Upmem: DDR4-Speicherriegel mit integrierten Prozessoren

Schaut man sich den Energiebedarf aktueller Prozessoren an, so fällt auf, dass nur ein Bruchteil der verheizten Energie für die eigentlichen Rechenoperationen verwendet wird. Der Rest ist nötig, um die Daten zur Berechnung in die CPU-Kerne zu schaffen und die Ergebnisse wieder hinauszubefördern. An diesem Punkt setzt Upmem an: Die französische Firma bietet Speicherriegel mit darin eingebauten kleinen Prozessorkernen namens DPU (DRAM Processing Unit), die die Daten direkt im Speicher berechnen können – damit soll der energieaufwändige Datentransfer entfallen.

Freilich klappt das nicht einfach so, sondern erfordert das Zusammenspiel von Upmems hauseigenen DDR4-Riegel und einer Entwicklungsumgebung, die die darin enthaltenen DPU-Kerne ansteuern kann. Zudem müssen Daten transponiert im RAM gelagert werden: Klassisch werden einzelne Datensätze nämlich über mehrere Speicherchips verteilt, was die Performance erhöht. Bei Upmem müsse ein Datensatz hingegen zwingend in einem Chip vorliegen, damit die DPU ihn nutzen kann.

Zusätzlich musste Upmem auch Limitierungen der Fertigungstechnik umschiffen: Anders als bei Logik sind DRAM-Transistoren eher langsam, sodass man in die Trickkiste greifen musste: Die DPUs laufen mit gerade einmal 500 MHz und brauchen eine tiefe In-Order-Pipeline (14 Stufen), um auf Touren zu kommen. Die TPUs beherrschen nur Integer-Operationen und nutzen einen hauseigenen Befehlssatz.

Hot RAM

Die erste Iteration von Upmems Technik ist ein DDR4-2400-Chip mit 4 GBit Kapazität und 8 DPUs. Eine typische Serverkonfiguration mit 128 GByte Arbeitsspeicher hätte dann satte 2048 DPUs.

Auch wenn Energieeinsparungen beim Datentransfer zum Hauptprozessor eingespart werden, fällt natürlich Abwärme an: Jeder Upmem-Chip verheizt bei ausgelasteten DPUs rund 1,2 Watt, ein DIMM kommt somit auf plusminus 20 Watt – das ist deutlich mehr als bei herkömmlichem RAM-Modulen. Die RAM-Slots der Mainboards müssen also mehr Strom als üblich liefern, oder man verwendet Module mit zusätzlichem Stromanschluss.

Andere Hardware-Modifikationen sind nicht notwendig: Die Upmem-Riegel sollen mit den Speicher-Controllern aller aktuellen CPUs zusammenarbeiten. Laut Upmem kann es mitunter aber nötig sein, das BIOS anzupassen, falls der Speichertest beim Booten fehlschlägt.

Upmem will seine Speicherchips mit DPUs ab Oktober ausliefern. Wer schon jetzt mit der Technik herumspielen möchte, kann einen im SDK enthaltenen Emulator nutzen; alternativ gibt es auch FPGA-Implementierungen in der AWS-Cloud. (mue)