新型存儲(chǔ)技術(shù)：新型SCM類介質(zhì)的特性及使用方法的總結(jié)和介紹

Storage Class Memory (SCM)是非易失性內(nèi)存，該類介質(zhì)的存取速度略比內(nèi)存慢，但是遠(yuǎn)快于NAND類介質(zhì)。本文對(duì)該類介質(zhì)的特性及使用方法做了簡(jiǎn)單總結(jié)和介紹。

目前在研的新型SCM介質(zhì)種類繁多，但是比較主流的有PCM、ReRAM、PCRAM、RRAM、MRAM和NRAM幾大類產(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)電性差異來表示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)值來表示數(shù)據(jù)；目前典型代表廠商為HPE和Crossbar。

HPE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，未來成為取代SRAM、DRAM形成通用內(nèi)存(Universal Memory)，主流的SCM技術(shù)如下：

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，以及多核、分布式、內(nèi)存計(jì)算、云等技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的要求越來越高，SCM技術(shù)的出現(xiàn)為存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的路徑。在未來，新型非易失存儲(chǔ)介質(zhì)將進(jìn)一步在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)中嶄露頭角，特別是當(dāng)前Intel已經(jīng)推出了它的SCM技術(shù)——3D XPoint，而針對(duì)以此為代表的SCM介質(zhì)在系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用，仍有很多挑戰(zhàn)性的問題需要深入研究，這些研究，將可能從以下幾個(gè)方面展開，特此交流探討，以啟發(fā)我們對(duì)未來存儲(chǔ)系統(tǒng)以及未來上層應(yīng)用的思考（本文中討論的研究方向不涉及介質(zhì)自身的研究和芯片級(jí)別的研究）：

MRAM(Magnetic RAM)磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器通過電流磁場(chǎng)改變電子自旋方向來表示不同數(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。

在新興的非易失性二進(jìn)制存儲(chǔ)器中，自旋轉(zhuǎn)矩傳遞RAM (STT-MRAM)、自旋軌道轉(zhuǎn)矩RRAM (SOT MRAM)和壓控MRAM (VC MRAM)因其工作電壓低、速度快和耐用性以及先進(jìn)的CMOS技術(shù)兼容性而特別具有吸引力。

臺(tái)積電研發(fā)STT-MRAM解決方案主要是用來克服嵌入式閃存技術(shù)的擴(kuò)展限制。在2021年IEEE會(huì)議上，臺(tái)積電展示了嵌入16nm FinFET CMOS工藝的STT-MRAM的可靠性和抗磁性。

此外，臺(tái)積電還在積極探索SOT-MRAM和VC-MRAM，并與外部研究實(shí)驗(yàn)室、財(cái)團(tuán)和學(xué)術(shù)合作伙伴合作。臺(tái)積電的SOT-MRAM探索由高速(<2ns)二進(jìn)制內(nèi)存解決方案驅(qū)動(dòng)，該解決方案比傳統(tǒng)的6T-SRAM解決方案密度要大得多，同時(shí)也更節(jié)能。2022年6月，臺(tái)灣工研院宣布，其與臺(tái)積電合作開發(fā)的低壓電流SOT-MRAM，具有高寫入效率和低寫入電壓的特點(diǎn)。工研院表示，其SOT-MRAM實(shí)現(xiàn)了0.4納秒的寫入速度和7萬億次讀寫的高耐久度，還可提供超過10年的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壽命。

NRAM(Nantero’s CNT RAM)碳納米管隨機(jī)存儲(chǔ)器采用碳納米管作為開關(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NRAM密度可以很高、壽命也比較長(zhǎng)，理論功耗也比較低。

RRAM：臺(tái)積電認(rèn)為，AI和IoT所組成的強(qiáng)大組合AIoT，可能會(huì)在未來幾年推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)的增長(zhǎng)。高能效機(jī)器學(xué)習(xí)需要具有低功耗的大容量片上存儲(chǔ)器。它可以同時(shí)支持 1T1R（1 個(gè)晶體管 + 1RRAM）和 1S1R（1 個(gè)選擇器 + 1RRAM）陣列架構(gòu)。與傳統(tǒng)的1T1R架構(gòu)相比，1S1R架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的密度并實(shí)現(xiàn)3D集成。2020年臺(tái)積電開始生產(chǎn)28nm電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)，這是臺(tái)積電為價(jià)格敏感的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)所開發(fā)的低成本解決方案。

2022年11月25日，英飛凌和臺(tái)積電宣布，兩家公司準(zhǔn)備將臺(tái)積電的RRAM非易失性存儲(chǔ)器 (NVM) 技術(shù)引入英飛凌的下一代AURIX微控制器 (MCU)，首批基于28納米 RRAM 技術(shù)的樣品將于2023年底提供給客戶。目前，市場(chǎng)上的大多數(shù) MCU系列都基于嵌入式閃存技術(shù)。RRAM的引入對(duì)MCU來說是一項(xiàng)新的革新，RRAM NVM可以進(jìn)一步擴(kuò)展到 28 納米及以上。臺(tái)積電和英飛凌成功為在汽車領(lǐng)域引入RRAM奠定了基礎(chǔ)。

臺(tái)積電還在繼續(xù)探索新的RRAM材料堆棧及其密度驅(qū)動(dòng)集成，以及可變感知電路設(shè)計(jì)和編程結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)面向AIoT應(yīng)用的高密度嵌入式RRAM解決方案選項(xiàng)。

PCRAM：相變隨機(jī)存儲(chǔ)器(PCRAM)是一種基于硫化物玻璃的非易失性存儲(chǔ)器。通過控制焦耳加熱和淬火，PCRAM在非晶態(tài)(高電阻)和晶體態(tài)(低電阻)之間過渡的電阻。存儲(chǔ)器的電阻狀態(tài)在很大程度上與非晶態(tài)區(qū)域的大小及其可控性和穩(wěn)定性有關(guān)。這使得PCRAM細(xì)胞獨(dú)特地能夠存儲(chǔ)多個(gè)狀態(tài)(電阻)，從而具有比傳統(tǒng)二進(jìn)制存儲(chǔ)器更高的有效細(xì)胞密度的潛力。PCRAM可以支持陣列配置，包括一個(gè)晶體管和一個(gè)存儲(chǔ)器(1T1R)陣列和密度更大的一個(gè)選擇器和一個(gè)存儲(chǔ)器(1S1R)陣列。

相變存儲(chǔ)器具有很有前途的多級(jí)單元 (MLC) 功能，可滿足神經(jīng)形態(tài)和內(nèi)存計(jì)算應(yīng)用中不斷增長(zhǎng)的片上存儲(chǔ)器容量需求。臺(tái)積電一直在探索PCRAM材料、電池結(jié)構(gòu)和專用電路設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)AI和ML的近內(nèi)存和內(nèi)存計(jì)算。臺(tái)積電的一篇論文中指出，他們提出了三種新穎的 MLC PCM 技術(shù)：1）設(shè)備需求平衡，2）基于預(yù)測(cè)的MSB偏置參考，3）位優(yōu)先布局，以解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的 MLC 設(shè)備挑戰(zhàn)。使用測(cè)量的 MLC 誤碼率，所提出的技術(shù)可以將 MLC PCM 保留時(shí)間提高105倍，同時(shí)將ResNet-20推理精度下降保持在3%以內(nèi)，并在存在時(shí)間阻力漂移的情況下，將CIFAR-100數(shù)據(jù)集的精度下降減少 91% (10.8X)。如下圖所示。

1、基于SCM的存儲(chǔ)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)方法研究

當(dāng)前存儲(chǔ)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)是專為易失、讀寫差異小、幾乎無壽命問題的DRAM以及傳統(tǒng)的硬盤、NAND等存儲(chǔ)介質(zhì)而設(shè)計(jì)的，這種系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)對(duì)于SCM而言是不適用的，無論是當(dāng)前的內(nèi)存管理方法、訪問接口設(shè)計(jì)，還是I/O請(qǐng)求調(diào)度等都沒有充分考慮SCM的缺點(diǎn)，比如典型的SCM介質(zhì)PCRAM（相變存儲(chǔ)器），其壽命、性能、讀寫不均衡等問題，都會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前技術(shù)不能夠充分發(fā)揮介質(zhì)的特性，同時(shí)還可能會(huì)將介質(zhì)的弱點(diǎn)放大，不利于構(gòu)建面向未來大數(shù)據(jù)和內(nèi)存計(jì)算環(huán)境的高性能低功耗、大容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

如上所述，從SCM、DRAM、NAND Falsh等多種介質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)出發(fā)，研究SＣＭ在異構(gòu)混合存儲(chǔ)系統(tǒng)中的組織方法，合理組合多種存儲(chǔ)介質(zhì)，構(gòu)建多介質(zhì)的異構(gòu)混合存儲(chǔ)環(huán)境，建立可以充分發(fā)揮各存儲(chǔ)介質(zhì)特性的體系結(jié)構(gòu)，解決多介質(zhì)異構(gòu)混合存儲(chǔ)時(shí)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，實(shí)現(xiàn)新型非易失存儲(chǔ)器與現(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)和系統(tǒng)的完美融合。

2、基于SCM的存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問方法研究

傳統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的訪問方法是立足于DRAM、NAND Falsh等設(shè)計(jì)的，它將不再適用于具有可字節(jié)編址和位修改等特性的SCM和DRAM，部分SCM介質(zhì)的讀寫不對(duì)稱使其難以按流水線方式執(zhí)行讀寫混合I/O請(qǐng)求，且當(dāng)前SCM與現(xiàn)有內(nèi)存系統(tǒng)在訪問特性上有顯著差異，與此同時(shí)SCM支持本地修改等異于NAND Falsh的特性也使得當(dāng)前外存領(lǐng)域的訪問方式需要優(yōu)化和改進(jìn)。

研究基于SCM存儲(chǔ)系統(tǒng)的多接口適配的訪問方法，以匹配新型非易失存儲(chǔ)器的特性，從而隱藏多介質(zhì)在訪問粒度、延遲、帶寬及壽命等方面的差距，提升存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能。未來研究將可能包括：

①研究SCM在內(nèi)存環(huán)境中字節(jié)粒度尋址的讀寫訪問方法，充分挖掘SCM通道間、芯之間以及芯片內(nèi)部的多層次訪問并行性；

②研究在外存環(huán)境中塊粒度尋址的高效讀寫訪問方法，并遵循業(yè)界針對(duì)非易失存儲(chǔ)器的接口標(biāo)準(zhǔn)（如NVMe協(xié)議）；

③優(yōu)化訪問路徑，減少系統(tǒng)I/O調(diào)用給性能帶來的影響；

④利用SCM的讀寫特點(diǎn)來優(yōu)化讀寫操作和流程，以此減少訪問延遲；

⑤立足SCM特性優(yōu)化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少對(duì)SCM無用的寫操作和寫入數(shù)據(jù)量，以提升系統(tǒng)性能和壽命。

3、基于SCM的存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性研究

隨著工藝制程的降低，非易失存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元不斷變小，當(dāng)SCM采用更小制程、提供更高存儲(chǔ)密度和更大容量時(shí)，其存儲(chǔ)單元的錯(cuò)誤率隨之升高．同時(shí)，SCM存儲(chǔ)單元的可擦寫次數(shù)有限（108～1012），頻繁的擦寫會(huì)導(dǎo)致芯片單元很快到達(dá)壽命極限．這些將使存儲(chǔ)系統(tǒng)面臨數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤、損壞以及丟失的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)可靠性造成了極大的威脅。

未來的研究將立足于SCM的特性，通過多種途徑來保障數(shù)據(jù)的可靠性，研究將可能在以下幾個(gè)方面展開：

①研究降低當(dāng)前已有的糾錯(cuò)機(jī)制（軟硬件）所需的開銷；

②研究可配置、適應(yīng)數(shù)據(jù)集屬性的組合校驗(yàn)算法，即區(qū)別不同屬性的數(shù)據(jù)集，根據(jù)其所需的可靠性需求采用不同糾錯(cuò)能力和開銷的校驗(yàn)算法，以平衡其糾錯(cuò)強(qiáng)度和校驗(yàn)開銷；

③研究新的通過減少寫操作次數(shù)、寫入數(shù)據(jù)量來提升SCM的壽命的策略；

④研究新穎、可用范圍廣的磨損均衡策略，在現(xiàn)有磨損均衡基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新、優(yōu)化，設(shè)計(jì)出可應(yīng)用于不同需求環(huán)境下的磨損均衡策略，提升SCM壽命；

⑤研究基于SCM的壞塊復(fù)用和數(shù)據(jù)容錯(cuò)機(jī)制，進(jìn)一步增加SCM的使用壽命，提高數(shù)據(jù)可靠性；

⑥研究數(shù)據(jù)一致性的保障和維護(hù)，根據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性需求、訪問接口粒度等因素，設(shè)計(jì)低開銷、多路徑的數(shù)據(jù)更新策略和數(shù)據(jù)一致性維護(hù)方法。

4、基于SCM的存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性保障研究

由于SCM具有非易失性，即當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，SCM存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并不會(huì)消失，從而通過惡意修改數(shù)據(jù)所導(dǎo)致的執(zhí)行狀態(tài)可能是持久的，即使設(shè)備斷電，系統(tǒng)也會(huì)存在冷啟動(dòng)攻擊的風(fēng)險(xiǎn)．因此非易失特性會(huì)使系統(tǒng)被入侵和數(shù)據(jù)被盜竊的風(fēng)險(xiǎn)增大．所以當(dāng)采用SCM構(gòu)建內(nèi)存子系統(tǒng)時(shí)，需要考慮數(shù)據(jù)的安全性保障機(jī)制。

對(duì)此，未來該領(lǐng)域還需要研究針對(duì)操作系統(tǒng)的加密機(jī)制，通過加密模塊對(duì)寫入SCM的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止存儲(chǔ)數(shù)據(jù)被竊取或泄密的情況發(fā)生；研究利用訪問權(quán)限控制等策略來保證數(shù)據(jù)的訪問安全性；特別針對(duì)ＰＣＭ中的系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，需采用強(qiáng)度更高的加密、上鎖等算法，防止惡意的入侵修改所引起的系統(tǒng)安全問題，保障基于SCM的存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性。

5、基于SCM的存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件優(yōu)化研究

由于SCM異于傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)的特性，使得SCM存儲(chǔ)技術(shù)不能良好地兼容當(dāng)前存儲(chǔ)系統(tǒng)的內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等軟件架構(gòu)?；赟CM的存儲(chǔ)系統(tǒng)，在軟件層仍然需要改進(jìn)，以進(jìn)一步優(yōu)化和提升存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能。

未來基于SCM的存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件優(yōu)化研究將可能包括：

①結(jié)合各存儲(chǔ)介質(zhì)的特性，基于SCM存儲(chǔ)管理架構(gòu)，研究冷熱數(shù)據(jù)識(shí)別算法和數(shù)據(jù)熱度分級(jí)管理等軟件策略，降低存儲(chǔ)系統(tǒng)中的讀寫操作開銷，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡；

②立足于SCM在存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景（如統(tǒng)一內(nèi)外存），針對(duì)SCM支持本地修改、位修改和可字節(jié)編址等特性，研究適應(yīng)于SCM的文件系統(tǒng)，從而提升文件系統(tǒng)乃至存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能；

③研究基于SCM的內(nèi)存分配機(jī)制及其優(yōu)化策略，從操作系統(tǒng)層入手面向文件系統(tǒng)、虛擬內(nèi)存等進(jìn)行優(yōu)化，降低頁面分配等多種內(nèi)存管理開銷，充分地利用SCM的非易失性提高系統(tǒng)性能；

④研究設(shè)計(jì)新的軟件調(diào)度算法，通過調(diào)度策略的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，達(dá)到系統(tǒng)性能的提升。

6、基于SCM的存儲(chǔ)硬件原型系統(tǒng)的研究

由于真正的SCM芯片還沒實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)的量產(chǎn)，目前也就只有Intel的ColdStream問世，因此現(xiàn)有的研究還面臨著幾乎沒有可用的基于SCM的真實(shí)硬件原型平臺(tái)的尷尬局面，絕大多數(shù)研究均是在軟件模擬器上進(jìn)行的，當(dāng)前比較成熟的模擬器有PCRAMsim、Simics、M5和DRAMsim以及近些年備受學(xué)者青睞的全系統(tǒng)模擬器GEM5。

由于SCM技術(shù)研究還處于起步階段，其應(yīng)用場(chǎng)景和價(jià)值尚未完全開發(fā)實(shí)現(xiàn)；而且目前市面上的主流存儲(chǔ)器仍然不是SCM，適合于當(dāng)前存儲(chǔ)環(huán)境的大容量、高性能的SCM物理芯片稀貴，這些都導(dǎo)致當(dāng)前系統(tǒng)級(jí)的研究幾乎全都是基于軟件模擬器進(jìn)行的，從而無法獲取最真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以進(jìn)行更加專業(yè)、深入的研究。

利用SCM物理芯片，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的存儲(chǔ)硬件原型系統(tǒng)，包括基于SCM的內(nèi)存原型系統(tǒng)和外存原型系統(tǒng)，甚至于搭建基于SCM的專用硬件系統(tǒng)，比如基于SCM的DIMM條，基于SCM的全新硬件框架，基于SCM的高速通信通道等等，以解決目前相關(guān)研究沒有原型平臺(tái)的尷尬局面，通過在平臺(tái)上獲得最真實(shí)的數(shù)據(jù)，展開更有說服力、有數(shù)據(jù)依據(jù)的相關(guān)研究，將對(duì)當(dāng)前內(nèi)／外存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)的研究工作起到積極作用。

7、基于SCM的事務(wù)性存儲(chǔ)系統(tǒng)研究

事物存儲(chǔ)技術(shù)作為存儲(chǔ)領(lǐng)域最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，幾乎被應(yīng)用于所有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)。隨著閃存等介質(zhì)的廣泛應(yīng)用，存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)正面臨著較大的變革，在這種背景下；因此在SCM技術(shù)的到來的背景下，研究基于SCM的事務(wù)性存儲(chǔ)系統(tǒng)比較迫切。

針對(duì)目前SCM介質(zhì)應(yīng)用于事務(wù)處理技術(shù)，如下幾個(gè)問題還需要進(jìn)一步探索和研究：

①事務(wù)存儲(chǔ)接口：如何提高實(shí)用性且支持不同特性事務(wù)的設(shè)備接口；

②數(shù)據(jù)可用性：如何高效迅速的進(jìn)行故障恢復(fù)；

③系統(tǒng)可擴(kuò)展性：分布式環(huán)境下，如何利用SCM提供高效的事務(wù)處理，多核環(huán)境下的分布式系統(tǒng)中如何提供更加優(yōu)秀的日志等技術(shù)能力；

④數(shù)據(jù)可靠性：如何保證新介質(zhì)中數(shù)據(jù)的可靠性持久化能力等等。

8、基于SCM的上層應(yīng)用研究

在上述研究?jī)?nèi)容的背景下，顯而易見可以看出SCM的多種優(yōu)勢(shì)都將會(huì)給未來的存儲(chǔ)系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)其他技術(shù)領(lǐng)域帶來變革，那么，面向SCM技術(shù)的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、面向SCM技術(shù)的實(shí)時(shí)分析應(yīng)用、面向SCM技術(shù)的內(nèi)存計(jì)算技術(shù)、面向SCM的大數(shù)據(jù)服務(wù)等等，都將可能會(huì)因?yàn)镾CM的到來，有了新的機(jī)會(huì)和變革窗口。

這些領(lǐng)域的研究，最直接的，比如考慮將當(dāng)前的存儲(chǔ)介質(zhì)全部換成SCM后，在性能得到收益的同時(shí)，應(yīng)該如何應(yīng)對(duì)新的問題，將是未來的研究重點(diǎn)。

編輯：黃飛

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