SCM介于DRAM和NAND之間 最終將會(huì)取代閃存成為首選的高速存儲(chǔ)介質(zhì)

在過去的幾年中，許多存儲(chǔ)技術(shù)和市場(chǎng)都處于醞釀狀態(tài)，最近企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)開始使用SCM存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存技術(shù)的消息越來越多，與以往不同的是，SCM不只是用作讀寫緩存，而且還用在持久存儲(chǔ)層。那么這項(xiàng)技術(shù)將對(duì)存儲(chǔ)行業(yè)產(chǎn)生多大的影響呢？

SCM介于DRAM和NAND之間

SCM介質(zhì)本身比NAND SSD快，比DRAM內(nèi)存要慢，因?yàn)檫€支持字節(jié)尋址，所以寫入的時(shí)候不用先擦除整個(gè)塊，大大減少寫放大，而且延遲會(huì)低很多，壽命很長(zhǎng)，相比NAND有許多先天優(yōu)勢(shì)。

簡(jiǎn)單來講，SCM 就是DRAM 與SSD 的中介，一種高速讀寫的非揮發(fā)性記憶體技術(shù)，用來改善系統(tǒng)整體I/O 效能。

在理想中，它是一種速度能與DRAM 媲美，但成本逼近傳統(tǒng)硬盤的新型儲(chǔ)存技術(shù)。當(dāng)然目前大概只有讀取速度能與DRAM 比肩，寫入速度仍有差距，且在SSD 的單位成本已逼近傳統(tǒng)硬盤的境況下，SCM 還沒有足夠的性價(jià)比做為底層儲(chǔ)存裝置。

在現(xiàn)有AFA存儲(chǔ)系統(tǒng)中，為追求NVMe SSD的極致性能，軟件棧本身帶來的時(shí)延已經(jīng)無法忽略 。

相比SSD，SCM介質(zhì)的訪問時(shí)延有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差異（從數(shù)百微秒級(jí)到數(shù)百納秒級(jí)），軟件棧時(shí)延的問題將更為凸顯。如傳統(tǒng)的從應(yīng)用到內(nèi)核的軟件棧對(duì)功能的分解層級(jí)清晰，對(duì)于慢速的存儲(chǔ)介質(zhì)是合適的，但對(duì)于SCM這樣的超高速介質(zhì)則成為了速度的瓶頸。

基于同樣的原因，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延在SCM系統(tǒng)中的占比也成為了影響系統(tǒng)時(shí)延的主要矛盾。如何構(gòu)建高速、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，成為了能否在系統(tǒng)中充分利用SCM介質(zhì)性能的關(guān)鍵因素。

SCM相對(duì)于NAND的優(yōu)勢(shì)

存儲(chǔ)級(jí)存儲(chǔ)器SCM能夠如同NAND閃存一樣保留其內(nèi)容的能力，也能有像DRAM一樣的的速度，這使得它最終將取代閃存作為首選的高速存儲(chǔ)介質(zhì)。

由于閃存的固有設(shè)計(jì)，SCM在這塊要好很多。性能問題和閃存延遲的最大原因之一是使用垃圾收集以滿足新寫入。將數(shù)據(jù)寫入閃存驅(qū)動(dòng)器時(shí)，無法覆蓋舊信息。它必須在其他地方寫入一個(gè)新數(shù)據(jù)塊，并在磁盤I / O暫停時(shí)刪除舊文件。

·非常低的延遲

·更高的耐久性

·類似于DRAM的字節(jié)尋址

基于NVMe/PCIe的字節(jié)尋址的非易失性存儲(chǔ)打開了存儲(chǔ)架構(gòu)創(chuàng)新的新篇章。SCM通常被用作擴(kuò)展的Cache或者最高性能Tier的持久化存儲(chǔ)。

所以大多數(shù)情況下，SCM的定位是補(bǔ)充NAND的空缺，而不是取代NAND。HPE宣布將采用英特爾的Optane作為DRAM cache的擴(kuò)展，從HPE 3Par 3D Cache的測(cè)試數(shù)據(jù)中可見，時(shí)延降低了50%，而IO提升了80%。

SCM 技術(shù)目標(biāo)及潛力

SCM技術(shù)的目標(biāo)及潛力都在于能弭平DRAM 與SSD 讀寫速度的鴻溝。理論上，現(xiàn)代資訊系統(tǒng)由于內(nèi)裝置性能的落差徒增不少功耗，資料往返所耗費(fèi)的時(shí)間，成為整體性能的短板，所以在處理器與記憶體之間設(shè)有暫存器及快取等，而引入SCM 做為記憶體緩沖或SSD 快取，也都是為了解決這樣的問題。

SCM的兩種用法

大體上SCM有兩種用法：一種是用作緩存，一種是用作持久存儲(chǔ)。

①HPE把SCM用作緩存，從實(shí)現(xiàn)來看，這種方式的讀寫緩存實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

據(jù)說3PAR和Nimble的延遲能保持在300μs微秒以下，絕大部分的IO延遲能維持在200μs以下。

HPE在3PAR里用了Optane當(dāng)做緩存用，結(jié)果延遲比之前降低了兩倍，還說比DELL EMC的用了NVMe SSD的PoweMAX還要快50%。

②大部分的SCM現(xiàn)在都是用作緩存，跟HPE不一樣，DELL EMC的PowerMAX是把SCM用作了存儲(chǔ)層。

PoweMAX用一個(gè)低延遲的NVMe - oF連接到服務(wù)器，因?yàn)橛辛薙CM，所以數(shù)據(jù)訪問會(huì)快一點(diǎn) 。

在PowerMAX的實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)端口都會(huì)被充分利用，每個(gè)端口有自己?jiǎn)为?dú)的隊(duì)列，能處理更多IO，PowerMAX能分別為讀、寫和小的塊請(qǐng)求、大的塊請(qǐng)求，各種負(fù)載提供獨(dú)立的隊(duì)列。

而且不同的端口可配置不同的控制器，RAID會(huì)更高效，比如當(dāng)硬盤故障需要重構(gòu)時(shí)，兩個(gè)控制器可以同時(shí)參與。以往，單控制器重構(gòu)一塊7200轉(zhuǎn)的硬盤大概需要7-8個(gè)小時(shí)，而雙控制器操作時(shí)，只需2.5個(gè)小時(shí)，時(shí)間縮短了三倍。

SCM大爆發(fā)成存儲(chǔ)行業(yè)趨勢(shì)

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，NVMe和SCM都是邁向新數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的關(guān)鍵步伐，我們建議企業(yè)技術(shù)人員在2020年前，做一些NVMe和NVMe-oF方面的技術(shù)更新。在2020年之后，企業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該圍繞可組合的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)規(guī)劃技術(shù)更新路線。

當(dāng)前存儲(chǔ)技術(shù)和市場(chǎng)都處于醞釀狀態(tài)，SCM有時(shí)也被稱為“持久內(nèi)存”，為了充分利用SCM，業(yè)界必須在新的接口上達(dá)成一致，如料想不錯(cuò)，2018年持久內(nèi)存SCM將迎來大爆發(fā)，Optane和3D XPoint開始發(fā)揮作用，頂級(jí)存儲(chǔ)OEM將保持穩(wěn)定。

持久內(nèi)存SCM大爆發(fā)，雖然應(yīng)用程序可以像處理現(xiàn)有系統(tǒng)內(nèi)存一樣對(duì)待SCM，但是使用持久內(nèi)存也會(huì)帶來額外好處，即能有效地將SSD驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)功能與內(nèi)存總線DRAM語義融合起來。

為了充分利用SCM，業(yè)界必須在新的接口上達(dá)成一致，并重新架構(gòu)應(yīng)用程序以利用它們。存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會(huì)（SNIA）是存儲(chǔ)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。多年來，SNIA始終在圍繞著持久內(nèi)存制定驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，并且這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開始成熟。

英特爾公司已經(jīng)將這些新興標(biāo)準(zhǔn)引入到一個(gè)用于處理持久性存儲(chǔ)類內(nèi)存的參考實(shí)踐中。甲骨文公司也支持存儲(chǔ)類內(nèi)存規(guī)格。

英特爾今年將會(huì)正式推出DIMM插槽的3D XPoint產(chǎn)品，官方稱之為持久內(nèi)存（Persistent memory，PM）。英特爾稱，3D XPoint將可以幫助數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)者、開發(fā)者跨越容量及性能上的歷史性障礙，它將改變應(yīng)用及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則，扭轉(zhuǎn)50多年來內(nèi)存小、貴而且不穩(wěn)定的傳統(tǒng)思路。

微軟和Linux社區(qū)都采用了英特爾的PEM庫，并將其集成到SCM產(chǎn)品中。微軟在2017年底開始在Windows Server上支持SCM，并在近期通過更復(fù)雜的支持來測(cè)試下一版本W(wǎng)indows Server。此外，微軟現(xiàn)在也支持SQL Server 2016 SP1技術(shù)，以增強(qiáng)性能。

SCM目前的發(fā)展難點(diǎn)

SCM每字節(jié)成本比閃存貴四倍左右。目前只有兩家供應(yīng)商生產(chǎn)SCM：英特爾和三星。

由于閃存的固有設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存的延遲要低得多。閃存存在性能問題和延遲的最主要原因之一是，為了滿足新寫入而使用的垃圾收集。

數(shù)據(jù)寫入到閃存驅(qū)動(dòng)器時(shí)，它無法覆蓋舊信息。它必須將一個(gè)新的數(shù)據(jù)塊寫入到別處，以后等磁盤I/O處于呆滯時(shí)刪除舊文件。

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。

結(jié)尾：

今年將是業(yè)界在內(nèi)存計(jì)算、大數(shù)據(jù)庫和分析應(yīng)用程序中開始采用SCM作為其架構(gòu)核心部分的一年。對(duì)于主流應(yīng)用來說，它們需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能享受到SCM帶來的好處，但最終這肯定能夠成為現(xiàn)實(shí)。

SCM克服了NAND閃存的局限性，能夠像NAND閃存那樣保存其內(nèi)容，兼具DRAM的速度，最終將會(huì)取代閃存成為首選的高速存儲(chǔ)介質(zhì)，但這不會(huì)是一朝一夕的事情。