SCM: Čo je to za pamäť, ktorá má to najlepšie z RAM a to najlepšie z SSD?

Sprievodca hardvérom » tutoriály » SCM: Čo je to za pamäť, ktorá má to najlepšie z RAM a to najlepšie z SSD?

Vo svete IT prebieha neustály boj o hľadanie nových riešení v oblasti pamätí. Jednou z priorít je dosiahnuť pamäť, ktorá kombinuje to najlepšie z oboch svetov: RAM a SSD. Teda pamäť rovnako rýchla ako primárna pamäť, ale s kapacitou a nevolatilnou povahou sekundárnej pamäte. A práve tam veci smerujú. SCM ktoré vám dnes predstavujeme…

Aktuálna hierarchia pamäte

Pre pripomenutie, povedzme, že pamäť v súčasnej architektúre počítača má hierarchia pamäte v tvare pyramídy, od najrýchlejšej, najdrahšej a s najnižšou kapacitou na vrchole k najlacnejšej, najpomalšej a s najvyššou kapacitou na základni:

• Úroveň 0Na vrchole máme najrýchlejších zo všetkých, ktorými sú evidencia CPU, hoci má aj najmenšiu kapacitu. Registre majú zvyčajne veľkosť od 32-bitových do 64-bitových alebo viac. Napriek ich malej kapacite sú však zostavené z veľmi rýchlych klopných obvodov a je možné k nim pristupovať za menej ako 0.5 ns.
• Úroveň 1Tesne pod registrami sa nachádza vyrovnávacia pamäť (cache), od L0 alebo L1 až po LLC (Last Level Cache). Môžu sa sem zahrnúť aj niektoré vyrovnávacie pamäte, ako napríklad TLB, čo je tiež typ vyrovnávacej pamäte. To znamená, že často nájdeme L1, L2 a L3, s niekoľkými výnimkami. Táto pamäť má zvyčajne väčšiu kapacitu ako registre, od niekoľkých KB do niekoľkých MB. Bunky v tejto pamäti sú však SRAM. Vďaka tomu sú veľmi rýchle, aj keď nie také rýchle ako registre, ale rýchlejšie ako úrovne pod nimi. Hovoríme tu o prístupových časoch, ktoré sú zvyčajne od 1 ns do niekoľkých desiatok nanosekúnd, v závislosti od úrovne, alebo inými slovami, od približne 4 cyklov hodín CPU do 50 alebo 70 cyklov na vyšších úrovniach. Napríklad, L1 môže mať typické prístupové časy 1 ns, zatiaľ čo L2 môže byť okolo 3.3 ns, L3 medzi 12.8 ns a L4 42.4 ns… Treba tiež dodať, že úroveň 0 aj úroveň 1 sa v súčasných prípadoch nachádzajú v samotnom CPU.
• Úroveň 2Toto je to, čo je známe ako primárna pamäť alebo hlavná pamäť. To znamená RAM (možno sem zahrnúť aj virtuálnu pamäť, hoci treba mať na pamäti, že ide o časť umiestnenú v úrovni 3). Táto pamäť má väčšiu kapacitu ako vyrovnávacia pamäť, niekoľko GB, ale je tiež pravda, že prístupové časy sú pomalšie, okolo 10 ns. To sa môže líšiť v závislosti od typu pamäte, pretože latencia a frekvencia hodín nie sú vo všetkých rovnaké, ale len pre porovnanie. Je to preto, že ide o pamäť zloženú z buniek DRAM, pomalších ako SRAM, ale lacnejších, čo umožňuje túto vyššiu kapacitu za rozumnú cenu. Úroveň 0, úroveň 1 a úroveň 2 sú pamäte, ku ktorým má CPU priamy prístup. Mimochodom, ako viete, GPU má tiež vlastnú hlavnú pamäť alebo VRAM a vo všeobecnosti ide o DRAM a v niektorých prípadoch aj o HBM. HBM sa dá použiť aj pre CPU, hoci je to exotickejšie.
• Úroveň 3Môžeme sem zaradiť aj energeticky nezávislú pamäť (NVM), pretože všetky predchádzajúce úrovne boli volatilné, čo znamená, že keď sa pamäťové bunky odpoja od napájania, ich obsah sa stratí. Tento typ pamäte si uchováva všetky uložené informácie aj po odpojení napájania. Je tiež dôležité poznamenať, že k tomuto typu pamäte nemôže priamo pristupovať CPU a v mnohých prípadoch vyžaduje pomoc operačného systému. Táto úroveň sa všeobecne označuje ako sekundárna pamäť, rovnako ako sa úroveň 1 označuje ako primárna pamäť. Úroveň 3 zahŕňa pevné disky HDD a SSD. Prvé sú magnetické a majú prístupové časy okolo 3 ms, zatiaľ čo druhé sú oveľa rýchlejšie flash pamäťové jednotky s prístupovými časmi, ktoré môžu byť okolo 0.1 ms. Ako vidíte, prechádzame tu od nanosekúnd k milisekundám, ale treba tiež povedať, že ide o pamäť, ktorá je podstatne lacnejšia na výrobu, takže ju možno implementovať v kapacitách stoviek alebo tisícov GB alebo TB.
• Úroveň 4V tomto prípade sú prístupové časy dlhšie ako v predchádzajúcich prípadoch a v niektorých prípadoch môžu presiahnuť 10 ms. Môže ísť o vymeniteľné médiá, optickú pamäť (CD/DVD/BD), magnetické pásky a inú I/O pamäť.

Dobre, takže keď pochopíme túto pyramídu alebo hierarchiu pamäte, ďalším krokom je začať sa zaoberať tým, čo je SCM...

Hľadanie univerzálnej pamäte

V snahe zlepšiť túto hierarchiu pamäte výskumníci neustále vyvíjajú nové technológie a hľadajú tzv. „univerzálna pamäť“Tento termín označuje pamäťové zariadenie, ktoré dokáže kombinovať cenové výhody pamäte DRAM, rýchlosť pamäte SRAM a nevolatilnú povahu flash pamäte a zároveň má nekonečnú a dlhotrvajúcu životnosť.

Je zrejmé, že spojiť všetky tieto funkcie do jednej správy nie je v skutočnosti jednoduché, Mnohí odborníci pochybujú, že je to možné.. Niektorí Pamäte, ktoré sa objavili nedávno, môžu spĺňať niektoré z týchto charakteristík, hoci z nejakého dôvodu nie sú definitívnym riešením.

Mám na mysli pamäte ako FRAM alebo FeRAM, MRAM, PCM, RRAM alebo ReRAM, NRAM alebo Nano-RAM, PRAM alebo PCRAM, pamäť založená na memristoroch, PMC, bublinková pamäť, pamäť typu racetrack, UltraRAM (skúmané polovodiče ako InGaAs, GaSb, AlGaAs, GaAs, AlSb, InAs), 3D XPoint, Millipede, pamäť založená na FeFET, NOVRAM atď. Všetky majú zaujímavé výhody, ale aj nevýhody, ktoré ich stále nerobia vhodnými na to, aby sa považovali za univerzálne pamäte a ktoré môžu nahradiť úrovne 2 a 1, ako je vidieť v predchádzajúcej pyramíde, ako aj vložiť sa ako pamäť medzi hlavnú pamäť a sekundárnu pamäť.

Čo je NVRAM?

La NVRAM (energeticky nezávislá pamäť s náhodným prístupom) Ide o typ pamäte s náhodným prístupom, podobne ako RAM, ktorá však nestráca svoje dáta, keď nie je napájaná, čím sa stáva energeticky nezávislou. Cieľom je dosiahnuť, aby táto pamäť mala vlastnosti SRAM alebo DRAM, čo sa týka rýchlosti prístupu, ale bez straty uložených informácií, ako je to v prípade sekundárnej pamäte. Táto technológia by sa mohla použiť na mnohých frontoch, od ukladania firmvéru až po mikrokontroléry pre priemysel alebo na použitie v HPC aplikáciách, leteckých aplikáciách, IoT, distribuovaných výpočtoch, aplikáciách virtuálnych strojov a ďalších.

Myslite na každého výhody Čo by táto pamäť mala v porovnaní so súčasnou konvenčnou pyramídou, ako napríklad:

• Keďže je rovnako rýchla ako DRAM alebo SRAM, dosahuje veľmi rýchle prístupové časy, čo umožňuje jej použitie ako hlavnej pamäte.
• Keďže je energeticky nezávislá, jej spotreba by bola veľmi nízka, pretože by neboli potrebné obnovovacie cykly a neustále dopĺňanie pamäte, ako je to v prípade energeticky nezávislej pamäte.
• Na ukladanie veľkého objemu informácií je možné získať veľké kapacity.
• Tieto články majú tiež lepšiu spoľahlivosť ako súčasné flash články, takže dáta je možné ukladať dlhodobo bez toho, aby sa zhoršili po tisíckach alebo miliónoch cyklov, ako sa to v súčasnosti deje s týmito inými článkami. Ako viete, v závislosti od toho, či... Bunky flash pamäte sú NOR, NAND alebo ich deriváty, spoľahlivosť môže byť viac či menej krátka.

Táto pretrvávajúca pamäť by mohla byť riešením niektorých súčasných problémov vzhľadom na existujúce technologické obmedzenia a medzeru alebo rozdiel v dosiahnutých výsledkoch prúd medzi RAM a CPU.

Ako viete, v súčasnosti existuje niekoľko riešenie Patria sem rýchlejšie energeticky nezávislé pamäte na ukladanie informácií počas používania, čo umožňuje rýchlejší prístup k nim. Keď sa blíži výpadok napájania, obsah sa prenesie do energeticky nezávislej pamäte. To však znamená zahrnutie dvoch typov pamäte, čo okrem iných problémov zvyšuje výrobné náklady. S týmito modulmi však budete mať všetko v jednom.

Nedávno boli zavedené niektoré štandardy, ako napr. NVDIMM, teda formát DIMM (Dual In-line Memory Module) pre tento typ permanentnej alebo energeticky nezávislej pamäte. Týmto spôsobom by sa tieto pamäte mohli implementovať v modulárnej forme ako súčasná RAM a inštalovať do slotov podobných tým, ktoré sú v súčasnosti k dispozícii. Na rozdiel od konvenčnej DRAM by však mali vyššie uvedené výhody.

Pamäte NVDIMM sa vyvinuli z technológie známej ako BBU DIMM (pamäť DIMM so zálohou batérie), ktorá používala záložnú batériu na udržanie napájania v energeticky nezávislej pamäti až 72 hodín v prípade výpadku prúdu. To však nie je cieľom tejto SCM alebo univerzálnej pamäte, pretože používanie batérií znamená, že ich je potrebné nabíjať alebo vymieňať, má väčší vplyv na životné prostredie atď.

Tento pomocný zdroj napájania je potrebný na to, aby hlavná energeticky nezávislá pamäť mala v prípade výpadku napájania čas preniesť svoj obsah do energeticky nezávislej pamäte. V súčasnosti existujú aj niektoré moduly NVDIMM, ktoré sa nespoliehajú na batérie, ale na... superkondenzátory, teda vysokokapacitné kondenzátory, ktoré sú počas používania plné a pri náhlom výpadku prúdu majú dostatok energie na to, aby zostali aktívne dostatočne dlho, aby sa zabránilo strate údajov.

Niektoré z týchto riešení sa pôvodne používali na ukladanie do vyrovnávacej pamäte niektorých adaptérov hostiteľskej zbernice (HBA) pre disky RAID, čo umožňovalo vyrovnávacej pamäti prežiť výpadok napájania. Ako však uvidíte, majú aj iné využitie.

Aby sa obmedzilo používanie týchto systémov, niektoré sa zrodili štandardy podľa JEDEC pre NVDIMM ktoré by ste mali vedieť, ako napríklad:

• NVDIMM-FToto je štandardný slot pre moduly DIMM s čipmi flash pamäte. Používatelia systému musia kombinovať pamäťový modul DIMM s tradičným modulom DRAM DIMM, t. j. oba moduly samostatne. Je dostupný od roku 2014 s produktmi, ako je 3D XPoint PCM, ktorý oznámili spoločnosti Intel a Micron Technology.
• NVDIMM-NV tomto prípade sú oba typy pamäte kombinované do jedného DIMM modulu. To znamená, že máme flash úložisko a tradičnú DRAM v tom istom module. To umožňuje systému priamy prístup k tradičnej DRAM počas prevádzky systému. V prípade výpadku napájania alebo vypnutia modul vyprázdni dáta z volatilnej tradičnej DRAM do perzistentnej flash pamäte a skopíruje ich späť po obnovení napájania. Pre modul sa používa malý záložný zdroj napájania, kým sa dáta kopírujú z DRAM do flash pamäte. Spoločnosti Sony a Viking Technology tiež oznámili pamäť pre tento typ slotu založenú na ReRAM.
• NVDIMM-PŠpecifikácia : sa objavila vo februári 2021 a umožňovala perzistentnú hlavnú pamäť s týmito novými SCM alebo univerzálnymi pamäťovými modulmi. Okrem toho mohli zdieľať identické prepojenia s modulmi DIMM DDR4 alebo DDR5. Preto ich bolo možné nahradiť. Medzi príklady tohto typu patrí modul Samsung/Netlist oznámený v roku 2015, ktorý bol pravdepodobne založený na Z-NAND.
• NVDIMM-XToto nie je štandard JEDEC, ale je to tiež zaujímavé. V tomto prípade máme pamäťový modul DDR DIMM s pamäťou NAND flash, vyvinutý spoločnosťou Xitore.

Dobre, teraz prejdeme k SCM, čo súvisí so všetkým, čo som tu vysvetlil, ako uvidíte, ale bolo potrebné to vysvetliť predtým, ako sme sa pustili do práce s týmto novým konceptom...

Čo je SCM?

La SCM (pamäť triedy úložiska), na ktorú sa tento článok zameriava, je typ fyzickej pamäte, ktorá sa snaží etablovať ako univerzálna pamäť alebo aspoň pokryť niektoré zo svojich základov. S SCM máme pamäť, ktorá kombinuje to najlepšie z dynamickej pamäte s náhodným prístupom (DRAM), toho najlepšieho z pamäte NAND flash a zdroja energie pre perzistenciu dát.

Stručne povedané, s SCM by sme dosiahli prístup (zápis a čítanie) k údajom je rýchlejší ako prístup k dátam na lokálne pripojených diskoch SSD (Solid State Drive) cez PCIe, magnetické pevné disky (HDD) a externé úložné polia. SCM je odolnejšia ako DRAM a dokáže čítať a zapisovať dáta až 10-krát rýchlejšie ako disky NAND. Vyššie kapacity ako pri konvenčnej RAM však možno dosiahnuť aj za prijateľnú cenu a s dlhšou životnosťou ako súčasné SSD disky.

Jednou z aplikácií, v ktorých je možné tieto SCM pamäte využiť, je v dátových centráchA môžu prispieť:

• latenciaMáme vysokovýkonné úložné médium s nízkou latenciou, čo znamená rýchlejšie časy prístupu ako pri sekundárnych úložných médiách. To je pozitívny faktor pre pracovné zaťaženia, ktoré vyžadujú spracovanie veľkého množstva údajov s dobrým výkonom.
• vytrvalýZáložný zdroj napájania zaisťuje, že dáta a programový kód zostanú zachované aj počas zlyhania systému alebo výpadku napájania. Toto riešenie poskytuje bajtovo adresovateľnú perzistentnú úložnú vrstvu medzi DRAM a flash pamäťou. Použitie SCM rozširuje rýchly výkon DRAM na energeticky nezávislé úložisko. Po obnovení napájania sa teda systém môže vrátiť presne tam, kde prestal, bez straty dát alebo času – čo je v systémoch s vysokou dostupnosťou nevyhnutné. Okrem toho by sa v mnohých prípadoch eliminovala potreba neustáleho obnovovania.
• Menej závislý od sekundárnych médiíPri SCM je potrebné presúvať menej údajov medzi hlavnou pamäťou a sekundárnym úložiskom, pretože má väčšiu kapacitu. To znižuje zaťaženie procesora, keď potrebuje operačný systém na prístup k sekundárnym médiám, ako som už vysvetlil, čo zvyšuje výkon. Zariadenie SCM dokáže taktovať takmer rovnako rýchlo ako DRAM a statická RAM (SRAM), ale s výhodou perzistencie.

Výhody a nevýhody SCM

Ako som už v článku komentoval, použitie SCM môže mať veľké výhody v porovnaní s konvenčnou pamäťou, ako napríklad väčšia kapacita ako súčasné DRAM, s podobnými alebo rýchlejšími prístupovými časmi, ale bez volatility poslednej menovanej. Okrem toho mnohé z nových technológií, ktoré sú vo vývoji, ponúkajú aj vyššiu energetickú účinnosť, čo je dôležité v dátových centrách. A v prípade lokálneho napájania uzla by sa dáta nestratili. Je tiež dôležité pamätať na to, že dáta umiestnené v SCM sledujú kratšiu I/O cestu a znižujú zber odpadu na veľkých dátových blokoch.

V oblasti informatiky je garbage collection alebo GC spôsob automatickej správy pamäte. GC sa pokúša získať späť pamäť pridelenú programom, ktorá sa už nepoužíva; inými slovami, uvoľňuje tento pamäťový zdroj. To oslobodzuje program od vykonávania úloh správy pamäte; inými slovami, nemusí určovať, ktoré objekty má zrušiť a uvoľniť.

Ale napriek svojim výhodám majú aj Niektoré nevýhody, a preto ešte neboli široko prijaté. Jedným z najväčších úskalí je, že sú založené na technológiách, ktoré sú stále vo vývoji alebo si vyžadujú dozrievanie, pretože prvé uvedené produkty nedosiahli hranice teoreticky očakávaného potenciálu. Navyše, keďže ide o exotické technológie, ich výroba môže byť drahšia.

Príklady produktov SCM

Ako som už spomenul vyššie, existujú niektoré príklady produktov ktoré boli uvedené na trh a považujú sa za typy komerčných implementácií SCM, ako napríklad:

• Intel OptaneV roku 2018 bol uvedený na trh produkt špeciálne vyvinutý pre HPC, umelú inteligenciu a ďalšie aplikácie, ktorý umožňuje zlepšenie výkonu vďaka tejto SCM pamäti založenej na technológii 3D XPoint, ktorá bola vyvinutá v spolupráci so spoločnosťou Micron. Hoci bolo uvedených na trh niekoľko formátov tejto pamäte, ako napríklad formáty M.2 NVMe, rozširujúce karty PCIe, existoval aj jeden vo formáte DIMM s názvom Optane Persistent Memory alebo PMem. Kapacita týchto DIMM modulov sa pohybovala od 128 GB do 512 GB na modul. V roku 2021 sa však spoločnosť Intel rozhodla zastaviť vývoj tejto pamäte a cieľ sa zameral na otvorený štandard Compute Express Link (CXL), ktorý sa zdal sľubnejší.
• Samsung Z-SSDJuhokórejská spoločnosť by tiež vytvorila médium s nízkou latenciou typu SCM založené na inej technológii ako predchádzajúca. V tomto prípade bola použitá variácia V-NAND s názvom Z-NAND, ktorá bola organizovaná v 48 vrstvách pamäťových buniek založených na tranzistoroch s plávajúcim hradlom.
• Rozširujúce pamäťové jednotky Western Digital Ultrastar DC ME200: možno ho použiť na rozšírenie existujúcej systémovej pamäte, podporu konsolidácie serverov a zníženie zložitosti rozdelenia veľkých, viacterabajtových dátových súborov medzi viacero serverov. Ide o riešenie SCM, ktoré spoločnosť AMD použila pre svoje systémy založené na procesore EPYC, aby konkurovala riešeniu spoločnosti Intel.
• Kioxia XL-Flash SCMTáto spoločnosť, predtým Toshiba Memory, tiež vyvinula vlastnú technológiu SCM, známu ako táto. Tieto produkty používali tvarový faktor podobný SSD, ale s plánmi preniesť ho na zbernicu DRAM.
• Inteligentné modulárne technológie DuraMemoryToto ďalšie riešenie perzistentnej pamäte v moduloch je tiež ďalším pozoruhodným príkladom, hoci v tomto prípade je určené pre priemysel a prostredia, kde je potrebná robustnosť a spoľahlivosť za nepriaznivých podmienok.

Všetky tieto udalosti, okrem iného, ​​spôsobili, že mnohé veľkých dodávateľov IT spoločnosti, najmä spoločnosti zaoberajúce sa vysokovýkonnými výpočtami (HPC), sa o tieto produkty budú zaujímať a zahrnú ich do svojich riešení. Medzi príklady použitia SCM v komerčných a podnikových systémoch patria:

• Dell EMCAmerická spoločnosť oznámila, že na zlepšenie výkonu svojich systémov PowerMax SAN použije pamäť Intel Optane PMem.
• Spoločnosť Hewlett Packard Enterprise (HPE)by tiež prenikol do SCM s podnikovými riešeniami, ako sú Nimble Storage SAN, založené na Optane.
• Hitachi Vantara: Japonská spoločnosť tiež ponúkla svoju platformu Virtual Storage Platform 5000 Series s možnosťou, aby používatelia používali SCM, ktorá funguje ako vyrovnávacia pamäť alebo vyrovnávacia pamäť.
• Lenovo: Očakáva sa, že čínsky gigant v oblasti osobných výpočtov a HPC oznámi aj podporu pre Intel Optane pre svoje servery ThinkSystem.
• MemVergeTento startup, založený v roku 2017, vyvinul systém známy ako Memory Machine, ktorý virtualizoval DRAM a Intel Optane, čím vytvoril vysokokapacitné, perzistentné úložné médium. Cieľom bolo použiť tieto systémy na vytváranie snímok, replikáciu serverov a iné účely.
• NetAppnavrhol softvér Memory Accelerated Data (Max Data). Tento projekt využíva technológiu Pleexistor a podporuje Intel Optane SCM.
• Pure StorageMyšlienkou tejto spoločnosti bolo skombinovať flash pamäť NVMe a moduly, ktoré sama vyvinula a nazvala DirectMemory, čo viedlo k platforme komerčne známej ako FlashArray//X all-flash s použitím dvojportových zariadení Intel Optane.
• StorOnePodobné ako predchádzajúci systém, pretože All-Flash Array.next je systém, ktorý obsahuje pamäť Optane spolu s pamäťou Intel QLC 3D NAND a je spravovaný softvérom S1.
• Obrovské dátaTáto ďalšia spoločnosť vytvorila vyrovnávaciu pamäť pre zápis založenú na SCM na urýchlenie pracovných úloh umelej inteligencie.

Budúcnosť SCM

Stručne povedané, videli sme niekoľko pokusov o technológie a produkty, ktoré využívajú nejakú formu SCM, ale z nejakého dôvodu sa na trhu celkom neujali. Vývoj je stále potrebný, rovnako ako vyspelosť niektorých technológií, na ktorých sú tieto zariadenia založené. A napriek pesimizmu mnohých táto správa môže mať sľubnú budúcnosť.