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SCM和NVM是什麼鬼,與NVMe是什麼關係?

     SSD儲存介質和接口技術一直處於不斷向前發展和演進的過程。SSD分為幾個階段,第一個階段是SATA SSD或者SATA/SAS SSD為主導,這個階段介質以SLC和eMLC為主。第二個階段是PCIe SSD,PCIe SSD最大的問題是不標準,很多私有化協議各自為政,基於FTL位置不同主要分為Host based SSD和Device base SSD。

     直到NVMe時代才統一了接口和協議標準,NVMe主要的產品形態有三大類。第一類是和SATA/SAS SSD兼容的U.2,第二類是和PCIe兼容的SSD卡,第三類消費級產品常用的M.2。

     縱觀SSD發展,NVMe的出現雖然對接口標準和資料傳輸效率上得到了跨越式的提升,但是儲存介質目前主流還是基於NAND Flash實現。那再往前發展,儲存介質應該怎麼發展呢?

     Intel Optane(傲騰)系列硬碟通過實踐證明NVMe和SCM(Storage Class Memory)配對時才會顯現更大的儲存優勢,在很多時候也把SCM成為VNM,那時資料儲存將會迎來重大飛躍,NVMe的未來屬於SCM。它將建立在行業協議標準而不是專有技術之上。

關於SCM技術,目前已經在各個行業得到廣泛使用,為了讓更多儲存相關從業者全面瞭解和掌握SCM,筆者已經把SCM相關知識做了梳理和總結(詳解SCM/NVM技術現狀和研究方向),主要內容如下,請感興趣的讀者通過“閱讀原文”獲取詳情。

     實際上,Intel/Micron發佈3DX(PRAM)首次將NVMe和SCM結合,這個我在“從Intel Optane系列Coldstream和AEP談全閃存性能優化”文章中有詳細介紹,之後各大廠家都加大了SCM介質的投入。Intel稱Optane Memory為Apache Pass(AEP),為高性能和靈活性而設計的革命性的SCM。稱Optane NVMe SSD為Clodstream,為世界上最快、可用性和可服務性最好的SSD。

     3D XPoint(包括Apache Pass DIMM和Clodstream SSD)位於DRAMNAND之間,填補DRAM和NAND之間的性能和時延GAP。

    SCM同時具備持久化和快速位元組級訪問的特點,前幾天,Intel正式發佈了Optane SSD 900P,分為280GB和480GB兩種容量版本,承諾900P比友商NVMe SSD競品快7倍,最高連續讀取速度2500MB/s,連續寫入速度為2000MB/s。

     同時,SCM具備Persistent Memory介質和NVM(Non-VolatileMemory)介質特性。更重要的是SCM沒有NAND Flash順序寫入和寫前擦除的約束,操作過程更簡單;SCM介質的在壽命和資料保持能力方面的表現也遠超NAND Flash。基於這些特點,業界普遍認為SCM會成為顛覆儲存系統設計的新一代介質,並優先應用於性能和可靠性要求較高的場景。

     Intel/Micron發佈3DX(PRAM)之後,各大廠家都加大了SCM介質的投入,從上圖可見,SCM的目前的主要應用都是聚焦於填充SRAM和Storage之間的容量和性能GAP。目前在研的SCM介質種類繁多,但是比較主流的有PCM、ReRAM、MRAMNRAM四大類產品。

     PRAM(Phase-Change RAM)利用特殊合金材料在晶態和非晶態下的導電性差異來表示0或者1資料。其優點是結構簡單,容易實現大容量、同時具備低成本等特點。

     主要用於Cache加速和Cache記憶體應用,考慮到PRAM的成熟度、對熱度敏感和寫穿透等因素,在應用中一般搭配DRAM或SRAM一起使用,在填補RAM和Storage之間的性能、容量差距的同時,形成具有分級能力的高速Cache應用資源池;其典型代表為Intel的3D Xpoint。

     ReRAM(Resistive RAM)通過在上下電極間施加不同的電壓,控制Cell內部導電絲的形成和熔斷的狀態對外呈現不同的阻抗(憶阻器)值來表示資料;目前典型代錶廠商為HPE和Crossbar。

     HPE在2015年Discover Conference會議中就提出了憶阻器記憶體技術,並計劃在新型計算機架構The Machine中使用,未來成為取代SRAM、DRAM形成通用記憶體(Universal Memory),主流的SCM技術如下:

     MRAM(Magnetic RAM)磁性隨機儲存器通過電流磁場改變電子自旋方向來表示不同資料狀態。比較適用於CPU的高速快取(如L2 Cache),代錶廠商為Toshiba和Everspin。

     NRAM(Nantero’s CNT RAM)碳納米管隨機儲存器採用碳納米管作為開關,控制電路通斷表示不同的資料狀態。由於碳納米管尺寸非常小並且具備極強的韌性,因此NRAM密度可以很高、壽命也比較長,理論功耗也比較低。

      下麵以Intel Optane系列簡單談談SCM現階段的應用情況。

      首先介紹下SCM SSD磁盤,如Intel推出的OptaneP4800X系列Clodstream SSD,雖採用NVMe協議但沿用NVMe Block接口,相比現有Flash SSD,在架構上SCM SSD也有很好的繼承性,再加上SCM SSD有效避免了垃圾回收帶來的性能衰減問題,所以主要應用在資料快取和高性能主存場景。

  • 元資料快取:作為AFA產品的元資料快取,配合DRAM,實際上實現了Memory+SCM SSD的兩級快取,突破記憶體容量瓶頸,增加資料快取容量;
  • 資料快取:作為用戶資料的加速層,提升典型應用場景下的性能體驗;
  • 資料主存:作為用戶資料的儲存,提供比Flash更高的性能儲存系統。

      接著談談SCM DIMM形態產品,如Apache Pass DIMM,它是基於記憶體訪問語意(Load/Store)的SCM產品,這種形態可以提供與記憶體接近的訪問時延很低,並提供相對記憶體更大的容量和資料持久化能力,通常用在如下場景。

  • 持久化記憶體:作為資料持久層,對資料一致性要求很高的持久化系統,同時兼顧資料可靠性和資料讀寫性能。
  • 記憶體資料庫:作為資料In Place空間,提供資料運行和持久化儲存空間。
  • 系統日誌捲:作為日誌捲,例如,在HPC系統中通常採用Checkpointing實現對計算中間狀態進行持久化儲存,這是一個耗時、耗系統吞吐量的過程。

      如果採用SCM DIMM實現日誌捲實現資料持久化,則可以大大提升系統可靠性、性能,同時減少處理時間。

      簡單總結下,從SATA SSD,SAS SSD到PCIe SSD,NVMe SSD,主要經歷了標準泛濫和統一兩次技術變革,PCIe SSD是閃存創新的春秋戰國時代,在語言和通信上各自有一套標準,NVMe SSD則是統一文字標準的秦國盛世。然而要發揮SCM的優勢,對現有計算機系統軟硬體架構提出了更大的挑戰,每次產品的變革都凝聚了技術的變革。這些變革包括持久化記憶體的資料結構,事務技術,硬體架構,編程工具和軟體堆棧等各方面。

      在互聯網絡方面,現有的跨CPU間記憶體訪問受限於網絡時延,無法充分發揮SCM介質持久化的特點,Gen-Z標準的出現使得SCM可以獨立以Gen-Z接口接入Gen-Z總線,各CPU以納秒級的時延訪問共享SCM介質從而更好的發揮SCM的性能。

 

關於SCM和傳統SSD之間的GAP和解決措施,請讀者們通過點擊“閱讀原文”獲取“詳解SCM/NVM技術現狀和研究方向”資料學習。

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