儲存級記憶體(Storage Class Memory, SCM)技術的目的,是提供一種存取延遲效能,介於DRAM與NAND Flash記憶體之間的新型記憶體技術。

當前的電腦資料處理架構,採用的是「處理器—靜態隨機存取記憶體(SRAM)—動態隨機存取記憶體(DRAM)—固態硬碟(NAND Flash SSD)」的架構,問題出在DRAM與SSD之間的存取延遲差距較大。

在資料處理架構的最上層,從處理器、SRAM到DRAM之間,每一層的存取延遲大約相差數倍到10倍;而在資料處理架構的最底層,從SSD到硬碟之間的存取延遲則相差10倍到數十倍。但是在DRAM到SSD之間,存取延遲卻一下子從100ns等級驟降到100μs等級,相差了數百倍至1000倍之多,使得資料移動在這個環節出現瓶頸,進而導致處理器資料處理效率的下降。

另一方面,DRAM屬於揮發性媒體,一斷電資料便立即消失,必須持續供應電力才能保存資料,也有著相對耗能與資料容易遺失的問題。

於是早在2008年時,便開始有IBM等廠商提出了儲存級記憶體(SCM)技術,又稱為持續性記憶體(Persistent Memory),擁有接近DRAM的存取效能,又兼具類似SSD的非揮發特性,斷電時仍可保存資料。經過數年發展後,這項技術終於在這兩年正式上市,同時也為企業儲存應用帶來新的面貌。

儲存級記憶體的價值

SCM的存取延遲是1~10μs等級,正好介於DRAM與SSD之間,所以若在DRAM與SSD之間插入SCM作為中介,便能填補兩者間的效能落差,降低從處理器到SSD之間的存取延遲。

與DRAM相比,SCM的存取延遲慢了100倍,IOPS也明顯遜色,所以不能直接取代DRAM。不過SCM的單位成本與儲存密度都更佳,而且具非揮發性,所以可以扮演輔助DRAM的第二層緩衝區角色。

而與SSD相比,SSD的延遲快了10倍,IOPS效能也更高,存取架構也比NAND Flash更簡單——NAND Flash是在區塊(Block)或頁面(Page)層級執行存取作業,而SCM可直接定址位元(bit)或字元(word)層級,執行刪除作業時不需要刪除整個區塊的資料,也能簡化隨機存取與損耗均衡作業,有助於進一步改善作業效率。不過SCM的成本顯著高於SSD,目前的儲存容量也有相當差距,因此也無法完全取代後者,但可作為一個高速儲存裝置來輔助SSD。

所以SCM並不是要取代DRAM或SSD,而是要填補兩者間的效能落差,從而改善電腦資料處理效率。

儲存級記憶體的應用

SCM的應用有M型式與S型式兩大類型,M型式即記憶體型式(Memory-Type),目的是與DRAM配合,作為輔助DRAM、且具備非揮發性的緩衝記憶體。S型式則是儲存型式(Memory-Type),是作為類似SSD的底層儲存裝置使用,提供一種比SSD更快的儲存空間,提供存取加速效果。無論哪一種型式,都具備了作為DRAM與SSD的中介,改善系統整體I/O效能的作用。

過去幾年來,各廠商先後發展了一系列可作為SCM的新型記憶體技術,包括磁性記憶體(MRAM)、相變化記憶體(PCM)、電阻式記憶體(RRAM)等,目前達到商品化與實際上市的產品,則有Intel基於與美光合作3D XPoint技術的Optane,以及三星的Z-SSD兩種,前者屬於電阻式技術,後者則是浮閘電晶體(floating-gate transistors)類型。

目前Optane與Z-SSD都提供了M型式與S型式兩種應用型態的產品,前者採用M.2或PCIe介面卡的產品型式,安裝在主機上作為DRAM的輔助;後者則採2.5吋磁碟的產品型式,安裝在主機後端或儲存陣列上,用於提供輔助SSD的高速儲存裝置。

分層儲存架構的復興

SCM技術與產品的問世,也重燃了企業儲存的分層儲存應用架構。

在4、5年之前,基於自動分層儲存技術(Auto-Tiering)的分層儲存架構,曾在企業儲存領域紅極一時。當時基於NAND Flash的SSD剛進入主流應用不久,成本仍相當高,所以出現了SSD搭配傳統硬碟構成的分層儲存架構,包括作為I/O加速的SSD快取(SSD Cache),或是搭配自動分層儲存技術,將資料依存取頻繁程度,自動遷移到SSD或硬碟等合適的儲存層存放,來達到兼顧效能與成本的目的。

不過隨著SSD成本的持續降低,以及全快閃儲存的逐漸普及,SSD快取與分層儲存架構也不再像以往那樣受到關注。

而現在SCM的出現,則讓分層儲存架構又再次有受到重視的機會。以往的分層儲存是由SSD與硬碟兩類儲存媒體組成。而現在有了SCM以後,將可構成SCM+SSD+硬碟等3大類儲存媒體的分層儲存架構,透過加入SCM來提供更細緻的分層,進一步改善I/O加速效果,同時還能顧及成本效益。

 

儲存級記憶體(SCM)弭平DRAM與SSD間的效能落差

在當前的電腦I/O架構中,DRAM與SSD之間存在較大的落差。最上層的處理器到SRAM快取記憶體,然後再到DRAM之間的存取延遲差了數倍到10倍;而最底層SSD到硬碟之間,存取延遲則差了10倍到100倍。不過從DRAM到SSD之間,一下子便差了1,000倍,從100ns降到100μs等級。

而SCM則可填補DRAM與SSD之間的效能落差,SCM的存取延遲比DRAM慢了大約數十倍到100倍,但又比SSD快了10倍以上,因而可作為兩者的中介,讓整個I/O處理架構更為平順高效。

資料來源: NetApp

儲存級記憶體(SCM)構成新的分層儲存架構

有了SCM這種持續性記憶體技術(Persistent Memory)之後,便可在SSD與硬碟之上,提供一個新的儲存分層,構成SCM+SSD+硬碟的分層構造,進一步改善儲存I/O效能。

資料來源: NetApp

 

 


Advertisement

更多 iThome相關內容