Gen-Z: Speicherarchitektur fürs Datenzeitalter

Viele Jahre galten Speichertechnologien – abgesehen von den regelmäßigen Kapazitäts- und Geschwindigkeitssteigerungen – als relativ konstantes Element in der ansonsten sich rapide verändernden Computertechnik. Doch mit der Verbreitung neuer Technologien, insbesondere nichtflüchtiger, festplattenloser Massenspeicher in großer Nähe zur Recheneinheit oder gar auf der CPU, ändert sich das Bild. Auch die Daten selbst und ihre Quellen haben sich geändert: Sie kommen in Zukunft von überall her und in sehr unterschiedlichen Formaten – von der klassischen Datenbank bis zu Streaming-Data.

Von speziellen Mechanismen – Hadoop ist das klassische Beispiel – werden sie zu handlungsleitenden Erkenntnissen verdichtet. In Zukunft brauche man, um diese Aufgabe optimal erledigen zu können, datenzentrische Systeme, die mit gigantischen, sehr unterschiedlich strukturierten Datenmengen fertig werden, schreibt etwa Moor Insights & Strategy in einem Whitepaper.

Mit Gen-Z ist nun ein Vorschlag auf dem Tisch, der solche datenzentrischen Systeme durch die Neugestaltung der Datenzugriffstechnologie gestalten will. Gen-Z möchte ihn herstellerunabhängig und systemübergreifend designen und vereinheitlichen. Die Gen-Z-Technologie soll für interessierte Unternehmen kostenlos verfügbar sein. Dahinter steht ein Non-Profit-Konsortium mit vielen klangvollen Namen: HPE, Dell, ARM, Broadcom, Cray, Micron, IBM, Lenovo, Western Digital, Red Hat, Samsung, Seagate oder Xilinx, um nur einige zu nennen.

Bemerkenswert: Intel fehlt allerdings. Möglicherweise deshalb, weil Gen-Z die Dominanz des Prozessorgiganten hinsichtlich der Technologien für den Speicherzugriff per CPU und auch das gesamte Prozessordesign in Frage stellen könnte. Die Bitte um eine Stellungnahme zum Genz-Z-Konsortium an die Intel-Pressestelle Ende 2016 blieb jedenfalls unbeantwortet.

Das Gen-Z-Konsortium betont, dass seine Technologie zu allen bestehenden Systemen passe – freilich könnte es durchaus sein, dass man mit der Zeit die Lösungen auf diese neue Zugriffsmethode zuschneiden werde, einfach, weil sie vorteilhafter sei.

Prozessoren ohne Mediencontroller

Doch wie funktioniert Gen-Z überhaupt? Zunächst soll die gesamte Zugriffslogik für Speicher aller Art nicht, wie bisher üblich, auf der Recheneinheit liegen, sondern beim Speicher. Über der Speicher-Controllersoftware liegt die Gen-Z-Logik, die auf beiden Seiten einer Verbindung zu einer Speicherform vorhanden ist. Ob auch Tape in entsprechende Lösungen eingebunden werden könnte, geht aus den bisherigen Veröffentlichungen des Gremiums nicht hervor, ist aber angesichts des technischen Aufbaus von Gen-Z anzunehmen.

Ein weiteres architektonisches Prinzip, das mit dem Einzug von persistentem Speicher in die unmittelbare Nähe des Prozessors verbunden ist, besteht darin, dass der Speicher gleichzeitig von Rechenkernen, von Ein-/Ausgabe- und von den übrigen Speichereinheiten aller Art aus zugänglich sein muss. Zudem kann jede Form von Speicher unabhängig von anderen Systemkomponenten erweitert

Wenige Befehle steuern den Datenzugriff

Grundsätzlich ist Gen-Z ein Protokoll zum Transport von Datenpaketen, wobei diese über serielle Verbindungen zwischen einzelnen Komponenten fließen. Das Zauberwort, das den Kern der Neuentwicklung beschreibt, heißt “speicher-semantische Operation”. Dabei werden die Befehle der Einheit, auf der die Gen-Z-Software liegt, in einige extrem vereinfachte, auf Speicher zugeschnittene Befehle übersetzt, die alle Komponenten mit Gen-Z als Zugriffstechnologie verstehen. Es sind Lesen, Schreiben, diverse Steueroperationen wie Locking und Pufferverwaltung und applikationsbezogene semantische Aktionen auf einer höheren Abstraktionsebene.

Die Architektur der Komponente bleibt so beim Speicherzugriff unsichtbar, was die Komplexität reduziert. Sicherheitsprotokolle, Verschlüsselung und das Erkennen von Manipulations- oder Eindringversuchen sind nicht als physische Eigenschaft der Verbindung definiert, sondern befinden sich ebenfalls eine Ebene darüber.

Grundsätzlich baut Gen-Z auf Ethernet-Verbindungstechnik (IEEE 802.3) auf, verringert aber durch spezielle Mechanismen die Verlustrate auf kurze Distanzen. Das Gen-Z-Gremium will damit bis zu 80 Prozent Energie und Kosten sparen. Unterstützt werden Signalisierungsraten (Rohdatenvolumina) zwischen 16 GT/s (Gigatransfers/s) bis 112 GT/s. Pro Verbindung sind bis zu 256 Kanäle möglich.

Eine Komponente kann mehrere Links haben, so dass sich die Bandbreite nahezu unbegrenzt skalieren lässt. Links müssen auch nicht symmetrische sein, die zahl der Ein- und Ausgabekanäle einer Verbindung darf sich also unterscheiden. Das ist besonders für Systeme wichtig, in die viele Daten hineingespielt, aus denen aber nur selten welche abgerufen werden. Unterstützt werden Punkt-zu-Punkt-, verkettete und geswitchte Verbindungen.

Zudem hat Gen-Z eine Abstraktion der physischen Schicht festgelegt, also einen Mechanismus, der völlig unabhängig von ihr funktioniert. Damit lässt sich das physische Medium frei wählen. So können beispielsweise Technologien wie Silicon Photonics ohne Architekturänderungen der Datenzugriffstechnologie implementiert werden, sobald die Zeit dafür reif ist.

Sicherheit und Datenkontrolle

Die Daten gehören dem, auf dessen Speicher sie liegen, egal, wer auf sie zugreift. Diese Instanz ist auch für die Sicherstellung der Datenkohärenz vor Lese-Operationen zuständig. Die Kohärenzprüfung selbst wird auf einer höheren Systemebene abgewickelt. Verschiedene Mechanismen dafür sind möglich, sie beeinflussen aber die grundlegende Ein-/Ausgabelogik nicht, was die Flexibilität beim Systemdesign erhöht.

Als Verbindungsstück zwischen Datenbereich und anderen Bereichen des Systems, zum Beispiel den CPUs, taugen spezielle Rechenkerne oder Bridging-Einheiten, so dass Gen-Z in Bereichen innerhalb konventioneller Architekturen arbeiten kann. Auch PCIe sei als Integrationstechnologie für Gen-Z denkbar, allerdings nicht optimal, schreibt Moor Insight & Strategies.

Insgesamt soll Gen-Z dazu führen, dass beim Speicherzugriff nicht mehr je nach Lösung viele unterschiedliche Protokollschichten durchquert werden müssen, um an Daten heranzukommen beziehungsweise sie wegzuschreiben. Daten können mit Gen-Z sämtlich bytegenau adressiert werden. Alle Speichersysteme würden in Gen-Z-Systemen dieselbe Sprache sprechen und gleichgeordnet agieren, jede Speicherklasse, aber auch Prozessoren und andere Systemelemente wären unabhängig voneinander und ohne Veränderung der Zugriffsarchitektur skalierbar. Zudem wären die Speicherzugriffe auch unabhängig von der darunterliegenden Verbindungstechnologie beziehungsweise deren Bandbreite. Bestehende Betriebssysteme und Middleware müssten nicht geändert werden.

Gen-Z-Komponenten im System werden jeweils als eine bekannte Device-Form gemappt, zum Beispiel wie ein DRAM-Chip, ein PCI-Device oder ein konventioneller Host Bus Adapter. Für die Zukunft arbeitet Gen-Z aber an einem modularen Konnektor und auch mechanischen Formfaktoren für große Stückzahlen. Sie sollen sich in jeden Speicher einbauen lassen und wenig Platz benötigen. Wann mit solchen Komponenten zu rechnen ist, steht noch nicht fest. Einen Spezifikationsentwurf von Gen-Z können sich Interessierte aber schon von der Website des Konsortiums herunterladen.