SCM是什么鬼NVMe與其結(jié)合將賦予存儲(chǔ)介質(zhì)哪些能力

1、 SCM是什么鬼，NVMe與其結(jié)合將賦予存儲(chǔ)介質(zhì)哪些能力？ 全SSD閃存陣列在企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)得到廣泛應(yīng)用，相比傳統(tǒng)機(jī)械硬盤，它的延遲、性能和可靠性都有了顯著提高。許多早期開(kāi)發(fā)商抓住其閃存技術(shù)優(yōu)勢(shì)的機(jī)遇，通過(guò)快速推出全閃存產(chǎn)品來(lái)領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。他們相信可以依靠全閃存實(shí)現(xiàn)差異化。但這個(gè)過(guò)程是相對(duì)曲折的，雖然這些公司都擁有全閃存陣列產(chǎn)品，但是他們的產(chǎn)品都是基于專用技術(shù)之上，下面從SSD的發(fā)展歷程來(lái)說(shuō)起。 SSD存儲(chǔ)介質(zhì)和接口技術(shù)一直處于不斷向前發(fā)展和演進(jìn)的過(guò)程。SSD分為幾個(gè)階段，第一個(gè)階段是SATA SSD或者SATA/SAS SSD為主導(dǎo)，這個(gè)階段介質(zhì)以SLC和eMLC為主。第二個(gè)階段是PCIe S

2、SD，PCIe SSD最大的問(wèn)題是不標(biāo)準(zhǔn)，很多私有化協(xié)議各自為政，基于FTL位置不同主要分為Host based SSD和Device base SSD。 直到NVMe時(shí)代才統(tǒng)一了接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，NVMe主要的產(chǎn)品形態(tài)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(fèi)級(jí)產(chǎn)品常用的M.2，具體請(qǐng)參看“閃存技術(shù)最全面解析”文章。 縱觀SSD發(fā)展，NVMe的出現(xiàn)雖然對(duì)接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)傳輸效率上得到了跨越式的提升，但是存儲(chǔ)介質(zhì)目前主流還是基于NAND Flash實(shí)現(xiàn)。那再往前發(fā)展，存儲(chǔ)介質(zhì)應(yīng)該怎么發(fā)展呢？ Intel Optane(傲騰)系列硬盤通過(guò)實(shí)

3、踐證明NVMe和SCM(Storage Class Memory)配對(duì)時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)更大的存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)，那時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將會(huì)迎來(lái)重大飛躍，NVMe的未來(lái)屬于SCM。它將建立在行業(yè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)而不是專有技術(shù)之上。 實(shí)際上，Intel/Micron發(fā)布3DX(PRAM)首次將NVMe和SCM結(jié)合，這個(gè)我在“從Intel Optane系列Coldstream和AEP談全閃存性能優(yōu)化”文章中有詳細(xì)介紹，之后各大廠家都加大了SCM介質(zhì)的投入。Intel稱Optane Memory為Apache Pass(AEP)，為高性能和靈活性而設(shè)計(jì)的革命性的SCM。稱Optane NVMe SSD為Clodstream，為世界上最

4、快、可用性和可服務(wù)性最好的SSD。 3D XPoint(包括Apache Pass DIMM和Clodstream SSD)位于DRAM和NAND之間，填補(bǔ)DRAM和NAND之間的性能和時(shí)延GAP。 SCM同時(shí)具備持久化和快速字節(jié)級(jí)訪問(wèn)的特點(diǎn)，前幾天，Intel正式發(fā)布了Optane SSD 900P，分為280GB和480GB兩種容量版本，承諾900P比友商N(yùn)VMe SSD競(jìng)品快7倍，最高連續(xù)讀取速度2500MB/s，連續(xù)寫入速度為2000MB/s。 同時(shí)，SCM具備Persistent Memory介質(zhì)和NVM(Non-VolatileMemory)介質(zhì)特性。更重要的是SCM沒(méi)有NAND

5、Flash順序?qū)懭牒蛯懬安脸募s束，操作過(guò)程更簡(jiǎn)單；SCM介質(zhì)的在壽命和數(shù)據(jù)保持能力方面的表現(xiàn)也遠(yuǎn)超NAND Flash?；谶@些特點(diǎn)，業(yè)界普遍認(rèn)為SCM會(huì)成為顛覆存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新一代介質(zhì)，并優(yōu)先應(yīng)用于性能和可靠性要求較高的場(chǎng)景。 Intel/Micron發(fā)布3DX(PRAM)之后，各大廠家都加大了SCM介質(zhì)的投入，從上圖可見(jiàn)，SCM的目前的主要應(yīng)用都是聚焦于填充SRAM和Storage之間的容量和性能GAP。目前在研的SCM介質(zhì)種類繁多，但是比較主流的有PCM、ReRAM、MRAM和NRAM四大類產(chǎn)品。 PRAM(Phase-Change RAM)利用特殊合金材料在晶態(tài)和非晶態(tài)下的導(dǎo)電性差異

6、來(lái)表示0或者1數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)大容量、同時(shí)具備低成本等特點(diǎn)。 主要用于Cache加速和Cache內(nèi)存應(yīng)用，考慮到PRAM的成熟度、對(duì)熱度敏感和寫穿透等因素，在應(yīng)用中一般搭配DRAM或SRAM一起使用，在填補(bǔ)RAM和Storage之間的性能、容量差距的同時(shí)，形成具有分級(jí)能力的高速Cache應(yīng)用資源池；其典型代表為Intel的3D Xpoint。 ReRAM(Resistive RAM)通過(guò)在上下電極間施加不同的電壓，控制Cell內(nèi)部導(dǎo)電絲的形成和熔斷的狀態(tài)對(duì)外呈現(xiàn)不同的阻抗(憶阻器)值來(lái)表示數(shù)據(jù)；目前典型代表廠商為HPE和Crossbar。 HPE在2015年Discover C

7、onference會(huì)議中就提出了憶阻器內(nèi)存技術(shù)，并計(jì)劃在新型計(jì)算機(jī)架構(gòu)The Machine中使用，未來(lái)成為取代SRAM、DRAM形成通用內(nèi)存(Universal Memory)；具體可參看文章“HPE憶阻器內(nèi)存和IBM原子磁盤原理解析”。 MRAM(Magnetic RAM)磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器通過(guò)電流磁場(chǎng)改變電子自旋方向來(lái)表示不同數(shù)據(jù)狀態(tài)。比較適用于CPU的高速緩存(如L2 Cache)，代表廠商為Toshiba和Everspin。 NRAM(Nanteros CNT RAM)碳納米管隨機(jī)存儲(chǔ)器采用碳納米管作為開(kāi)關(guān)，控制電路通斷表示不同的數(shù)據(jù)狀態(tài)。由于碳納米管尺寸非常小并且具備極強(qiáng)的韌性，因此N

8、RAM密度可以很高、壽命也比較長(zhǎng)，理論功耗也比較低。 下面以Intel Optane系列簡(jiǎn)單談?wù)凷CM現(xiàn)階段的應(yīng)用情況。 首先介紹下SCM SSD磁盤，如Intel推出的OptaneP4800X系列Clodstream SSD，雖采用NVMe協(xié)議但沿用NVMe Block接口，相比現(xiàn)有Flash SSD，在架構(gòu)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(lái)的性能衰減問(wèn)題，所以主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)緩存和高性能主存場(chǎng)景。元數(shù)據(jù)緩存：作為AFA產(chǎn)品的元數(shù)據(jù)緩存，配合DRAM，實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了Memory+SCM SSD的兩級(jí)緩存，突破內(nèi)存容量瓶頸，增加數(shù)據(jù)緩存容量；數(shù)據(jù)緩存：作為

9、用戶數(shù)據(jù)的加速層，提升典型應(yīng)用場(chǎng)景下的性能體驗(yàn)；數(shù)據(jù)主存：作為用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，提供比Flash更高的性能存儲(chǔ)系統(tǒng)。 接著談?wù)凷CMDIMM形態(tài)產(chǎn)品，如Apache Pass DIMM，它是基于內(nèi)存訪問(wèn)語(yǔ)義(Load/Store)的SCM產(chǎn)品，這種形態(tài)可以提供與內(nèi)存接近的訪問(wèn)時(shí)延很低，并提供相對(duì)內(nèi)存更大的容量和數(shù)據(jù)持久化能力，通常用在如下場(chǎng)景。持久化內(nèi)存：作為數(shù)據(jù)持久層，對(duì)數(shù)據(jù)一致性要求很高的持久化系統(tǒng)，同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)可靠性和數(shù)據(jù)讀寫性能。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)：作為數(shù)據(jù)In Place空間，提供數(shù)據(jù)運(yùn)行和持久化存儲(chǔ)空間。系統(tǒng)日志卷：作為日志卷，例如，在HPC系統(tǒng)中通常采用Checkpointing實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算

10、中間狀態(tài)進(jìn)行持久化保存，這是一個(gè)耗時(shí)、耗系統(tǒng)吞吐量的過(guò)程。 如果采用SCMDIMM實(shí)現(xiàn)日志卷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化，則可以大大提升系統(tǒng)可靠性、性能，同時(shí)減少處理時(shí)間。 簡(jiǎn)單總結(jié)下，從SATA SSD，SAS SSD到PCIe SSD，NVMe SSD，主要經(jīng)歷了標(biāo)準(zhǔn)泛濫和統(tǒng)一兩次技術(shù)變革，PCIe SSD是閃存創(chuàng)新的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，在語(yǔ)言和通信上各自有一套標(biāo)準(zhǔn)，NVMe SSD則是統(tǒng)一文字標(biāo)準(zhǔn)的秦國(guó)盛世。然而要發(fā)揮SCM的優(yōu)勢(shì)，對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)提出了更大的挑戰(zhàn)，每次產(chǎn)品的變革都凝聚了技術(shù)的變革。這些變革包括持久化內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，事務(wù)技術(shù)，硬件架構(gòu)，編程工具和軟件堆棧等各方面。 在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)方面，現(xiàn)有的跨CPU間內(nèi)存訪問(wèn)受限于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，無(wú)法充分發(fā)揮SCM介質(zhì)持久化的特點(diǎn)，Gen-Z標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)使得SCM可以獨(dú)立以Gen-Z接口接入Gen-Z總