SCM: Ce memorie are cea mai bună memorie RAM și cea mai bună memorie SSD?

Ghid hardware » Tutoriale » SCM: Ce memorie are cea mai bună memorie RAM și cea mai bună memorie SSD?

În lumea IT există o luptă constantă pentru găsirea de noi soluții de memorie. Una dintre priorități este obținerea unei memorii care să combine ce e mai bun din ambele lumi: RAM și SSD. Adică, o memorie la fel de rapidă ca memoria principală, dar cu capacitatea și natura nevolatilă a memoriei secundare. Și încotro se îndreaptă lucrurile. CSM-ul pe care vi-l prezentăm astăzi…

Ierarhia actuală a memoriei

Ca o reamintire, să spunem că memoria din arhitectura actuală a computerului are o ierarhia memoriei sub forma unei piramide, de la cea mai rapidă, cea mai scumpă și cu cea mai mică capacitate din vârf, la cea mai ieftină, cea mai lentă și cu cea mai mare capacitate din bază:

• nivelul 0În vârf îi avem pe cei mai rapizi dintre toți, care sunt înregistrări al procesorului, deși are și cea mai mică capacitate. Registrele variază de obicei în dimensiune de la 32 de biți la 64 de biți sau mai mult. Cu toate acestea, în ciuda capacității lor mici, acestea sunt construite din bistabile foarte rapide și pot fi accesate în mai puțin de 0.5 ns.
• nivelul 1Chiar sub registre se află memoria cache, de la L0 sau L1 până la LLC (Last Level Cache). Aici pot fi incluse chiar și unele buffere, cum ar fi TLB, care este, de asemenea, un tip de cache. Adică, putem găsi frecvent L1, L2 și L3, cu câteva excepții. Această memorie are de obicei capacități mai mari decât registrele, variind de la câțiva KB la câțiva MB. Cu toate acestea, celulele din această memorie sunt SRAM. Acest lucru le face foarte rapide, deși nu la fel de rapide ca registrele, dar mai rapide decât nivelurile de sub ele. Aici vorbim despre timpi de acces care sunt de obicei de la 1 ns la câteva zeci de nanosecunde, în funcție de nivel, sau cu alte cuvinte, de la aproximativ 4 cicluri de ceas CPU la 50 sau 70 de cicluri la nivelurile superioare. De exemplu, un L1 poate avea timpi de acces tipici de 1 ns, în timp ce L2 ar putea fi în jur de 3.3 ns, L3 între 12.8 ns, iar L4 la 42.4 ns… De asemenea, trebuie adăugat că atât Nivelul 0, cât și Nivelul 1 se află în interiorul procesorului în cazurile actuale.
• nivelul 2Aceasta este ceea ce se numește memorie primară sau memorie principală. Adică RAM (memoria virtuală ar putea fi inclusă aici, deși rețineți că aceasta este o porțiune găzduită în Nivelul 3). Această memorie are o capacitate mai mare decât memoria cache, câțiva GB, dar este adevărat și că timpii de acces sunt mai lenți, în jur de 10 ns. Acest lucru poate varia în funcție de tipul de memorie, deoarece latența și frecvența de ceas nu sunt aceleași în toate, dar doar pentru a vă oferi o referință. Acest lucru se datorează faptului că este o memorie compusă din celule DRAM, mai lentă decât SRAM, dar mai ieftină, ceea ce permite această capacitate mai mare la un preț moderat. Nivelul 0, Nivelul 1 și Nivelul 2 sunt memorii la care procesorul poate accesa direct. Apropo, după cum știți, GPU-ul are și propria memorie principală, sau VRAM, și este în general DRAM și, de asemenea, HBM în unele cazuri. HBM poate fi folosit și pentru procesor, deși acesta este mai exotic.
• nivelul 3Memoria nevolatilă (NVM) poate fi inclusă aici, deoarece toate nivelurile anterioare erau volatile, ceea ce înseamnă că atunci când alimentarea este întreruptă din celulele de memorie, conținutul acestora se pierde. Acest tip de memorie păstrează toate informațiile stocate chiar și atunci când alimentarea este întreruptă. De asemenea, este important de menționat că acest tip de memorie nu poate fi accesat direct de către procesor și, în multe cazuri, necesită asistență din partea sistemului de operare. Acest nivel este în general denumit memorie secundară, la fel cum Nivelul 1 este denumit memorie primară. Nivelul 3 include hard disk-uri HDD și SSD. Primele sunt magnetice și au timpi de acces de aproximativ 3 ms, în timp ce cele din urmă sunt unități de memorie flash mult mai rapide, cu timpi de acces care pot fi de aproximativ 0.1 ms. După cum puteți vedea, aici trecem de la nanosecunde la milisecunde, dar trebuie spus și că este o memorie considerabil mai ieftină de produs, astfel încât poate fi implementată în capacități de sute sau mii de GB sau TB.
• nivelul 4În acest caz, timpii de acces sunt mai lungi decât cei anteriori și pot depăși 10 ms în unele cazuri. Acestea pot include suporturi de stocare amovibile, memorie optică (CD/DVD/BD), benzi magnetice și alte tipuri de memorie I/O.

Bine, deci odată ce înțelegem această piramidă sau ierarhie a memoriei, următorul pas este să începem să analizăm ce este SCM...

În căutarea memoriei universale

Pentru a încerca să îmbunătățească această ierarhie a memoriei, cercetătorii dezvoltă constant noi tehnologii și caută ceea ce se numește „memorie universală”Acest termen se referă la un dispozitiv de stocare care poate combina avantajele de cost ale DRAM-ului, viteza SRAM-ului și natura nevolatilă a memoriei flash, având în același timp o durabilitate infinită și de lungă durată.

Evident, reunirea tuturor acestor caracteristici într-un singur raport nu este ușoară, de fapt, Mulți experți se îndoiesc că acest lucru este posibil.. niste Memoriile apărute recent pot îndeplini unele dintre aceste caracteristici, deși nu reprezintă o soluție definitivă dintr-un motiv sau altul.

Mă refer la memorii precum FRAM sau FeRAM, MRAM, PCM, RRAM sau ReRAM, NRAM sau Nano-RAM, PRAM sau PCRAM, memorie bazată pe memristor, PMC, memorie cu bule, memorie de tip racetrack, UltraRAM (se investighează semiconductori precum InGaAs, GaSb, AlGaAs, GaAs, AlSb, InAs), 3D XPoint, Millipede, memorie bazată pe FeFET, NOVRAM etc. Toate cu avantaje interesante, dar și cu dezavantaje care totuși nu le fac potrivite pentru a fi considerate memorii universale și care pot înlocui nivelurile 2 și 1, așa cum se poate observa în piramida anterioară, precum și se pot interpune ca memorie între memoria principală și memoria secundară.

Ce este NVRAM?

La NVRAM (Memorie cu acces aleatoriu nevolatilă) Este un tip de memorie cu acces aleatoriu, similară cu memoria RAM, dar nu își pierde datele atunci când nu este alimentată cu energie, ceea ce o face nevolatilă. Ideea este de a obține această memorie cu proprietățile SRAM sau DRAM în ceea ce privește viteza de acces, dar fără a pierde informațiile stocate, precum memoria secundară. Aceasta ar putea fi o tehnologie bună de utilizat pe o multitudine de fronturi, de la stocarea firmware-ului la microcontrolere pentru industrie sau pentru utilizare în aplicații HPC, aplicații aerospațiale, IoT, calcul distribuit, aplicații de mașini virtuale, printre altele.

Gândește-te la toată lumea beneficiile Ce ar fi avut această memorie în comparație cu piramida convențională actuală, cum ar fi:

• Fiind la fel de rapidă ca DRAM sau SRAM, atinge timpi de acces foarte rapizi, permițându-i să fie utilizată ca memorie principală.
• Deoarece este nevolatilă, consumul său ar fi foarte scăzut, deoarece nu ar fi necesare cicluri de reîmprospătare și alimentarea constantă a memoriei, așa cum este cazul memoriei volatile.
• Se pot obține capacități mari pentru stocarea unor volume mari de informații.
• Aceste celule au, de asemenea, o fiabilitate mai bună decât celulele flash actuale, astfel încât datele pot fi stocate pe termen lung, fără a se deteriora după mii sau milioane de cicluri, așa cum se întâmplă în prezent cu aceste alte celule. După cum știți, în funcție de dacă Celulele de memorie flash sunt NOR, NAND sau derivate, fiabilitatea poate fi mai mult sau mai puțin scurtă.

Această memorie persistentă ar putea fi soluția la unele dintre problemele actuale, având în vedere limitările tehnologice existente și decalajul sau decalaj de performanță curentul dintre RAM și CPU.

După cum știți, există în prezent câteva Soluții Acestea includ o memorie volatilă mai rapidă pentru stocarea informațiilor în timpul utilizării, permițând un acces mai rapid. Când alimentarea cu energie este pe cale să fie întreruptă, conținutul este transferat în memoria nevolatilă. Totuși, aceasta înseamnă includerea a două tipuri de memorie, ceea ce crește costurile de producție, printre alte probleme. Dar cu aceste module, veți avea totul într-unul singur.

Recent au fost lansate câteva standarde, cum ar fi formatul NVDIMM, adică un DIMM (modul de memorie dual in-line) pentru acest tip de memorie permanentă sau nevolatilă. În acest fel, aceste memorii ar putea fi implementate sub formă de module, precum memoria RAM actuală, și instalate în sloturi similare cu cele disponibile în prezent. Cu toate acestea, spre deosebire de memoria DRAM convențională, acestea ar avea avantajele enumerate mai sus.

Modulele NVDIMM au evoluat din tehnologia cunoscută sub numele de BBU DIMM (DIMM cu baterie de rezervă), care folosea o baterie de rezervă pentru a menține energia într-o memorie volatilă timp de până la 72 de ore în cazul unei pene de curent. Totuși, acesta nu este scopul acestei SCM sau a memoriei universale, deoarece utilizarea bateriilor înseamnă că acestea trebuie încărcate sau înlocuite, are un impact mai mare asupra mediului și așa mai departe.

Această sursă auxiliară de alimentare este necesară pentru a permite memoriei volatile principale să își transfere conținutul către memoria nevolatilă în cazul unei pene de curent. În prezent, există și unele module NVDIMM care nu se bazează pe baterii, ci pe... supercapacitori, adică condensatoare de mare capacitate care sunt pline în timpul utilizării și, atunci când apare o pană de curent bruscă, au suficientă energie pentru a rămâne active suficient de mult timp pentru a preveni pierderea datelor.

Unele dintre aceste soluții au fost inițial folosite pentru memorarea în cache a unor adaptoare de magistrală gazdă (HBA) pentru unități RAID, permițând memoriei cache să supraviețuiască unei pene de curent. Cu toate acestea, ele au aplicații dincolo de acestea, după cum veți vedea.

Pentru a limita utilizarea acestor sisteme, au apărut unele standarde conform JEDEC pentru NVDIMM pe care ar trebui să le știi, cum ar fi:

• NVDIMM-FAcesta este un standard de slot pentru modulele DIMM cu cipuri de memorie flash. Utilizatorii de sistem trebuie să combine modulul DIMM de stocare cu un modul DRAM DIMM tradițional, adică cele două module separat. Este disponibil din 2014, cu produse precum 3D XPoint PCM anunțate de Intel și Micron Technology.
• NVDIMM-NÎn acest caz, ambele tipuri de memorie sunt combinate într-un singur modul DIMM. Adică, avem stocare flash și DRAM tradițional în același modul. Acest lucru permite sistemului să acceseze direct DRAM-ul tradițional în timp ce sistemul funcționează. În cazul unei pene de curent sau al unei opriri, modulul elimină datele din DRAM-ul tradițional volatil în memoria flash persistentă și le copiază înapoi când se restabilește alimentarea. O mică sursă de alimentare de rezervă este utilizată pentru modul în timp ce datele sunt copiate din DRAM în memoria flash. Sony și Viking Technology au anunțat, de asemenea, o memorie pentru acest tip de slot bazată pe ReRAM.
• NVDIMM-P: specificația a apărut în februarie 2021, permițând memoria principală persistentă, odată cu apariția acestor noi SCM-uri sau module de memorie universale. În plus, acestea puteau partaja interconexiuni identice cu DIMM-urile DDR4 sau DDR5. Prin urmare, puteau fi înlocuite. Exemple de acest tip includ modulul Samsung/Netlist anunțat în 2015, care era posibil bazat pe Z-NAND.
• NVDIMM-XAcesta nu este un standard JEDEC, dar este și interesant. În acest caz, avem un modul DIMM de memorie DDR, dar cu stocare flash NAND, dezvoltat de Xitore.

Bine, acum vom trece la SCM, care are legătură cu tot ce am explicat aici, după cum veți vedea, dar era necesar să explic acest lucru înainte de a ne apuca de treabă cu acest nou concept...

Ce este SCM?

La SCM (Memorie de clasă de stocare), care este subiectul principal al acestui articol, este un tip de memorie fizică care încearcă să se impună ca o memorie universală sau cel puțin să acopere o parte din bazele sale. Cu SCM, avem o memorie care combină ce e mai bun din memoria dinamică cu acces aleatoriu (DRAM), ce e mai bun din memoria flash NAND și o sursă de alimentare pentru persistența datelor.

Pe scurt, ceea ce am realiza cu un SCM este să avem un accesul (scrierea și citirea) la date este mai rapid decât accesul la date pe unități SSD (solid-state hard disk) atașate local prin PCIe, hard disk-uri magnetice (HDD) și matrici de stocare externe. SCM este mai durabil decât DRAM și poate citi și scrie date de până la 10 ori mai rapid decât unitățile NAND. Cu toate acestea, se pot obține capacități mai mari decât memoria RAM convențională la un cost accesibil, precum și o durată de viață mai lungă decât SSD-urile actuale.

Una dintre aplicațiile în care aceste memorii SCM pot fi utilizate pentru a profita este în centrele de dateȘi pot contribui:

• latențăAvem un mediu de stocare de înaltă performanță cu latență redusă, ceea ce înseamnă timpi de acces mai rapizi decât mediile de stocare secundare. Acesta este un factor pozitiv pentru sarcinile de lucru care necesită gestionarea unor cantități mari de date cu performanțe bune.
• PersistentSursa de alimentare de rezervă asigură păstrarea datelor și a codului de program în timpul unei defecțiuni a sistemului sau a unei pene de curent. Aceasta oferă un strat de stocare persistentă adresabil pe octeți între DRAM și memoria flash. Utilizarea SCM extinde performanța rapidă a DRAM la stocarea nevolatilă. Prin urmare, atunci când alimentarea este restabilită, sistemul poate relua procesul exact de unde a rămas, fără a pierde date sau timp - vital în sistemele cu disponibilitate ridicată. În plus, în multe cazuri, nevoia de reîmprospătare constantă ar fi eliminată.
• Mai puțin dependent de mediile secundareCu SCM, este nevoie să se mute mai puține date între memoria principală și cea secundară, deoarece aceasta are o capacitate mai mare. Acest lucru reduce volumul de muncă al procesorului atunci când este nevoie ca sistemul de operare să acceseze mediile secundare, așa cum am explicat anterior, ceea ce crește performanța. Un dispozitiv SCM poate atinge viteze de ceas aproape la fel de mari ca DRAM și RAM statică (SRAM), dar cu avantajul persistenței.

Avantajele și dezavantajele SCM

Așa cum am comentat pe parcursul articolului, utilizarea SCM poate avea avantaje mari în comparație cu memoria convențională, cum ar fi o capacitate mai mare decât DRAM-urile actuale, cu timpi de acces similari sau mai rapizi, dar fără volatilitatea acestora din urmă. În plus, multe dintre noile tehnologii aflate în dezvoltare oferă și o eficiență energetică mai mare, ceea ce este important în centrele de date. Și, în cazul unei alimentări locale cu energie electrică a unui nod, datele nu s-ar pierde. De asemenea, este important să ne amintim că datele plasate în SCM urmează o cale I/O mai scurtă și reduc colectarea gunoiului pe blocuri mari de date.

În informatică, colectarea gunoiului, sau GC, este o modalitate de gestionare automată a memoriei. GC încearcă să recupereze memoria alocată de un program, dar care nu mai este utilizată; cu alte cuvinte, eliberează această resursă de memorie. Acest lucru eliberează programul de necesitatea de a efectua sarcini de gestionare a memoriei; cu alte cuvinte, nu trebuie să specifice ce obiecte să dealoce și să elibereze.

Dar, în ciuda avantajelor lor, ele au și Unele dezavantaje, motiv pentru care nu au fost încă adoptate pe scară largă. Una dintre cele mai mari capcane este că se bazează pe tehnologii care sunt încă în curs de dezvoltare sau trebuie să se maturizeze, deoarece primele produse lansate nu au atins limitele potențialului așteptat teoretic. În plus, deoarece sunt tehnologii exotice, pot fi mai scumpe de produs.

Exemple de produse SCM

Așa cum am menționat mai sus, există câteva exemple de produse care au fost lansate pe piață și sunt considerate tipuri de implementări SCM comerciale, cum ar fi:

• Intel Optane: a fost lansat în 2018, un produs dezvoltat special pentru HPC, AI, printre alte aplicații, permițând îmbunătățiri ale performanței datorită acestei memorii SCM bazate pe 3D XPoint, o tehnologie dezvoltată împreună cu Micron. Deși au fost lansate mai multe formate ale acestei memorii, cum ar fi formatele M.2 NVMe, plăcile de expansiune PCIe, a existat și unul în format DIMM numit Optane Persistent Memory sau PMem. Capacitățile acestor module DIMM variau de la 128 GB la 512 GB per modul. Cu toate acestea, în 2021, Intel a decis să oprească dezvoltarea acestei memorii, iar obiectivul s-a concentrat pe standardul deschis Compute Express Link (CXL), care părea mai promițător.
• Samsung Z-SSDCompania sud-coreeană ar urma să creeze și un mediu de tip SCM, cu latență redusă, bazat pe o tehnologie diferită de cea anterioară. În acest caz, s-a folosit o variantă de V-NAND, numită Z-NAND, care era organizată în 48 de straturi de celule de memorie bazate pe tranzistoare cu poartă flotantă.
• Unități de extensie de memorie Western Digital Ultrastar DC ME200: poate fi utilizat pentru a extinde memoria de sistem existentă, a încuraja consolidarea serverelor și a reduce complexitatea împărțirii seturilor mari de date, de mai mulți terabyți, pe mai multe servere. Aceasta este o soluție SCM pe care AMD a folosit-o pentru sistemele sale bazate pe EPYC pentru a concura cu soluția Intel.
• Kioxia XL-Flash SCMAceastă companie, fostă Toshiba Memory, a dezvoltat și propria tehnologie SCM, cunoscută sub numele de aceasta. Aceste produse foloseau un factor de formă asemănător SSD-urilor, dar cu planuri de a-l aduce pe magistrala DRAM.
• Tehnologii modulare inteligente DuraMemoryAceastă altă soluție de memorie persistentă în module este, de asemenea, un alt exemplu notabil, deși în acest caz este concepută pentru industrie și medii în care robustețea și fiabilitatea în condiții adverse sunt necesare.

Toate aceste evoluții, printre altele, au făcut ca multe furnizori mari Companiile IT, în special companiile HPC, vor deveni interesate de aceste produse și le vor include în soluțiile lor. Câteva exemple de utilizare SCM în sisteme comerciale și de întreprindere includ:

• Dell EMCCompania americană a anunțat că va utiliza Intel Optane PMem pentru a îmbunătăți performanța sistemelor sale SAN PowerMax.
• Hewlett Packard Enterprise (HPE): ar face, de asemenea, o incursiune în SCM cu soluții enterprise precum SAN-urile Nimble Storage, bazate pe Optane.
• Hitachi Vantara: Compania japoneză a oferit și platforma sa Virtual Storage Platform din seria 5000, cu opțiunea ca utilizatorii să utilizeze SCM, acționând ca memorie tampon sau cache.
• Lenovo: Gigantul chinez din domeniul informaticii personale și al HPC este așteptat să anunțe, de asemenea, suport pentru Intel Optane pentru serverele sale ThinkSystem.
• MemVergeFondată în 2017, această startup a dezvoltat un sistem cunoscut sub numele de Memory Machine, care a virtualizat DRAM și Intel Optane pentru a crea un mediu de stocare persistent de mare capacitate. Ideea era de a utiliza aceste sisteme pentru snapshot-uri, replicare server și alte scopuri.
• NetApp: a conceput software-ul Memory Accelerated Data (Max Data). Acest proiect utilizează tehnologia Pleexistor și este compatibil cu Intel Optane SCM.
• Depozitarea purăIdeea din spatele acestei companii a fost de a combina memoria flash NVMe și modulele dezvoltate de ea însăși și numite DirectMemory, rezultând ceea ce a fost cunoscut comercial sub numele de FlashArray//X all-flash, folosind dispozitive Intel Optane cu două porturi.
• StorOneSimilar cu precedentul, deoarece All-Flash Array.next este un sistem care include memoria Optane împreună cu memoria Intel QLC 3D NAND și este gestionat de software-ul S1.
• Date vasteAceastă altă companie a creat un buffer de scriere bazat pe SCM pentru a accelera sarcinile de lucru legate de inteligența artificială.

Viitorul SCM

Pe scurt, am văzut câteva încercări de tehnologii și produse care utilizează o formă de SCM, dar acestea nu au prins încă pe piață dintr-un motiv sau altul. Dezvoltarea este încă necesară, precum și maturizarea unora dintre tehnologiile pe care se bazează aceste dispozitive. Și, în ciuda pesimismului multora, acest raport ar putea avea un viitor promițător.