SCM: Kāda ir šī atmiņa ar vislabāko RAM un vislabāko SSD?

Aparatūras rokasgrāmata » Konsultācijas » SCM: Kāda ir šī atmiņa ar vislabāko RAM un vislabāko SSD?

IT pasaulē notiek pastāvīga cīņa, lai atrastu jaunus atmiņas risinājumus. Viena no prioritātēm ir panākt atmiņu, kas apvieno abu pasauļu labākās īpašības: RAM un SSD. Tas ir, atmiņu, kas ir tikpat ātra kā primārā atmiņa, bet ar sekundārās atmiņas ietilpību un nepastāvību. Un tieši šajā virzienā viss virzās. SCM ko mēs jums šodien piedāvājam…

Pašreizējā atmiņas hierarhija

Atgādinām, ka pašreizējā datora arhitektūrā atmiņai ir atmiņas hierarhija piramīdas formā, sākot no ātrākās, dārgākās un mazākās jaudas augšpusē līdz lētākajai, lēnākajai un lielākajai jaudai apakšā:

• Level 0Augšpusē mums ir ātrākie no visiem, kas ir ieraksti no centrālā procesora (CPU), lai gan tam ir arī vismazākā ietilpība. Reģistru ietilpība parasti svārstās no 32 bitiem līdz 64 bitiem vai vairāk. Tomēr, neskatoties uz mazo ietilpību, tie ir veidoti no ļoti ātriem flip-flopiem un tiem var piekļūt mazāk nekā 0.5 ns.
• Level 1Tieši zem reģistriem atrodas kešatmiņa, no L0 vai L1 līdz LLC (pēdējā līmeņa kešatmiņai). Šeit var tikt iekļauti pat daži buferi, piemēram, TLB, kas arī ir kešatmiņas veids. Tas nozīmē, ka bieži var atrast L1, L2 un L3, ar dažiem izņēmumiem. Šai atmiņai parasti ir lielāka ietilpība nekā reģistriem, sākot no dažiem KB līdz vairākiem MB. Tomēr šīs atmiņas šūnas ir SRAM. Tas padara tās ļoti ātras, lai gan ne tik ātras kā reģistri, bet ātrākas nekā līmeņi zem tiem. Šeit mēs runājam par piekļuves laikiem, kas parasti ir no 1 ns līdz dažiem desmitiem nanosekundēm atkarībā no līmeņa, citiem vārdiem sakot, no aptuveni 4 CPU pulksteņa cikliem līdz 50 vai 70 cikliem augstākos līmeņos. Piemēram, L1 tipiskais piekļuves laiks var būt 1 ns, savukārt L2 varētu būt aptuveni 3.3 ns, L3 — no 12.8 ns un L4 — 42.4 ns… Jāpiebilst arī, ka gan 0. līmenis, gan 1. līmenis pašreizējos gadījumos atrodas pašā centrā.
• Level 2To sauc par primāro atmiņu jeb operatīvo atmiņu. Tas ir, operatīvo atmiņu (RAM) (šeit varētu iekļaut virtuālo atmiņu, lai gan jāpatur prātā, ka šī ir daļa, kas atrodas 3. līmenī). Šai atmiņai ir lielāka ietilpība nekā kešatmiņai, vairāki GB, taču ir arī taisnība, ka piekļuves laiki ir lēnāki, aptuveni 10 ns. Tas var atšķirties atkarībā no atmiņas veida, jo latentums un pulksteņa frekvence visām nav vienāda, tikai lai sniegtu jums atsauci. Tas ir tāpēc, ka tā ir atmiņa, kas sastāv no DRAM šūnām, lēnāka nekā SRAM, bet lētāka, kas ļauj iegūt šo lielāku ietilpību par mērenu cenu. 0., 1. un 2. līmenis ir atmiņa, kurai centrālais procesors (CPU) var piekļūt tieši. Starp citu, kā zināms, arī GPU ir sava operatīvā atmiņa jeb VRAM, un tā parasti ir DRAM un dažos gadījumos arī HBM. CPU var izmantot arī HBM, lai gan tas ir eksotiskāk.
• Level 3Šeit var iekļaut nepastāvīgo atmiņu (NVM), jo visi iepriekšējie līmeņi bija gaistoši, kas nozīmē, ka, atvienojot atmiņas šūnas no strāvas padeves, to saturs tiek zaudēts. Šāda veida atmiņa saglabā visu saglabāto informāciju pat tad, ja tiek pārtraukta strāvas padeve. Ir arī svarīgi atzīmēt, ka šāda veida atmiņai nevar tieši piekļūt centrālais procesors (CPU), un daudzos gadījumos tai ir nepieciešama operētājsistēmas palīdzība. Šo līmeni parasti sauc par sekundāro atmiņu, tāpat kā 1. līmeni sauc par primāro atmiņu. 3. līmenis ietver HDD un SSD cietos diskus. Pirmie ir magnētiski un to piekļuves laiks ir aptuveni 3 ms, savukārt pēdējie ir daudz ātrākas zibatmiņas vienības, kuru piekļuves laiks var būt aptuveni 0.1 ms. Kā redzat, šeit mēs pārejam no nanosekundēm uz milisekundēm, taču jāsaka arī, ka šī ir atmiņa, kuras ražošana ir ievērojami lētāka, tāpēc to var ieviest simtiem vai tūkstošiem GB vai TB ietilpībā.
• Level 4Šajā gadījumā piekļuves laiki ir ilgāki nekā iepriekšējos gadījumos un dažos gadījumos var pārsniegt 10 ms. Tas var ietvert noņemamus datu nesējus, optisko atmiņu (CD/DVD/BD), magnētiskās lentes un citu I/O atmiņu.

Labi, tātad, kad mēs sapratīsim šo atmiņas piramīdu jeb hierarhiju, nākamais solis ir sākt aplūkot, kas ir SCM…

Universālas atmiņas meklējumos

Lai mēģinātu uzlabot šo atmiņas hierarhiju, pētnieki pastāvīgi izstrādā jaunas tehnoloģijas un meklē tā saukto "universālā atmiņa"Šis termins attiecas uz atmiņas ierīci, kas var apvienot DRAM izmaksu priekšrocības, SRAM ātrumu un zibatmiņas nepastāvīgo raksturu, vienlaikus nodrošinot arī bezgalīgu un ilgstošu izturību.

Acīmredzot, visu šo funkciju apvienošana vienā ziņojumā patiesībā nav vienkārša, Daudzi eksperti šaubās, ka tas vispār ir iespējams.. Dažas Nesen parādījušās memuāri varētu atbilst dažām no šīm īpašībām, lai gan viena vai otra iemesla dēļ tie nav galīgs risinājums.

Es runāju par tādām atmiņām kā FRAM vai FeRAM, MRAM, PCM, RRAM vai ReRAM, NRAM vai Nano-RAM, PRAM vai PCRAM, memristoru atmiņu, PMC, burbuļa atmiņu, sacīkšu trases atmiņu, UltraRAM (tiek pētīti pusvadītāji, piemēram, InGaAs, GaSb, AlGaAs, GaAs, AlSb, InAs), 3D XPoint, Millipede, FeFET atmiņu, NOVRAM utt. Visām no tām ir interesantas priekšrocības, bet arī trūkumi, kas joprojām nepadara tās piemērotas, lai tās uzskatītu par universālām atmiņām un kas var aizstāt 2. un 1. līmeni, kā redzams iepriekšējā piramīdā, kā arī iestarpināties kā atmiņa starp galveno atmiņu un sekundāro atmiņu.

Kas ir NVRAM?

La NVRAM (nepastāvīga brīvpiekļuves atmiņa) Tas ir nejaušās piekļuves atmiņas veids, piemēram, RAM, bet tas nezaudē datus, ja tam netiek pievadīta strāva, padarot to nepastāvīgu. Ideja ir panākt, lai šī atmiņa būtu ar SRAM vai DRAM īpašībām piekļuves ātruma ziņā, bet nezaudējot saglabāto informāciju, kā tas ir sekundārajā atmiņā. Šī varētu būt laba tehnoloģija, ko izmantot daudzās jomās, sākot no programmaparatūras glabāšanas līdz mikrokontrolleriem rūpniecībā vai izmantošanai augstas veiktspējas skaitļošanas lietojumprogrammās, kosmosa lietojumprogrammās, lietu internetā, izkliedētajā skaitļošanā, virtuālo mašīnu lietojumprogrammās un citās.

Padomājiet par visiem ieguvumi Kāda būtu šī atmiņa salīdzinājumā ar pašreizējo tradicionālo piramīdu, piemēram:

• Tā kā tā ir tikpat ātra kā DRAM vai SRAM, tā sasniedz ļoti ātru piekļuves laiku, ļaujot to izmantot kā galveno atmiņu.
• Tā kā tā nav gaistoša, tās patēriņš būtu ļoti zems, jo nebūtu nepieciešami atsvaidzināšanas cikli un pastāvīga atmiņas barošana, kā tas ir gaistošās atmiņas gadījumā.
• Lielas ietilpības var iegūt, lai uzglabātu lielu informācijas apjomu.
• Šīm šūnām ir arī labāka uzticamība nekā pašreizējām zibatmiņas šūnām, tāpēc datus var uzglabāt ilgtermiņā, nebojājoties pēc tūkstošiem vai miljoniem ciklu, kā tas pašlaik notiek ar šīm citām šūnām. Kā zināms, atkarībā no tā, vai Zibatmiņas šūnas ir NOR, NAND vai to atvasinājumi., uzticamība var būt vairāk vai mazāk īsa.

Šī pastāvīgā atmiņa varētu būt risinājums dažām no pašreizējām problēmām, ņemot vērā esošos tehnoloģiskos ierobežojumus un plaisu vai sasniegumu plaisa strāva starp RAM un CPU.

Kā zināms, pašlaik ir daži risinājumi Tie ietver ātrāku gaistošo atmiņu informācijas glabāšanai lietošanas laikā, nodrošinot ātrāku piekļuvi tai. Kad strāvas padeve drīz tiks pārtraukta, saturs tiek pārsūtīts uz pastāvīgo atmiņu. Tomēr tas nozīmē divu veidu atmiņas iekļaušanu, kas cita starpā palielina ražošanas izmaksas. Bet ar šiem moduļiem viss būs vienuviet.

Nesen ir ieviesti daži standarti, piemēram, NVDIMM, tas ir, DIMM (divrindu atmiņas moduļa) formāts šāda veida pastāvīgajai vai nepastāvīgajai atmiņai. Tādā veidā šīs atmiņas varētu ieviest moduļu veidā, tāpat kā pašreizējo RAM, un instalēt slotos, kas ir līdzīgi pašlaik pieejamajiem. Tomēr atšķirībā no parastās DRAM, tām būtu iepriekš minētās priekšrocības.

NVDIMM attīstījās no tehnoloģijas, kas pazīstama kā BBU DIMM (ar akumulatoru darbināma DIMM atmiņa), kas izmantoja rezerves akumulatoru, lai uzturētu enerģiju gaistošā atmiņā līdz pat 72 stundām strāvas padeves pārtraukuma gadījumā. Tomēr tas nav šīs SCM jeb universālās atmiņas mērķis, jo akumulatoru lietošana nozīmē, ka tie ir jāuzlādē vai jānomaina, rada lielāku ietekmi uz vidi utt.

Šis papildu barošanas avots ir nepieciešams, lai strāvas padeves pārtraukuma gadījumā galvenajai gaistošajai atmiņai būtu laiks pārsūtīt savu saturu uz pastāvīgo atmiņu. Pašlaik ir pieejami arī daži NVDIMM moduļi, kas nedarbojas ar baterijām, bet gan ar supercapacitori, proti, lielas ietilpības kondensatori, kas lietošanas laikā ir pilni un, pēkšņi pārtraucot strāvas padevi, tiem ir pietiekami daudz enerģijas, lai pietiekami ilgi paliktu aktīvi un novērstu datu zudumu.

Daži no šiem risinājumiem sākotnēji tika izmantoti dažu RAID disku resursdatora kopnes adapteru (HBA) kešatmiņai, ļaujot kešatmiņai pārdzīvot strāvas padeves pārtraukumu. Tomēr, kā redzēsiet, tiem ir arī citi pielietojumi.

Lai ierobežotu šo sistēmu izmantošanu, dažas ir dzimušas JEDEC standarti NVDIMM kas jums būtu jāzina, piemēram:

• NVDIMM-FŠis ir slota standarts DIMM moduļiem ar zibatmiņas mikroshēmām. Sistēmas lietotājiem atmiņas DIMM ir jāapvieno ar tradicionālo DRAM DIMM, t. i., abi moduļi jāizmanto atsevišķi. Tas ir pieejams kopš 2014. gada ar tādiem produktiem kā Intel un Micron Technology izziņotais 3D XPoint PCM.
• NVDIMM-NŠajā gadījumā abi atmiņas veidi ir apvienoti vienā DIMM modulī. Tas nozīmē, ka vienā modulī ir gan zibatmiņa, gan tradicionālā DRAM. Tas ļauj sistēmai tieši piekļūt tradicionālajai DRAM, kamēr tā darbojas. Strāvas padeves pārtraukuma vai izslēgšanas gadījumā modulis pārsūta datus no gaistošās tradicionālās DRAM uz pastāvīgo zibatmiņu un kopē tos atpakaļ, kad strāvas padeve tiek atjaunota. Modulim tiek izmantots neliels rezerves barošanas avots, kamēr dati tiek kopēti no DRAM uz zibatmiņu. Arī Sony un Viking Technology paziņoja par atmiņu šāda veida slotā, kuras pamatā ir ReRAM.
• NVDIMM-PSpecifikācija parādījās 2021. gada februārī, kas pieļāva pastāvīgu operatīvo atmiņu, parādoties šiem jaunajiem SCM jeb universālajiem atmiņas moduļiem. Turklāt tie varētu koplietot identiskus savienojumus ar DDR4 vai DDR5 DIMM. Tādēļ tos varētu aizstāt. Šāda veida piemēri ir 2015. gadā izziņotais Samsung/Netlist modulis, kas, iespējams, bija balstīts uz Z-NAND.
• NVDIMM-XŠis nav JEDEC standarts, bet arī interesants. Šajā gadījumā mums ir DDR atmiņas DIMM modulis, bet ar NAND zibatmiņu, ko izstrādājusi Xitore.

Labi, tagad pāriesim pie SCM, kas, kā redzēsiet, ir saistīts ar visu, ko šeit esmu paskaidrojis, taču tas bija jāpaskaidro, pirms ķeramies pie darba ar šo jauno koncepciju...

Kas ir SCM?

La SCM (krātuves klases atmiņa), kas ir šī raksta galvenā uzmanība, ir fiziskās atmiņas veids, kas mēģina sevi nostiprināt kā universālu atmiņu vai vismaz aptvert dažas no tās pamatvērtībām. Ar SCM mums ir atmiņa, kas apvieno labāko no dinamiskās brīvpiekļuves atmiņas (DRAM), labāko no NAND zibatmiņas un barošanas avota datu saglabāšanai.

Īsāk sakot, ar SCM mēs panāktu šādu rezultātu: piekļuve (rakstīšana un lasīšana) datiem ir ātrāka nekā piekļuve datiem lokāli pievienotos cietvielu diskos (SSD), izmantojot PCIe, magnētiskos cietos diskus (HDD) un ārējos atmiņas masīvus. SCM ir izturīgāks nekā DRAM un var lasīt un rakstīt datus līdz pat 10 reizēm ātrāk nekā NAND diski. Tomēr lielāku ietilpību nekā parastajai RAM var panākt arī par pieņemamu cenu, kā arī ar ilgāku kalpošanas laiku nekā pašreizējiem SSD diskiem.

Viens no pielietojumiem, kurā var izmantot šīs SCM atmiņas, ir datu centrosUn viņi var dot savu ieguldījumu:

• LatentumsMums ir augstas veiktspējas datu nesējs ar zemu latentumu, kas nozīmē ātrāku piekļuves laiku nekā sekundārajiem datu nesējiem. Tas ir pozitīvs faktors darba slodzēm, kurām nepieciešams apstrādāt lielu datu apjomu ar labu veiktspēju.
• NoturīgsRezerves barošanas avots nodrošina datu un programmas koda saglabāšanu sistēmas kļūmes vai strāvas padeves pārtraukuma gadījumā. Tas nodrošina baitiem adresējamu pastāvīgu atmiņas slāni starp DRAM un zibatmiņu. SCM izmantošana paplašina DRAM ātro veiktspēju līdz nepastāvīgai krātuvei. Tādēļ, atjaunojot strāvas padevi, sistēma var turpināt darbu tieši no vietas, kur tā tika pārtraukta, nezaudējot datus vai laiku, kas ir ļoti svarīgi augstas pieejamības sistēmās. Turklāt daudzos gadījumos tiktu novērsta nepieciešamība pēc pastāvīgas atsvaidzināšanas.
• Mazāk atkarīga no sekundārajiem medijiemIzmantojot SCM, starp galveno atmiņu un sekundāro atmiņu ir jāpārvieto mazāk datu, jo tai ir lielāka ietilpība. Tas samazina centrālā procesora (CPU) darba slodzi, kad operētājsistēmai ir jāpiekļūst sekundārajiem datu nesējiem, kā jau paskaidroju iepriekš, kas palielina veiktspēju. SCM ierīce var darboties gandrīz tikpat ātri kā DRAM un statiskā RAM (SRAM), taču ar noturības priekšrocību.

SCM priekšrocības un trūkumi

Kā esmu komentējis visā rakstā, SCM izmantošanai var būt bijusi lielas priekšrocības salīdzinājumā ar parasto atmiņu, piemēram, lielāka ietilpība nekā pašreizējām DRAM atmiņām, ar līdzīgu vai ātrāku piekļuves laiku, bet bez pēdējām raksturīgās svārstīguma. Turklāt daudzas no jaunajām tehnoloģijām, kas tiek izstrādātas, piedāvā arī lielāku energoefektivitāti, kas ir svarīgi datu centros. Un lokālas barošanas avota gadījumā mezglam dati netiktu zaudēti. Ir svarīgi arī atcerēties, ka SCM ievietotie dati seko īsākam I/O ceļam un samazina atkritumu savākšanu lielos datu blokos.

Datorzinātnēs atkritumu savākšana jeb GC ir veids, kā automātiski pārvaldīt atmiņu. GC mēģina atgūt programmas piešķirto, bet vairs neizmantoto atmiņu; citiem vārdiem sakot, tā atbrīvo šo atmiņas resursu. Tas atbrīvo programmu no nepieciešamības veikt atmiņas pārvaldības uzdevumus; citiem vārdiem sakot, tai nav jānorāda, kurus objektus atbrīvot un atbrīvot.

Bet, neskatoties uz to priekšrocībām, viņiem ir arī Daži trūkumi, tāpēc tās vēl nav plaši ieviestas. Viens no lielākajiem trūkumiem ir tas, ka tās ir balstītas uz tehnoloģijām, kas joprojām tiek izstrādātas vai kurām jānobriest, jo pirmie laistie produkti vēl nav sasnieguši teorētiski paredzētā potenciāla robežas. Turklāt, tā kā tās ir eksotiskas tehnoloģijas, to ražošana var būt dārgāka.

SCM produktu piemēri

Kā jau minēju iepriekš, pastāv daži produktu piemēri kas ir laisti tirgū un tiek uzskatīti par komerciālu SCM ieviešanas veidiem, piemēram:

• Intel Optane: tika laists klajā 2018. gadā, produkts, kas tika īpaši izstrādāts HPC, mākslīgajam intelektam un citām lietojumprogrammām, ļaujot uzlabot veiktspēju, pateicoties šai SCM atmiņai, kuras pamatā ir 3D XPoint — tehnoloģija, kas izstrādāta kopā ar Micron. Lai gan tika laisti klajā vairāki šīs atmiņas formāti, piemēram, M.2 NVMe formāti, PCIe paplašināšanas kartes, bija arī viena DIMM formātā ar nosaukumu Optane Persistent Memory jeb PMem. Šo DIMM moduļu ietilpība svārstījās no 128 GB līdz 512 GB uz vienu moduli. Tomēr 2021. gadā Intel nolēma pārtraukt šīs atmiņas izstrādi, un mērķis bija koncentrēties uz atvērto standartu Compute Express Link (CXL), kas šķita daudzsološāks.
• Samsung Z-SSDDienvidkorejas uzņēmums arī radītu zema latentuma SCM tipa datu nesēju, kura pamatā būtu atšķirīga tehnoloģija nekā iepriekšējā. Šajā gadījumā tika izmantota V-NAND variācija, ko sauc par Z-NAND un kas bija organizēta 48 atmiņas šūnu slāņos, kuru pamatā ir peldošo vārtu tranzistori.
• Western Digital Ultrastar DC ME200 atmiņas paplašinājuma diski: var izmantot, lai paplašinātu esošo sistēmas atmiņu, veicinātu serveru konsolidāciju un samazinātu lielu, vairāku terabaitu datu kopu sadalīšanas sarežģītību vairākos serveros. Šis ir SCM risinājums, ko AMD izmantoja savām EPYC bāzētajām sistēmām, lai konkurētu ar Intel risinājumu.
• Kioxia XL-Flash SCMŠis uzņēmums, agrāk Toshiba Memory, arī izstrādāja savu SCM tehnoloģiju, kas pazīstama kā šis. Šie produkti izmantoja SSD līdzīgu formas faktoru, bet ar plāniem to ieviest DRAM kopnē.
• Viedās modulārās tehnoloģijas DuraMemoryŠis cits pastāvīgās atmiņas risinājums moduļos ir vēl viens ievērojams piemērs, lai gan šajā gadījumā tas ir paredzēts rūpniecībai un vidēm, kur nepieciešama stabilitāte un uzticamība nelabvēlīgos apstākļos.

Visi šie notikumi, cita starpā, ļāva daudziem lieli piegādātāji IT uzņēmumi, īpaši augstas veiktspējas skaitļošanas (HPC) uzņēmumi, ieinteresēsies par šiem produktiem un iekļaus tos savos risinājumos. Daži SCM izmantošanas piemēri komerciālās un uzņēmumu sistēmās ir šādi:

• Dell EMCASV uzņēmums paziņoja, ka izmantos Intel Optane PMem, lai uzlabotu savu PowerMax SAN sistēmu veiktspēju.
• Hewlett Packard Enterprise (HPE): arī ielauztos SCM ar tādiem uzņēmumu risinājumiem kā Nimble Storage SAN, kuru pamatā ir Optane.
• Hitachi Vantara: Japānas uzņēmums piedāvāja arī savu virtuālās krātuves platformas 5000 sēriju ar iespēju lietotājiem izmantot SCM, kas darbojas kā buferatmiņa vai kešatmiņa.
• Lenovo: Paredzams, ka Ķīnas personālo datoru un HPC gigants paziņos arī par Intel Optane atbalstu saviem ThinkSystem serveriem.
• MemVergeŠis jaunuzņēmums, kas dibināts 2017. gadā, izstrādāja sistēmu ar nosaukumu Memory Machine, kas virtualizēja DRAM un Intel Optane, lai izveidotu lielas ietilpības, pastāvīgu datu nesēju. Ideja bija izmantot šīs sistēmas momentuzņēmumiem, serveru replikācijai un citiem mērķiem.
• NetApp: izstrādāja programmatūru Memory Accelerated Data (Max Data). Šajā projektā tiek izmantota Pleexistor tehnoloģija un tas atbalsta Intel Optane SCM.
• Pure StorageŠī uzņēmuma ideja bija apvienot NVMe zibatmiņu un moduļus, ko izstrādāja pats uzņēmums un nosauca par DirectMemory, kā rezultātā tika iegūta tā sauktā FlashArray//X pilnībā zibatmiņa, izmantojot divu portu Intel Optane ierīces.
• StorOneLīdzīgi kā iepriekšējais, jo All-Flash Array.next ir sistēma, kas apvieno Optane atmiņu ar Intel QLC 3D NAND atmiņu un ko pārvalda S1 programmatūra.
• Plaši datiŠis cits uzņēmums izveidoja uz SCM balstītu rakstīšanas buferi, lai paātrinātu mākslīgā intelekta darba slodzes.

SCM nākotne

Īsāk sakot, esam redzējuši dažus mēģinājumus izstrādāt tehnoloģijas un produktus, kas izmanto kādu SCM formu, taču tie viena vai otra iemesla dēļ nav pilnībā guvuši popularitāti tirgū. Joprojām ir nepieciešama attīstība, kā arī dažu tehnoloģiju, uz kurām šīs ierīces ir balstītas, briedums. Un, neskatoties uz daudzu pesimismu, šajā ziņojumā varētu būt daudzsološa nākotne.