SCM: Co je to za paměť, která má to nejlepší z RAM a to nejlepší z SSD?

Průvodce hardwarem » Návody » SCM: Co je to za paměť, která má to nejlepší z RAM a to nejlepší z SSD?

Ve světě IT probíhá neustálý boj o nalezení nových paměťových řešení. Jednou z priorit je dosáhnout paměti, která kombinuje to nejlepší z obou světů: RAM a SSD. Tedy paměti stejně rychlé jako primární paměť, ale s kapacitou a energeticky nezávislou povahou sekundární paměti. A přesně tam se věci ubírají. Vrchní soud (SCM) které vám dnes představujeme…

Aktuální hierarchie paměti

Pro připomenutí, řekněme, že paměť v současné počítačové architektuře má hierarchie paměti ve tvaru pyramidy, od nejrychlejší, nejdražší a nejnižší kapacity nahoře k nejlevnější, nejpomalejší a nejvyšší kapacitě na základně:

• 0 úroveňNahoře máme ty nejrychlejší ze všech, což jsou ti evidence CPU, ačkoli má také nejmenší kapacitu. Registry se obvykle pohybují ve velikosti od 32 bitů do 64 bitů nebo více. Navzdory své malé kapacitě jsou však vyrobeny z velmi rychlých klopných obvodů a lze k nim přistupovat za méně než 0.5 ns.
• 1 úroveňTěsně pod registry se nachází mezipaměť cache, od L0 nebo L1 až po LLC (Last Level Cache). Mohou zde být zahrnuty i některé vyrovnávací paměti, například TLB, což je také typ mezipaměti. To znamená, že se často setkáváme s L1, L2 a L3, až na několik výjimek. Tato paměť má obvykle větší kapacitu než registry, od několika KB do několika MB. Buňky v této paměti jsou však SRAM. Díky tomu jsou velmi rychlé, i když ne tak rychlé jako registry, ale rychlejší než úrovně pod nimi. Zde mluvíme o přístupových časech, které se obvykle pohybují od 1 ns do několika desítek nanosekund, v závislosti na úrovni, nebo jinými slovy od přibližně 4 hodinových cyklů CPU do 50 nebo 70 cyklů na vyšších úrovních. Například L1 může mít typické přístupové časy 1 ns, zatímco L2 by mohla být kolem 3.3 ns, L3 mezi 12.8 ns a L4 42.4 ns… Je třeba také dodat, že jak úroveň 0, tak úroveň 1 se v současných případech nacházejí v samotném CPU.
• 2 úroveňToto je to, co je známé jako primární paměť nebo hlavní paměť. Tedy RAM (lze sem zahrnout i virtuální paměť, i když mějte na paměti, že se jedná o část umístěnou v úrovni 3). Tato paměť má větší kapacitu než mezipaměť, několik GB, ale je také pravda, že přístupové doby jsou pomalejší, kolem 10 ns. To se může lišit v závislosti na typu paměti, protože latence a taktovací frekvence nejsou u všech stejné, ale jen pro informaci. Je to proto, že se jedná o paměť složenou z buněk DRAM, pomalejších než SRAM, ale levnějších, což umožňuje tuto vyšší kapacitu za rozumnou cenu. Úroveň 0, úroveň 1 a úroveň 2 jsou paměti, ke kterým má CPU přímý přístup. Mimochodem, jak víte, GPU má také svou vlastní hlavní paměť neboli VRAM, a to je obecně DRAM a v některých případech také HBM. HBM lze také použít pro CPU, i když je to exotičtější.
• 3 úroveňLze sem zahrnout i energeticky nezávislou paměť (NVM), protože všechny předchozí úrovně byly energeticky nezávislé, což znamená, že když je paměťovým buňkám odpojeno napájení, jejich obsah se ztratí. Tento typ paměti si uchovává všechny uložené informace i po odpojení napájení. Je také důležité si uvědomit, že k tomuto typu paměti nemůže CPU přímo přistupovat a v mnoha případech vyžaduje asistenci operačního systému. Tato úroveň se obecně označuje jako sekundární paměť, stejně jako úroveň 1 jako primární paměť. Úroveň 3 zahrnuje pevné disky HDD a SSD. První z nich jsou magnetické a mají přístupovou dobu kolem 3 ms, zatímco druhé jsou mnohem rychlejší flash paměti s přístupovou dobou kolem 0.1 ms. Jak vidíte, zde se pohybujeme od nanosekund k milisekundám, ale je třeba také říci, že se jedná o paměť, která je na výrobu podstatně levnější, takže ji lze implementovat v kapacitách stovek nebo tisíců GB nebo TB.
• 4 úroveňV tomto případě jsou přístupové doby delší než v předchozích případech a v některých případech mohou přesáhnout 10 ms. Může se jednat o vyměnitelná média, optickou paměť (CD/DVD/BD), magnetické pásky a další I/O paměť.

Dobře, jakmile pochopíme tuto pyramidu nebo hierarchii paměti, dalším krokem je začít se zabývat tím, co SCM je…

Hledání univerzální paměti

Ve snaze vylepšit tuto hierarchii paměti vědci neustále vyvíjejí nové technologie a hledají tzv. „univerzální paměť“Tento termín označuje paměťové zařízení, které dokáže kombinovat cenové výhody paměti DRAM, rychlost paměti SRAM a energeticky nezávislou povahu flash paměti a zároveň má nekonečnou a dlouhodobou životnost.

Je zřejmé, že shrnout všechny tyto funkce do jedné zprávy není snadné, Mnoho odborníků pochybuje, že je to možné.. Nějaký Paměti, které se objevily nedávno, mohou splňovat některé z těchto charakteristik, ačkoli z nějakého důvodu nepředstavují definitivní řešení.

Mám na mysli paměti jako FRAM nebo FeRAM, MRAM, PCM, RRAM nebo ReRAM, NRAM nebo Nano-RAM, PRAM nebo PCRAM, paměti založené na memristorech, PMC, bublinové paměti, paměti typu racetrack, UltraRAM (zkoumané polovodiče jako InGaAs, GaSb, AlGaAs, GaAs, AlSb, InAs), 3D XPoint, Millipede, paměti založené na FeFET, NOVRAM atd. Všechny mají zajímavé výhody, ale také nevýhody, které je stále nedělají vhodnými k tomu, aby byly považovány za univerzální paměti, a které mohou nahradit úrovně 2 a 1, jak je vidět v předchozí pyramidě, a také se vložit jako paměť mezi hlavní a sekundární paměť.

Co je NVRAM?

La NVRAM (energeticky nezávislá paměť s náhodným přístupem) Jedná se o typ paměti s náhodným přístupem, podobně jako RAM, ale neztrácí svá data, když není napájena, takže je energeticky nezávislá. Cílem je dosáhnout toho, aby tato paměť měla vlastnosti SRAM nebo DRAM, pokud jde o rychlost přístupu, ale bez ztráty uložených informací, jako je tomu u sekundární paměti. To by mohla být dobrá technologie pro použití v mnoha oblastech, od ukládání firmwaru až po mikrokontroléry pro průmysl, nebo pro použití v HPC aplikacích, leteckých a kosmických aplikacích, internetu věcí, distribuovaných výpočtech, aplikacích virtuálních strojů a dalších.

Myslete na všechny výhody Co by tato paměť měla ve srovnání se současnou konvenční pyramidou, například:

• Jelikož je stejně rychlá jako DRAM nebo SRAM, dosahuje velmi rychlých přístupových časů, což umožňuje její použití jako hlavní paměť.
• Protože je energeticky nezávislá, její spotřeba by byla velmi nízká, protože by nebyly nutné obnovovací cykly a neustálé doplňování paměti, jako je tomu u energeticky nezávislé paměti.
• Pro ukládání velkého množství informací lze získat velké kapacity.
• Tyto články mají také lepší spolehlivost než současné flash články, takže data lze ukládat dlouhodobě, aniž by se zhoršovala po tisících nebo milionech cyklů, jak se v současnosti děje u těchto jiných článků. Jak víte, v závislosti na tom, zda Buňky flash paměti jsou NOR, NAND nebo jejich deriváty, spolehlivost může být víceméně krátká.

Tato trvalá paměť by mohla být řešením některých současných problémů vzhledem k existujícím technologickým omezením a mezerám, resp. rozdíl v dosažených výsledcích proud mezi RAM a CPU.

Jak víte, v současné době existují některé řešení Patří mezi ně rychlejší energeticky nezávislé paměti pro ukládání informací během používání, což umožňuje rychlejší přístup k nim. Když se blíží výpadek napájení, obsah se přenese do energeticky nezávislé paměti. To však znamená použití dvou typů pamětí, což mimo jiné zvyšuje výrobní náklady. S těmito moduly však budete mít vše v jednom.

Nedávno byly zavedeny některé standardy, jako např. NVDIMM, tedy formát DIMM (Dual In-line Memory Module) pro tento typ permanentní nebo energeticky nezávislé paměti. Tímto způsobem by tyto paměti mohly být implementovány v modulární formě jako současné RAM a instalovány do slotů podobných těm, které jsou v současnosti k dispozici. Na rozdíl od konvenční DRAM by však měly výše uvedené výhody.

Paměti NVDIMM se vyvinuly z technologie známé jako BBU DIMM (baterií zálohované DIMM), která používala záložní baterii k udržení napájení v energeticky nezávislé paměti po dobu až 72 hodin v případě výpadku proudu. To však není cílem této SCM nebo univerzální paměti, protože použití baterií znamená, že je nutné je nabíjet nebo vyměňovat, má větší dopad na životní prostředí a tak dále.

Tento pomocný zdroj napájení je nezbytný k tomu, aby hlavní energeticky nezávislá paměť měla v případě výpadku napájení čas přenést svůj obsah do energeticky nezávislé paměti. V současné době existují také některé moduly NVDIMM, které se nespoléhají na baterie, ale na superkondenzátory, tedy vysokokapacitní kondenzátory, které jsou během používání plné a při náhlém výpadku proudu mají dostatek energie, aby zůstaly aktivní dostatečně dlouho, aby nedošlo ke ztrátě dat.

Některá z těchto řešení byla původně používána pro ukládání do mezipaměti některých adaptérů hostitelské sběrnice (HBA) pro disky RAID, což umožňovalo mezipaměti přežít výpadek napájení. Jak však uvidíte, mají i další využití.

Aby se omezilo používání těchto systémů, některé se zrodily standardy podle JEDEC pro NVDIMM které byste měli vědět, jako například:

• NVDIMM-FToto je standardní slot pro moduly DIMM s čipy flash paměti. Uživatelé systému musí kombinovat paměťový DIMM s tradičním DRAM DIMM, tj. oba moduly samostatně. Je k dispozici od roku 2014 s produkty, jako je 3D XPoint PCM, který oznámily společnosti Intel a Micron Technology.
• NVDIMM-NV tomto případě jsou oba typy pamětí zkombinovány do jednoho DIMM modulu. To znamená, že máme flash úložiště a tradiční DRAM ve stejném modulu. To umožňuje systému přímý přístup k tradiční DRAM za chodu systému. V případě výpadku napájení nebo vypnutí modul vyprázdní data z energeticky nezávislé tradiční DRAM do persistentní flash paměti a po obnovení napájení je zkopíruje zpět. Pro modul se používá malý záložní zdroj napájení, zatímco se data kopírují z DRAM do flash paměti. Společnosti Sony a Viking Technology také oznámily paměť pro tento typ slotu založenou na ReRAM.
• NVDIMM-PSpecifikace : se objevila v únoru 2021 a umožnila perzistentní hlavní paměť, přičemž se objevily tyto nové SCM neboli univerzální paměťové moduly. Kromě toho mohly sdílet identické propojení s moduly DIMM DDR4 nebo DDR5. Proto je bylo možné nahradit. Mezi příklady tohoto typu patří modul Samsung/Netlist oznámený v roce 2015, který byl pravděpodobně založen na Z-NAND.
• NVDIMM-XToto není standard JEDEC, ale je to také zajímavé. V tomto případě máme paměťový modul DDR DIMM s pamětí NAND flash, vyvinutý společností Xitore.

Dobře, teď se přesuneme k SCM, což souvisí se vším, co jsem zde vysvětlil, jak uvidíte, ale bylo nutné to vysvětlit, než jsme se pustili do práce s tímto novým konceptem...

Co je SCM?

La SCM (paměť třídy úložiště), na kterou se tento článek zaměřuje, je typ fyzické paměti, která se snaží etablovat jako univerzální paměť, nebo alespoň pokrýt některé její základy. S SCM máme paměť, která kombinuje to nejlepší z dynamické paměti s náhodným přístupem (DRAM), to nejlepší z paměti NAND flash a zdroj energie pro perzistenci dat.

Stručně řečeno, čeho bychom s SCM dosáhli, je mít přístup (zápis a čtení) k datům je rychlejší než přístup k datům na lokálně připojených discích SSD (Solid State Drive) přes PCIe, magnetické pevné disky (HDD) a externí úložná pole. SCM je odolnější než DRAM a dokáže číst a zapisovat data až 10krát rychleji než disky NAND. Vyšší kapacity než u konvenční paměti RAM však lze dosáhnout za dostupnou cenu a také s delší životností než u současných SSD disků.

Jednou z aplikací, ve kterých lze tyto SCM paměti využít, je v datových centrechA mohou přispět:

• LatenceMáme vysoce výkonné úložné médium s nízkou latencí, což znamená rychlejší přístupové doby než u sekundárních úložných médií. To je pozitivní faktor pro úlohy, které vyžadují zpracování velkého množství dat s dobrým výkonem.
• TrvaléZáložní zdroj napájení zajišťuje, že data a programový kód zůstanou uchovány i při selhání systému nebo výpadku napájení. Tím se mezi pamětí DRAM a flash nachází bajtově adresovatelná perzistentní úložná vrstva. Použití SCM rozšiřuje rychlý výkon paměti DRAM i na energeticky nezávislé úložiště. Po obnovení napájení se tedy systém může vrátit přesně tam, kde skončil, bez ztráty dat nebo času – což je v systémech s vysokou dostupností zásadní. Navíc by v mnoha případech odpadla potřeba neustálého obnovování.
• Méně závislý na sekundárních médiíchS SCM je třeba mezi hlavní pamětí a sekundárním úložištěm přesouvat méně dat, protože má větší kapacitu. To snižuje zatížení procesoru, když potřebuje, aby operační systém přistupoval k sekundárním médiím, jak jsem vysvětlil dříve, což zvyšuje výkon. Zařízení SCM může pracovat s taktovací frekvencí téměř stejně vysokou jako DRAM a statická RAM (SRAM), ale s výhodou perzistence.

Výhody a nevýhody SCM

Jak jsem již v článku komentoval, použití SCM může mít velké výhody ve srovnání s konvenčními paměťmi, například větší kapacitou než současné DRAM, s podobnými nebo rychlejšími přístupovými časy, ale bez volatility konvenčních pamětí. Kromě toho mnoho nových vyvíjených technologií nabízí také vyšší energetickou účinnost, což je důležité v datových centrech. A v případě lokálního napájení uzlu by se data neztratila. Je také důležité si uvědomit, že data umístěná v SCM sledují kratší I/O cestu a snižují sběr odpadu u velkých datových bloků.

V informatice je garbage collection neboli GC způsob automatické správy paměti. GC se pokouší získat zpět paměť přidělenou programem, která se již nepoužívá; jinými slovy, uvolňuje tento paměťový prostředek. Tím se program zbavuje nutnosti provádět úlohy správy paměti; jinými slovy, nemusí specifikovat, které objekty má dealokovat a uvolnit.

Ale i přes své výhody mají také Některé nevýhody, a proto dosud nebyly široce přijaty. Jedním z největších úskalí je, že jsou založeny na technologiích, které jsou stále ve vývoji nebo potřebují dozrát, protože první uvedené produkty nedosáhly limitů potenciálu, který byl teoreticky očekáván. Navíc, protože se jedná o exotické technologie, může být jejich výroba dražší.

Příklady produktů SCM

Jak jsem již zmínil výše, existují některé příklady produktů které byly uvedeny na trh a jsou považovány za typy komerčních implementací SCM, jako například:

• Intel OptaneV roce 2018 byl uveden na trh produkt speciálně vyvinutý pro HPC, umělou inteligenci a další aplikace, který umožňuje zlepšení výkonu díky paměti SCM založené na technologii 3D XPoint, vyvinuté společně se společností Micron. Ačkoli bylo uvedeno na trh několik formátů této paměti, jako například formáty M.2 NVMe, rozšiřující karty PCIe, existoval také jeden ve formátu DIMM s názvem Optane Persistent Memory neboli PMem. Kapacita těchto modulů DIMM se pohybovala od 128 GB do 512 GB na modul. V roce 2021 se však Intel rozhodl vývoj této paměti zastavit a zaměřil se na otevřený standard Compute Express Link (CXL), který se jevil jako slibnější.
• Samsung Z-SSDJihokorejská společnost by také vytvořila médium s nízkou latencí typu SCM založené na jiné technologii než ta předchozí. V tomto případě byla použita varianta V-NAND, nazývaná Z-NAND, která byla organizována ve 48 vrstvách paměťových buněk založených na tranzistorech s plovoucí hradlovou funkcí.
• Rozšiřující paměťové mechaniky Western Digital Ultrastar DC ME200: lze použít k rozšíření stávající systémové paměti, podpoře konsolidace serverů a snížení složitosti rozdělení velkých datových sad o velikosti několika terabajtů mezi více serverů. Jedná se o řešení SCM, které společnost AMD použila pro své systémy založené na procesoru EPYC, aby konkurovala řešení společnosti Intel.
• Kioxia XL-Flash SCMTato společnost, dříve Toshiba Memory, také vyvinula vlastní technologii SCM, známou jako tato. Tyto produkty používaly tvarový faktor podobný SSD, ale s plány na jeho zavedení na sběrnici DRAM.
• Inteligentní modulární technologie DuraMemoryToto další řešení perzistentní paměti v modulech je také dalším pozoruhodným příkladem, ačkoli v tomto případě je navrženo pro průmysl a prostředí, kde je nezbytná robustnost a spolehlivost za nepříznivých podmínek.

Všechny tyto události, mimo jiné, způsobily mnoho velcí dodavatelé IT firmy, zejména společnosti zabývající se HPC, se o tyto produkty začnou zajímat a zařadí je do svých řešení. Mezi příklady využití SCM v komerčních a podnikových systémech patří:

• Dell EMCAmerická společnost oznámila, že bude používat paměť Intel Optane PMem ke zlepšení výkonu svých systémů PowerMax SAN.
• Společnost Hewlett Packard Enterprise (HPE)by také pronikl do SCM s podnikovými řešeními, jako jsou Nimble Storage SAN, založené na Optane.
• Hitachi Vantara: Japonská společnost také nabídla svou platformu Virtual Storage Platform řady 5000 s možností, aby uživatelé používali SCM, která funguje jako vyrovnávací paměť nebo mezipaměť.
• Lenovo: Očekává se, že čínský gigant v oblasti osobních počítačů a HPC také oznámí podporu Intel Optane pro své servery ThinkSystem.
• MemVergeTento startup, založený v roce 2017, vyvinul systém známý jako Memory Machine, který virtualizoval DRAM a Intel Optane a vytvořil tak vysokokapacitní perzistentní úložné médium. Cílem bylo využít tyto systémy pro snapshoty, replikaci serverů a další účely.
• NetAppnavrhl software Memory Accelerated Data (Max Data). Tento projekt využívá technologii Pleexistor a podporuje Intel Optane SCM.
• Pure StorageMyšlenkou této společnosti bylo zkombinovat flash paměť NVMe a moduly, které sama vyvinula a nazvala DirectMemory, což vedlo k platformě komerčně známé jako FlashArray//X all-flash s využitím dvouportových zařízení Intel Optane.
• StorOnePodobné jako předchozí, protože All-Flash Array.next je systém, který obsahuje paměť Optane spolu s pamětí Intel QLC 3D NAND a je spravován softwarem S1.
• Rozsáhlá dataTato jiná společnost vytvořila vyrovnávací paměť pro zápis založenou na SCM pro urychlení úloh umělé inteligence.

Budoucnost SCM

Stručně řečeno, byli jsme svědky několika pokusů o technologie a produkty, které využívají nějakou formu SCM, ale z nějakého důvodu se na trhu zcela neujaly. Stále je zapotřebí vývoj, stejně jako vyspělost některých technologií, na kterých jsou tato zařízení založena. A navzdory pesimismu mnohých tato zpráva může mít slibnou budoucnost.