SCM: Mis mäluga on parim RAM ja parim SSD?

Riistvara juhend » Giidid » SCM: Mis mäluga on parim RAM ja parim SSD?

IT-maailmas käib pidev võitlus uute mälulahenduste leidmisega. Üks prioriteete on saavutada mälu, mis ühendab endas mõlema maailma parimad omadused: RAMi ja SSD-d. See tähendab mälu, mis on sama kiire kui põhimälu, kuid millel on sekundaarmälu mahutavus ja püsivus. Ja sinnapoole asjad liiguvadki. SCM mida me teile täna esitleme…

Praegune mäluhierarhia

Meeldetuletuseks, oletame, et praeguse arvutiarhitektuuri mälul on a mäluhierarhia püramiidi kujul, liikudes kiireimast, kallimast ja väikseima mahutavusega tipust allapoole odavaima, aeglaseima ja suurima mahutavusega:

• 0 tasemelTipus on meil kõige kiiremad, mis on dokumendid protsessorist, kuigi sellel on ka kõige väiksem maht. Registrite suurus jääb tavaliselt vahemikku 32-bitine kuni 64-bitine või suurem. Vaatamata väikesele mahutavusele on need aga ehitatud väga kiiretest flip-flopidest ja neile pääseb ligi vähem kui 0.5 ns-ga.
• 1 tasemelVahemälu asub registrite all, alates L0-st või L1-st kuni LLC-ni (Viimase taseme vahemälu). Siia võivad kuuluda isegi mõned puhvrid, näiteks TLB, mis on samuti vahemälu tüüp. See tähendab, et sageli võime leida L1, L2 ja L3, välja arvatud mõned erandid. Sellel mälul on tavaliselt suurem maht kui registritel, ulatudes mõnest KB-st kuni mitme MB-ni. Selle mälu elemendid on aga SRAM-id. See muudab need väga kiireks, kuigi mitte nii kiireks kui registrid, kuid kiiremaks kui nende all olevad tasemed. Siin räägime juurdepääsuaegadest, mis on tavaliselt 1 ns kuni mõnekümne nanosekundini, olenevalt tasemest ehk teisisõnu umbes 4 protsessori taktsagedusest kuni 50 või 70 tsüklini kõrgematel tasemetel. Näiteks võib L1 tüüpiline pöördusaeg olla 1 ns, samas kui L2-l võib see olla umbes 3.3 ns, L3-l 12.8 ns ja L4-l 42.4 ns... Samuti tuleks lisada, et nii 0. kui ka 1. tase asuvad praegustel juhtudel protsessoris endas.
• 2 tasemelSeda nimetatakse primaarmäluks ehk põhimäluks. See tähendab RAM-i (siia võib lisada ka virtuaalmälu, kuigi tuleb meeles pidada, et see on 3. tasemel asuv osa). Sellel mälul on suurem maht kui vahemälul, mitu GB, kuid on ka tõsi, et juurdepääsuajad on aeglasemad, umbes 10 ns. See võib mälu tüübist olenevalt varieeruda, kuna latentsus ja taktsagedus ei ole kõigil samad, aga lihtsalt selleks, et anda teile ülevaade. See on sellepärast, et see on DRAM-elementidest koosnev mälu, mis on aeglasem kui SRAM, kuid odavam, mis võimaldab seda suuremat mahtu mõõduka hinnaga. 0., 1. ja 2. taseme mälud on mälud, millele protsessor saab otse juurde pääseda. Muide, nagu teate, on ka graafikaprotsessoril oma põhimälu ehk VRAM ja see on üldiselt DRAM ja mõnel juhul ka HBM. HBM-i saab kasutada ka protsessori jaoks, kuigi see on eksootilisem.
• 3 tasemelSiia võib lisada ka püsimälu (NVM), kuna kõik eelmised tasemed olid püsimälud, mis tähendab, et kui mäluelementidest toide eemaldatakse, kaob nende sisu. Seda tüüpi mälu säilitab kogu salvestatud teabe isegi siis, kui toide eemaldatakse. Samuti on oluline märkida, et protsessor ei pääse seda tüüpi mälule otse juurde ja paljudel juhtudel vajab see operatsioonisüsteemi abi. Seda taset nimetatakse üldiselt sekundaarmäluks, nagu 1. taset nimetatakse primaarmäluks. 3. tase hõlmab HDD- ja SSD-kõvakettaid. Esimesed on magnetilised ja nende juurdepääsuaeg on umbes 3 ms, samas kui viimased on palju kiiremad välkmäluseadmed, mille juurdepääsuaeg võib olla umbes 0.1 ms. Nagu näete, liigume siin nanosekunditest millisekunditeni, kuid tuleb ka öelda, et see on mälu, mida on oluliselt odavam toota, seega saab seda rakendada sadade või tuhandete GB või TB mahtuvuses.
• 4 tasemelSellisel juhul on ligipääsuajad pikemad kui eelmistel juhtudel ja võivad mõnel juhul olla üle 10 ms. See võib hõlmata eemaldatavaid andmekandjaid, optilist mälu (CD/DVD/BD), magnetlinte ja muud sisend-/väljundmälu.

Olgu, kui me sellest mälupüramiidist või hierarhiast aru saame, on järgmine samm hakata uurima, mis on SCM...

Universaalse mälu otsinguil

Selle mäluhierarhia täiustamiseks arendavad teadlased pidevalt uusi tehnoloogiaid ja otsivad nn. "universaalne mälu"See termin viitab salvestusseadmele, mis suudab ühendada DRAM-i kulueelised, SRAM-i kiiruse ja välkmälu püsivuse, olles samal ajal ka lõpmatu ja pikaajalise vastupidavusega.

Ilmselgelt pole kõigi nende omaduste koondamine ühte aruandesse lihtne, tegelikult... Paljud eksperdid kahtlevad selle võimalikkuses.. Mõned Hiljuti ilmunud memuaarid võivad vastata mõnele neist omadustest, kuigi need ei ole ühel või teisel põhjusel lõplik lahendus.

Pean silmas selliseid mälusid nagu FRAM või FeRAM, MRAM, PCM, RRAM või ReRAM, NRAM või Nano-RAM, PRAM või PCRAM, memristoripõhine mälu, PMC, mullmälu, võidusõiduraja mälu, UltraRAM (uurimisel olevad pooljuhid nagu InGaAs, GaSb, AlGaAs, GaAs, AlSb, InAs), 3D XPoint, Millipede, FeFET-põhine mälu, NOVRAM jne. Kõigil neil on huvitavad eelised, aga ka puudused, mis ei tee neid siiski sobivaks universaalmäludeks ja mis võivad asendada 2. ja 1. taset, nagu on näha eelmises püramiidis, samuti paikneda mäluna põhimälu ja sekundaarmälu vahel.

Mis on NVRAM?

La NVRAM (püsiv muutmälu) See on omamoodi muutmälu nagu RAM, kuid see ei kaota andmeid toite puudumisel, mistõttu on see püsimälu. Idee on saavutada see mälu SRAM-i või DRAM-i omadustega juurdepääsukiiruse osas, kuid ilma salvestatud teavet kaotamata, nagu sekundaarmälu puhul. See võiks olla hea tehnoloogia kasutamiseks mitmel rindel, alates püsivara salvestamisest kuni mikrokontrolleriteni tööstuses või kasutamiseks HPC-rakendustes, lennundusrakendustes, asjade internetis, hajusarvutuses, virtuaalmasinate rakendustes ja muu hulgas.

Mõtle kõigile eelised Milline oleks see mälestus võrreldes praeguse tavapärase püramiidiga, näiteks:

• Olles sama kiire kui DRAM või SRAM, saavutab see väga kiire juurdepääsuaja, mis võimaldab seda kasutada põhimäluna.
• Kuna see on püsimälu, oleks selle tarbimine väga madal, kuna värskendustsükleid ja mälu pidevat toitmist poleks vaja, nagu see on püsimälu puhul.
• Suure mahutavusega saab salvestada suuri andmeid.
• Need elemendid on ka praeguste välkmäluelementidega võrreldes töökindlamad, seega saab andmeid pikaajaliselt salvestada ilma, et need tuhandete või miljonite tsüklite järel halveneksid, nagu praegu nende teiste elementide puhul juhtub. Nagu te teate, olenevalt sellest, kas Välkmälurakud on NOR, NAND või nende derivaadid., võib töökindlus olla enam-vähem lühike.

See püsiv mälu võiks olla lahendus mõnele praegusele probleemile, arvestades olemasolevaid tehnoloogilisi piiranguid ja lõhet või saavutuste lõhe vool RAM-i ja protsessori vahel.

Nagu te teate, on praegu mõned lahendused Nende hulka kuulub kiirem püsimälu teabe salvestamiseks kasutamise ajal, mis võimaldab kiiremat juurdepääsu. Kui toide on katkemas, kantakse sisu püsimällu. See tähendab aga kahe mälutüübi lisamist, mis suurendab muude probleemide hulgas tootmiskulusid. Kuid nende moodulitega on teil kõik ühes.

Hiljuti on kasutusele võetud mõned standardid, näiteks NVDIMM ehk DIMM-vorming (Dual In-line Memory Module) seda tüüpi püsimälu või püsimälu jaoks. Sel viisil saaks neid mälusid rakendada mooduli kujul nagu praegust RAM-i ja paigaldada pesadesse, mis on sarnased praegu saadaolevate pesadega. Erinevalt tavapärasest DRAM-ist oleksid neil aga eespool loetletud eelised.

NVDIMM-id arenesid välja tehnoloogiast, mida tuntakse nime all BBU DIMM (akutoitega DIMM), mis kasutas varuakut, et säilitada voolukatkestuse korral volatiilses mälus kuni 72 tundi toidet. See pole aga selle SCM-i ehk universaalmälu eesmärk, kuna akude kasutamine tähendab, et neid tuleb laadida või vahetada, avaldab suuremat keskkonnamõju jne.

See abitoiteallikas on vajalik selleks, et anda põhimälule aega oma sisu püsimällu üle kanda elektrikatkestuse korral. Praegu on olemas ka mõned NVDIMM-moodulid, mis ei tööta patareidel, vaid superkondensaatorid, ehk siis suure mahtuvusega kondensaatorid, mis on kasutamise ajal täis ja äkilise voolukatkestuse korral on neil piisavalt energiat, et jääda piisavalt kauaks aktiivseks, et vältida andmete kadu.

Mõnda neist lahendustest kasutati algselt RAID-ketaste hostbus-adapterite (HBA-de) vahemällu salvestamiseks, et vahemälu saaks voolukatkestuse üle elada. Nagu näete, on neil aga ka muid rakendusi.

Nende süsteemide kasutamise piiramiseks on mõned sündinud JEDECi standardid NVDIMM-i jaoks mida peaksid teadma, näiteks:

• NVDIMM-FSee on välkmälukiipidega DIMM-moodulite pesastandard. Süsteemi kasutajad peavad kombineerima salvestus-DIMM-i traditsioonilise DRAM-DIMM-iga, st need kaks moodulit eraldi. See on saadaval olnud alates 2014. aastast selliste toodetega nagu Inteli ja Micron Technology välja kuulutatud 3D XPoint PCM.
• NVDIMM-NSel juhul on mõlemad mälutüübid ühendatud ühte DIMM-moodulisse. See tähendab, et meil on samas moodulis nii välkmälu kui ka traditsiooniline DRAM. See võimaldab süsteemil töötamise ajal otse traditsioonilisele DRAM-ile juurde pääseda. Voolukatkestuse või seiskamise korral kopeerib moodul andmed traditsioonilisest DRAM-ist püsivasse välkmällu ja kopeerib need pärast voolu taastumist tagasi. Andmete DRAM-ist välkmällu kopeerimise ajal kasutatakse mooduli jaoks väikest varutoiteallikat. Sony ja Viking Technology teatasid ka selle pesa jaoks mõeldud ReRAM-põhisest mälust.
• NVDIMM-PSpetsifikatsioon ilmus 2021. aasta veebruaris, mis lubas püsivat põhimälu koos nende uute SCM-ide ehk universaalsete mälumoodulitega. Lisaks võiksid need jagada identseid ühendusi DDR4 või DDR5 DIMM-idega. Seega saaks neid asendada. Seda tüüpi näidete hulka kuulub 2015. aastal välja kuulutatud Samsung/Netlist moodul, mis võis põhineda Z-NAND-il.
• NVDIMM-XSee ei ole JEDEC-i standard, aga on samuti huvitav. Antud juhul on meil DDR-mälu DIMM-moodul, aga NAND-välkmäluga, mille on välja töötanud Xitore.

Olgu, nüüd liigume edasi SCM-i juurde, mis on seotud kõigega, mida ma siin selgitanud olen, nagu näete, aga seda oli vaja selgitada enne, kui selle uue kontseptsiooniga tööle asume...

Mis on SCM?

La SCM (salvestusklassi mälu), mis on selle artikli peamine fookus, on füüsilise mälu tüüp, mis püüab end kehtestada universaalmäluna või vähemalt katta mõningaid selle aluseid. SCM-i puhul on meil mälu, mis ühendab endas dünaamilise muutmälu (DRAM) parimad omadused, NAND-välkmälu parimad omadused ja andmete säilitamise toiteallika.

Lühidalt, SCM-iga saavutaksime järgmise: andmetele juurdepääs (kirjutamine ja lugemine) on kiirem kui andmetele juurdepääs lokaalselt ühendatud pooljuhtketastel (SSD-del) PCIe, magnetiliste kõvaketaste (HDD-de) ja väliste salvestusmassiivide kaudu. SCM on vastupidavam kui DRAM ning suudab andmeid lugeda ja kirjutada kuni 10 korda kiiremini kui NAND-draivid. Siiski saab taskukohase hinnaga saavutada ka suurema mahutavuse kui tavaline RAM ning pikema eluea kui praegused SSD-d.

Üks rakendustest, kus neid SCM-mälusid saab ära kasutada, on andmekeskustesJa nad saavad panustada:

• LatentsusMeil on suure jõudlusega ja madala latentsusega salvestuskeskkond, mis tähendab kiiremat juurdepääsu kui teisejärgulised salvestuskeskkonnad. See on positiivne tegur töökoormuste puhul, mis nõuavad suure hulga andmete töötlemist hea jõudlusega.
• PüsivVarutoiteallikas tagab andmete ja programmikoodi säilimise süsteemi rikke või voolukatkestuse korral. See loob DRAM-i ja välkmälu vahele baithaadeldava püsiva salvestuskihi. SCM-i kasutamine laiendab DRAM-i kiiret jõudlust püsimälule. Seega saab süsteem voolu taastumisel jätkata sealt, kus pooleli jäi, kaotamata andmeid või aega – see on ülioluline suure käidelduvusega süsteemides. Lisaks kaoks paljudel juhtudel ära vajadus pideva värskenduse järele.
• Vähem sõltuvus teisesest meediastSCM-i puhul on vaja põhimälu ja varumälu vahel vähem andmeid liigutada, kuna selle maht on suurem. See vähendab protsessori töökoormust, kui operatsioonisüsteem vajab juurdepäsu varumälule, nagu ma varem selgitasin, mis suurendab jõudlust. SCM-seadme taktsagedus on peaaegu sama suur kui DRAM-il ja staatilisel muutmälul (SRAM), kuid selle eeliseks on püsivus.

SCM-i eelised ja puudused

Nagu ma olen kogu artikli jooksul kommenteerinud, võib SCM-i kasutamine olla suured eelised võrreldes tavapärase mäluga, näiteks suurem maht kui praegustel DRAM-idel, sarnase või kiirema juurdepääsuajaga, kuid ilma viimastele omase volatiilsuseta. Lisaks pakuvad paljud uued väljatöötamisel olevad tehnoloogiad ka suuremat energiatõhusust, mis on andmekeskustes oluline. Ja sõlme lokaalse toiteallika korral ei läheks andmed kaduma. Samuti on oluline meeles pidada, et SCM-i paigutatud andmed järgivad lühemat sisend-/väljundrada ja vähendavad prügi kogumist suurtel andmeplokkidel.

Arvutiteaduses on prügikoristus ehk GC mälu automaatse haldamise viis. GC püüab taastada programmi poolt eraldatud, kuid enam mittekasutatavat mälu; teisisõnu, see vabastab selle mäluressursi. See vabastab programmi mäluhaldusülesannete täitmisest; teisisõnu, see ei pea määrama, milliseid objekte vabastada ja eraldada.

Kuid vaatamata oma eelistele on neil ka Mõned puudused, mistõttu pole neid veel laialdaselt kasutusele võetud. Üks suurimaid lõkse on see, et need põhinevad tehnoloogiatel, mis on alles arendusjärgus või vajavad küpsemist, kuna esimesed turule toodud tooted ei ole saavutanud teoreetiliselt eeldatava potentsiaali piire. Lisaks, kuna tegemist on eksootiliste tehnoloogiatega, võib nende tootmine olla kallim.

SCM-toodete näited

Nagu ma eespool mainisin, on olemas mõned tootenäited mis on turule lastud ja mida peetakse kommertslikeks SCM-i rakendusteks, näiteks:

• Intel Optane: toodi turule 2018. aastal. See toode töötati spetsiaalselt välja HPC, tehisintellekti ja muude rakenduste jaoks ning võimaldas jõudluse parandamist tänu sellele SCM-mälule, mis põhineb 3D XPointil – tehnoloogial, mis töötati välja koostöös Microniga. Kuigi seda mälu toodi turule mitmes formaadis, näiteks M.2 NVMe formaadis ja PCIe laienduskaartides, oli olemas ka DIMM-formaadis mälu nimega Optane Persistent Memory ehk PMem. Nende DIMM-moodulite maht oli vahemikus 128 GB kuni 512 GB mooduli kohta. 2021. aastal otsustas Intel selle mälu arendamise aga lõpetada ning eesmärk keskendus avatud standardile Compute Express Link (CXL), mis tundus paljulubavam.
• Samsung Z-SSDLõuna-Korea ettevõte looks ka madala latentsusega SCM-tüüpi andmekandja, mis põhineks eelmisest erineval tehnoloogial. Sel juhul kasutati V-NAND-i variatsiooni nimega Z-NAND, mis oli korraldatud 48 kihina mäluelementidena, mis põhinesid ujuvvärava transistoridel.
• Western Digital Ultrastar DC ME200 mälulaienduskettad: saab kasutada olemasoleva süsteemimälu laiendamiseks, serverite konsolideerimise soodustamiseks ja suurte, mitme terabaidiste andmekogumite mitme serveri vahel jagamise keerukuse vähendamiseks. See on SCM-lahendus, mida AMD kasutas oma EPYC-põhiste süsteemide puhul, et konkureerida Inteli lahendusega.
• Kioxia XL-Flash SCMSee ettevõte, endise nimega Toshiba Memory, töötas välja ka oma SCM-tehnoloogia, mida tuntakse selle nime all. Need tooted kasutasid SSD-laadset vormitegurit, kuid plaanisid selle DRAM-siinile viia.
• Nutikad moodultehnoloogiad DuraMemorySee teine ​​​​püsiva mälu lahendus moodulites on samuti tähelepanuväärne näide, kuigi antud juhul on see mõeldud tööstusele ja keskkondadele, kus on vajalik vastupidavus ja töökindlus ebasoodsates tingimustes.

Kõik need arengud muuhulgas tegid paljusid suured tarnijad IT-ettevõtted, eriti HPC-ettevõtted, tunnevad nende toodete vastu huvi ja lisavad need oma lahendustesse. Mõned näited SCM-i kasutamisest äri- ja ettevõttesüsteemides on järgmised:

• Dell EMCUSA ettevõte teatas, et hakkab oma PowerMax SAN-süsteemide jõudluse parandamiseks kasutama Intel Optane PMemi.
• Hewlett Packard Enterprise (HPE): tungiks ka SCM-i ettevõttelahendustega, näiteks Nimble Storage SAN-idega, mis põhinevad Optane'il.
• Hitachi Vantara: Jaapani ettevõte pakkus ka oma virtuaalset salvestusplatvormi 5000 seeriat, mille abil said kasutajad kasutada SCM-i, mis toimib puhver- või vahemäluna.
• Lenovo: Hiina personaalarvutite ja HPC hiiglane peaks teatama ka Intel Optane'i toest oma ThinkSystemi serverites.
• MemVergeSee 2017. aastal asutatud idufirma arendas süsteemi nimega Memory Machine, mis virtualiseeris DRAM-i ja Intel Optane'i, et luua suure mahutavusega püsiv salvestuskeskkond. Idee oli kasutada neid süsteeme hetktõmmiste tegemiseks, serveri replikatsiooniks ja muudeks eesmärkideks.
• NetApp: kavandas mälukiirendusega andmete (Max Data) tarkvara. See projekt kasutab Pleexistori tehnoloogiat ja toetab Intel Optane SCM-i.
• Pure StorageSelle ettevõtte idee oli ühendada NVMe välkmälu ja ettevõtte enda väljatöötatud moodulid, mida kutsuti DirectMemoryks, mille tulemuseks oli nn FlashArray//X täisvälkmälu, mis kasutab kahepordilisi Intel Optane seadmeid.
• StorOneSarnaselt eelmisele, kuna All-Flash Array.next on süsteem, mis pakub Optane'i mälu koos Intel QLC 3D NAND mäluga ning mida haldab S1 tarkvara.
• Tohutud andmedSee teine ​​ettevõte lõi tehisintellekti töökoormuste kiirendamiseks SCM-põhise kirjutuspuhvri.

SCM-i tulevik

Lühidalt, oleme näinud mõningaid katseid tehnoloogiate ja toodetega, mis kasutavad mingit tüüpi SCM-i, kuid ühel või teisel põhjusel pole need turul päris hästi läbi löönud. Arendust on veel vaja, nagu ka mõnede nende seadmete aluseks olevate tehnoloogiate küpsust. Ja hoolimata paljude pessimismile on see aruanne võib olla paljulubav tulevik.