SCM: Apakah memori ini yang mempunyai RAM terbaik dan SSD terbaik?

Panduan Perkakasan » Tutorial » SCM: Apakah memori ini yang mempunyai RAM terbaik dan SSD terbaik?

Terdapat perjuangan berterusan dalam dunia IT untuk mencari penyelesaian ingatan baharu. Salah satu keutamaan adalah untuk mencapai memori yang menggabungkan yang terbaik dari kedua-dua dunia: RAM dan SSD. Iaitu, ingatan sepantas ingatan primer, tetapi dengan kapasiti dan sifat tidak menentu ingatan sekunder. Dan di situlah perkara itu menuju. SCM yang kami persembahkan kepada anda hari ini…

Hierarki memori semasa

Sebagai peringatan, katakan bahawa memori dalam seni bina komputer semasa mempunyai a hierarki ingatan dalam bentuk piramid, bermula daripada kapasiti terpantas, paling mahal dan terendah di bahagian atas, kepada kapasiti termurah, paling perlahan dan tertinggi di pangkalan:

• Tahap 0: Di bahagian atas kita mempunyai yang terpantas daripada semua, iaitu rekod CPU, walaupun ia juga mempunyai kapasiti terkecil. Daftar biasanya berkisar dalam saiz dari 32-bit hingga 64-bit atau lebih. Walau bagaimanapun, walaupun kapasitinya kecil, ia dibina daripada flip-flop yang sangat pantas dan boleh diakses dalam masa kurang daripada 0.5 ns.
• Tahap 1: Tepat di bawah daftar adalah memori cache, dari L0 atau L1 ke LLC (Last Level Cache). Sesetengah penimbal juga boleh disertakan di sini, seperti TLB, yang juga merupakan jenis cache. Iaitu, kita sering dapat mencari L1, L2, dan L3, dengan beberapa pengecualian. Memori ini biasanya mempunyai kapasiti yang lebih besar daripada daftar, antara beberapa KB hingga beberapa MB. Walau bagaimanapun, sel dalam ingatan ini adalah SRAM. Ini menjadikan mereka sangat pantas, walaupun tidak secepat daftar, tetapi lebih pantas daripada tahap di bawahnya. Di sini kita bercakap tentang masa akses yang biasanya dari 1 ns hingga beberapa puluh nanosaat, bergantung pada tahap, atau dengan kata lain, daripada kira-kira 4 kitaran jam CPU kepada 50 atau 70 kitaran pada tahap yang lebih tinggi. Sebagai contoh, L1 mungkin mempunyai masa capaian biasa 1 ns, manakala L2 mungkin sekitar 3.3 ns, L3 antara 12.8 ns dan L4 pada 42.4 ns... Ia juga perlu ditambah bahawa kedua-dua Tahap 0 dan Tahap 1 berada dalam CPU itu sendiri dalam kes semasa.
• Tahap 2Inilah yang dikenali sebagai ingatan utama, atau ingatan utama. Iaitu, RAM (memori maya boleh disertakan di sini, walaupun perlu diingat bahawa ini adalah bahagian yang ditempatkan di Tahap 3). Memori ini mempunyai kapasiti yang lebih besar daripada cache, beberapa GB, tetapi juga benar bahawa masa capaian adalah lebih perlahan, sekitar 10 ns. Ini boleh berbeza-beza bergantung pada jenis ingatan, kerana kependaman dan kekerapan jam tidak sama dalam kesemuanya, tetapi hanya untuk memberi anda rujukan. Ini kerana ia adalah memori yang terdiri daripada sel DRAM, lebih perlahan daripada SRAM, tetapi lebih murah, yang membolehkan kapasiti yang lebih tinggi ini pada harga yang sederhana. Tahap 0, Tahap 1 dan Tahap 2 ialah memori yang boleh diakses oleh CPU secara langsung. Ngomong-ngomong, seperti yang anda tahu, GPU juga mempunyai memori utamanya sendiri, atau VRAM, dan ia biasanya DRAM dan juga HBM dalam beberapa kes. HBM juga boleh digunakan untuk CPU, walaupun ini lebih eksotik.
• Tahap 3Memori tidak meruap (NVM) boleh disertakan di sini, kerana semua peringkat sebelumnya adalah tidak menentu, bermakna apabila kuasa dikeluarkan daripada sel memori, kandungannya hilang. Memori jenis ini mengekalkan semua maklumat yang disimpan walaupun kuasa dikeluarkan. Ia juga penting untuk ambil perhatian bahawa jenis memori ini tidak boleh diakses secara langsung oleh CPU dan, dalam banyak kes, memerlukan bantuan daripada sistem pengendalian. Tahap ini biasanya dirujuk sebagai ingatan sekunder, sama seperti Tahap 1 dirujuk sebagai ingatan primer. Tahap 3 termasuk pemacu keras HDD dan SSD. Yang pertama adalah magnet dan mempunyai masa capaian sekitar 3 ms, manakala yang kedua adalah unit memori kilat yang lebih pantas, dengan masa akses yang boleh sekitar 0.1 ms. Seperti yang anda lihat, di sini kita beralih daripada nanosaat kepada milisaat, tetapi ia juga mesti dikatakan bahawa ia adalah memori yang jauh lebih murah untuk dihasilkan, jadi ia boleh dilaksanakan dalam kapasiti ratusan atau ribuan GB atau TB.
• Tahap 4: Dalam kes ini, masa akses adalah lebih lama daripada yang sebelumnya, dan boleh melebihi 10 ms dalam beberapa kes. Ini mungkin termasuk media boleh tanggal, memori optik (CD/DVD/BD), pita magnetik dan memori I/O lain.

Okay, jadi sebaik sahaja kita memahami piramid atau hierarki ingatan ini, langkah seterusnya ialah mula melihat apa itu SCM…

Dalam mencari ingatan sejagat

Untuk cuba memperbaiki hierarki ingatan ini, penyelidik sentiasa membangunkan teknologi baharu, dan sedang mencari apa yang dipanggil "ingatan sejagat"Istilah ini merujuk kepada peranti storan yang boleh menggabungkan faedah kos DRAM, kelajuan SRAM dan sifat memori kilat yang tidak meruap, di samping mempunyai ketahanan yang tidak terhingga dan tahan lama.

Jelas sekali, menyatukan semua ciri ini dalam satu laporan bukanlah mudah, sebenarnya, Ramai pakar meragui bahawa ini mungkin.. Sesetengah Memoir yang muncul baru-baru ini mungkin memenuhi beberapa ciri ini, walaupun ia bukan penyelesaian muktamad untuk satu sebab atau yang lain.

Saya merujuk kepada kenangan seperti FRAM atau FeRAM, MRAM, PCM, RRAM atau ReRAM, NRAM atau Nano-RAM, PRAM atau PCRAM, memori berasaskan memristor, PMC, memori gelembung, ingatan trek perlumbaan, UltraRAM (separa semikonduktor dalam penyiasatan seperti InGaAs, GaSb, AlGaAs, GaAs, AlSb, InAs, memori berasaskan NOFE, 3Dpeoint Fe, NOFE, dll. Kesemuanya dengan kelebihan yang menarik, tetapi juga dengan keburukan yang masih tidak menjadikannya sesuai untuk dianggap sebagai kenangan sejagat dan yang boleh menggantikan tahap 2 dan 1, seperti yang dapat dilihat dalam piramid sebelumnya, serta menyisipkan diri mereka sebagai ingatan antara ingatan utama dan ingatan sekunder.

Apakah NVRAM?

La NVRAM (Memori Akses Rawak Tidak Meruap) Ia adalah sejenis memori akses rawak seperti RAM, tetapi ia tidak kehilangan datanya apabila kuasa tidak digunakan padanya, menjadikannya tidak meruap. Ideanya adalah untuk mencapai memori ini dengan sifat SRAM atau DRAM dari segi kelajuan akses, tetapi tanpa kehilangan maklumat yang disimpan, seperti memori sekunder. Ini boleh menjadi teknologi yang baik untuk digunakan pada pelbagai bidang, daripada storan perisian tegar kepada mikropengawal untuk industri, atau untuk digunakan dalam aplikasi HPC, aplikasi aeroangkasa, IoT, pengkomputeran teragih, aplikasi mesin maya, antara lain.

Fikirkan semua orang faedahnya Apakah memori ini jika dibandingkan dengan piramid konvensional semasa, seperti:

• Menjadi sepantas DRAM atau SRAM, ia mencapai masa capaian yang sangat pantas, membolehkan ia digunakan sebagai ingatan utama.
• Oleh kerana ia tidak meruap, penggunaannya akan menjadi sangat rendah, kerana kitaran penyegaran semula dan penyusuan memori yang berterusan tidak diperlukan seperti halnya dengan memori yang tidak menentu.
• Kapasiti besar boleh diperolehi untuk menyimpan jumlah maklumat yang tinggi.
• Sel-sel ini juga mempunyai kebolehpercayaan yang lebih baik daripada sel kilat semasa, jadi data boleh disimpan dalam jangka panjang, tanpa merosot selepas beribu-ribu atau berjuta-juta kitaran seperti yang berlaku pada sel-sel lain ini. Seperti yang anda ketahui, bergantung kepada sama ada Sel memori denyar ialah NOR, NAND, atau derivatif, kebolehpercayaan boleh menjadi lebih kurang pendek.

Ingatan berterusan ini boleh menjadi penyelesaian kepada beberapa masalah semasa memandangkan batasan teknologi yang wujud dan jurang atau jurang pencapaian arus antara RAM dan CPU.

Seperti yang anda tahu, pada masa ini terdapat beberapa penyelesaian Ini termasuk memori yang lebih cepat meruap untuk menyimpan maklumat semasa penggunaan, membolehkan akses yang lebih pantas. Apabila bekalan kuasa hampir terputus, kandungan dipindahkan ke memori tidak meruap. Walau bagaimanapun, ini bermakna termasuk dua jenis memori, yang meningkatkan kos pengeluaran, antara masalah lain. Tetapi dengan modul ini, anda akan mempunyai segala-galanya dalam satu.

Baru-baru ini beberapa piawaian telah dilancarkan seperti NVDIMM, iaitu, format DIMM (Dual In-line Memory Module). untuk jenis memori kekal atau tidak meruap ini. Dengan cara ini, kenangan ini boleh dilaksanakan dalam bentuk modul seperti RAM semasa dan dipasang dalam slot yang serupa dengan yang tersedia pada masa ini. Walau bagaimanapun, tidak seperti DRAM konvensional, mereka akan mempunyai kelebihan yang disenaraikan di atas.

NVDIMM berkembang daripada teknologi yang dikenali sebagai BBU DIMM (DIMM Disandarkan Bateri), yang menggunakan bateri sandaran untuk mengekalkan kuasa dalam memori yang tidak menentu sehingga 72 jam sekiranya berlaku gangguan bekalan elektrik. Walau bagaimanapun, ini bukan matlamat SCM atau memori universal ini, kerana penggunaan bateri bermakna ia perlu dicas atau diganti, mempunyai kesan alam sekitar yang lebih besar, dan sebagainya.

Sumber kuasa tambahan ini diperlukan untuk membolehkan masa memori meruap utama memindahkan kandungannya ke memori tidak meruap sekiranya berlaku kegagalan kuasa. Pada masa ini, terdapat juga beberapa modul NVDIMM yang tidak bergantung pada bateri, tetapi pada supercapacitors, iaitu, kapasitor berkapasiti tinggi yang penuh semasa digunakan dan apabila berlaku gangguan bekalan elektrik secara tiba-tiba, ia mempunyai tenaga yang mencukupi untuk kekal aktif cukup lama untuk mengelakkan kehilangan data.

Sesetengah daripada penyelesaian ini pada asalnya digunakan untuk menyimpan beberapa penyesuai bas hos (HBA) untuk pemacu RAID, membolehkan cache bertahan daripada gangguan bekalan elektrik. Walau bagaimanapun, mereka mempunyai aplikasi di luar ini, seperti yang anda akan lihat.

Untuk memerah penggunaan sistem ini, beberapa telah dilahirkan piawaian di bawah JEDEC untuk NVDIMM yang perlu anda ketahui, seperti:

• NVDIMM-F: Ini ialah standard slot untuk modul DIMM dengan cip memori kilat. Pengguna sistem mesti menggabungkan DIMM storan dengan DIMM DRAM tradisional, iaitu, kedua-dua modul secara berasingan. Ia telah tersedia sejak 2014, dengan produk seperti 3D XPoint PCM yang diumumkan oleh Intel dan Micron Technology.
• NVDIMM-N: Dalam kes ini, kedua-dua jenis memori digabungkan menjadi satu modul DIMM. Iaitu, kami mempunyai storan kilat dan DRAM tradisional dalam modul yang sama. Ini membolehkan sistem mengakses DRAM tradisional secara terus semasa sistem sedang berjalan. Sekiranya berlaku gangguan kuasa atau penutupan, modul akan membuang data daripada DRAM tradisional yang tidak menentu kepada memori denyar yang berterusan dan menyalinnya semula apabila kuasa dipulihkan. Sumber kuasa sandaran kecil digunakan untuk modul manakala data disalin daripada DRAM ke memori kilat. Sony dan Viking Technology turut mengumumkan memori untuk slot jenis ini berdasarkan ReRAM.
• NVDIMM-P: spesifikasi muncul pada Februari 2021, membenarkan memori utama yang berterusan, dengan SCM baharu atau modul memori universal ini muncul. Tambahan pula, mereka boleh berkongsi sambungan yang sama dengan DIMM DDR4 atau DDR5. Oleh itu, mereka boleh diganti. Contoh jenis ini termasuk modul Samsung/Netlist yang diumumkan pada 2015, yang mungkin berdasarkan Z-NAND.
• NVDIMM-X: Ini bukan standard JEDEC, tetapi ia juga menarik. Dalam kes ini, kami mempunyai modul DIMM memori DDR, tetapi dengan storan kilat NAND, dibangunkan oleh Xitore.

Okey, sekarang kita akan beralih kepada SCM, yang berkaitan dengan semua yang saya jelaskan di sini, seperti yang anda akan lihat, tetapi ia adalah perlu untuk menerangkan perkara ini sebelum mula bekerja dengan konsep baharu ini...

Apakah SCM?

La SCM (Memori Kelas Storan), yang merupakan fokus utama artikel ini, ialah sejenis ingatan fizikal yang cuba mewujudkan dirinya sebagai ingatan sejagat, atau sekurang-kurangnya meliputi beberapa asasnya. Dengan SCM, kami mempunyai memori yang menggabungkan memori akses rawak dinamik (DRAM) terbaik, memori flash NAND terbaik dan sumber kuasa untuk kegigihan data.

Ringkasnya, apa yang kita akan capai dengan SCM ialah mempunyai a capaian (menulis dan membaca) kepada data adalah lebih pantas daripada akses data pada pemacu keadaan pepejal (SSD) terpasang setempat melalui PCIe, pemacu keras magnetik (HDD) dan tatasusunan storan luaran. SCM lebih tahan lama daripada DRAM dan boleh membaca dan menulis data sehingga 10 kali lebih pantas daripada pemacu NAND. Walau bagaimanapun, kapasiti yang lebih tinggi daripada RAM konvensional juga boleh dicapai pada kos yang berpatutan, serta jangka hayat yang lebih lama daripada SSD semasa.

Salah satu aplikasi di mana kenangan SCM ini boleh digunakan untuk memanfaatkan adalah di pusat data. Dan mereka boleh menyumbang:

• Latency: Kami mempunyai medium storan berprestasi tinggi dengan kependaman rendah, bermakna masa capaian lebih cepat daripada media storan sekunder. Ini adalah faktor positif untuk beban kerja yang memerlukan pengendalian sejumlah besar data dengan prestasi yang baik.
• BerterusanBekalan kuasa sandaran memastikan bahawa data dan kod program dikekalkan semasa kegagalan sistem atau kehilangan kuasa. Ini menyediakan lapisan storan berterusan yang boleh dialamatkan bait antara DRAM dan denyar. Menggunakan SCM memanjangkan prestasi pantas DRAM kepada storan tidak meruap. Oleh itu, apabila kuasa dipulihkan, sistem boleh menyambung terus di tempat ia berhenti, tanpa kehilangan data atau masa—penting dalam sistem ketersediaan tinggi. Tambahan pula, dalam banyak kes, keperluan untuk penyegaran berterusan akan dihapuskan.
• Kurang bergantung kepada media sekunderDengan SCM, lebih sedikit data yang perlu dialihkan antara memori utama dan storan sekunder, kerana ia mempunyai kapasiti yang lebih besar. Ini mengurangkan beban kerja CPU apabila ia memerlukan sistem pengendalian untuk mengakses media sekunder, seperti yang saya jelaskan sebelum ini, yang meningkatkan prestasi. Peranti SCM boleh mencatat kelajuan hampir sepantas DRAM dan RAM statik (SRAM), tetapi dengan kelebihan kegigihan.

Kelebihan dan kekurangan SCM

Seperti yang saya telah mengulas sepanjang artikel, penggunaan SCM boleh mempunyai kelebihan besar berbanding dengan memori konvensional, seperti kapasiti yang lebih besar daripada DRAM semasa, dengan masa capaian yang serupa atau lebih cepat, tetapi tanpa turun naik yang kedua. Tambahan pula, banyak teknologi baharu yang sedang dibangunkan juga menawarkan kecekapan tenaga yang lebih besar, yang penting dalam pusat data. Dan, sekiranya berlaku bekalan kuasa tempatan ke nod, data tidak akan hilang. Ia juga penting untuk diingat bahawa data yang diletakkan dalam SCM mengikut laluan I/O yang lebih pendek dan mengurangkan kutipan sampah pada blok data yang besar.

Dalam pengkomputeran, kutipan sampah, atau GC, ialah cara mengurus memori secara automatik. GC cuba untuk menuntut semula memori yang diperuntukkan oleh program tetapi tidak lagi digunakan; dengan kata lain, ia membebaskan sumber ingatan ini. Ini membebaskan program daripada perlu melaksanakan tugas pengurusan memori; dalam erti kata lain, ia tidak perlu menentukan objek mana yang hendak dialokasikan dan dibebaskan.

Tetapi, di sebalik kelebihan mereka, mereka juga mempunyai Beberapa kekurangan, itulah sebabnya mereka masih belum diterima pakai secara meluas. Salah satu masalah terbesar ialah mereka berdasarkan teknologi yang masih dalam pembangunan atau perlu matang, kerana produk pertama yang dilancarkan tidak mencapai had potensi yang dijangkakan secara teori. Tambahan pula, kerana ia adalah teknologi eksotik, ia boleh menjadi lebih mahal untuk dihasilkan.

Contoh produk SCM

Seperti yang saya nyatakan di atas, ada beberapa contoh produk yang telah dilancarkan di pasaran dan dianggap sebagai jenis pelaksanaan SCM komersial, seperti:

• Intel Optane: telah dilancarkan pada 2018, produk yang dibangunkan khusus untuk HPC, AI, antara aplikasi lain, membolehkan peningkatan prestasi berkat memori SCM ini berdasarkan 3D XPoint, teknologi yang dibangunkan bersama Micron. Walaupun beberapa format memori ini dilancarkan, seperti format M.2 NVMe, kad pengembangan PCIe, terdapat juga satu dalam format DIMM yang dipanggil Optane Persistent Memory atau PMem. Kapasiti modul DIMM ini adalah antara 128 GB hingga 512 GB setiap modul. Walau bagaimanapun, pada tahun 2021 Intel memutuskan untuk menghentikan pembangunan memori ini, dan objektifnya tertumpu pada Pautan Ekspres Komputasi (CXL) standard terbuka, yang kelihatan lebih menjanjikan.
• Samsung Z-SSD: Syarikat Korea Selatan itu juga akan mencipta medium kependaman rendah, jenis SCM berdasarkan teknologi yang berbeza daripada yang sebelumnya. Dalam kes ini, variasi V-NAND telah digunakan, dipanggil Z-NAND, dan yang disusun dalam 48 lapisan sel memori berdasarkan transistor get terapung.
• Pemacu Sambungan Memori Western Digital Ultrastar DC ME200: boleh digunakan untuk mengembangkan memori sistem sedia ada, menggalakkan penyatuan pelayan, dan mengurangkan kerumitan membahagikan set data berbilang terabait yang besar merentas berbilang pelayan. Ini ialah penyelesaian SCM yang AMD gunakan untuk sistem berasaskan EPYCnya untuk bersaing dengan penyelesaian Intel.
• Kioxia XL-Flash SCM: Syarikat ini, dahulunya Toshiba Memory, juga membangunkan teknologi SCM sendiri, yang dikenali sebagai ini. Produk ini menggunakan faktor bentuk seperti SSD, tetapi dengan rancangan untuk membawanya ke bas DRAM.
• Teknologi Modular Pintar DuraMemory: Penyelesaian memori berterusan yang lain dalam modul ini juga merupakan satu lagi contoh yang ketara, walaupun dalam kes ini ia direka untuk industri dan persekitaran di mana keteguhan dan kebolehpercayaan dalam keadaan buruk diperlukan.

Semua perkembangan ini, antara lain, membuat banyak pembekal besar Syarikat IT, terutamanya syarikat HPC, akan berminat dengan produk ini dan memasukkannya ke dalam penyelesaian mereka. Beberapa contoh penggunaan SCM dalam sistem komersial dan perusahaan termasuk:

• Dell EMC: Syarikat AS mengumumkan bahawa ia akan menggunakan Intel Optane PMem untuk meningkatkan prestasi sistem PowerMax SANnya.
• Hewlett Packard Enterprise (HPE): juga akan membuat pencerobohan ke dalam SCM dengan penyelesaian perusahaan seperti Nimble Storage SAN, berdasarkan Optane.
• Hitachi Vantara: Syarikat Jepun itu juga menawarkan Platform Penyimpanan Maya Siri 5000, dengan pilihan untuk pengguna menggunakan SCM, bertindak sebagai penimbal atau memori cache.
• Lenovo: Pengkomputeran peribadi China dan gergasi HPC itu juga dijangka mengumumkan sokongan untuk Intel Optane untuk pelayan ThinkSystemnya.
• MemVergeDiasaskan pada 2017, permulaan ini membangunkan sistem yang dikenali sebagai Mesin Memori, yang memayakan DRAM dan Intel Optane untuk mencipta medium storan berterusan berkapasiti tinggi. Ideanya adalah untuk menggunakan sistem ini untuk syot kilat, replikasi pelayan dan tujuan lain.
• NetApp: mereka bentuk perisian Memory Accelerated Data (Max Data). Projek ini menggunakan teknologi Pleexistor dan menyokong Intel Optane SCM.
• Penyimpanan tulen: Idea di sebalik syarikat ini adalah untuk menggabungkan memori denyar NVMe dan modul yang dibangunkan dengan sendirinya dan dipanggil DirectMemory, menghasilkan apa yang dikenali secara komersial sebagai FlashArray//X all-flash, menggunakan peranti Intel Optane dwi-port.
• StorOne: Sama seperti yang sebelumnya, kerana All-Flash Array.next ialah sistem yang membungkus memori Optane bersama dengan memori Intel QLC 3D NAND, dan diuruskan oleh perisian S1.
• Data Luas: Syarikat lain ini mencipta penimbal tulis berasaskan SCM untuk mempercepatkan beban kerja AI.

Masa depan SCM

Ringkasnya, kami telah melihat beberapa percubaan pada teknologi dan produk yang menggunakan beberapa bentuk SCM, tetapi mereka tidak begitu menarik di pasaran untuk satu sebab atau yang lain. Pembangunan masih diperlukan, serta kematangan beberapa teknologi yang berasaskan peranti ini. Dan, walaupun pesimisme ramai, laporan ini mungkin mempunyai masa depan yang menjanjikan.