカニズムが不必要になる？ • DBMSのredo logやWAL (write ahead log) • SSD/HDDよりIOPSが⾼い • SSD/HDDより⾼速なストレージ • 速い揮発性な主記憶，遅い不揮発性なストレージを前提としていたア ルゴリズムが不要になる？ • B+Tree • 仮想記憶 • 全く新しいパラダイムとしての研究開発が必要 22