SCM: Која је то меморија која има најбоље од RAM-а и најбоље од SSD-а?

Водич за хардвер » Туториали » SCM: Која је то меморија која има најбоље од RAM-а и најбоље од SSD-а?

У свету ИТ-а постоји стална борба за проналажење нових решења за меморију. Један од приоритета је постизање меморије која комбинује најбоље из оба света: RAM и SSD. То јест, меморија брза као примарна меморија, али са капацитетом и непроменљивом природом секундарне меморије. И управо у том правцу ствари иду. СЦМ које вам данас представљамо…

Тренутна хијерархија меморије

Подсећања ради, рецимо да меморија у тренутној рачунарској архитектури има хијерархија меморије у облику пирамиде, од најбржег, најскупљег и најмањег капацитета на врху, до најјефтинијег, најспоријег и највишег капацитета у основи:

• Ниво КСНУМКСНа врху имамо најбрже од свих, а то су плоче процесора, иако има и најмањи капацитет. Регистри се обично крећу по величини од 32-битних до 64-битних или више. Међутим, упркос свом малом капацитету, направљени су од веома брзих флип-флопова и може им се приступити за мање од 0.5 ns.
• Ниво КСНУМКСОдмах испод регистара налази се кеш меморија, од L0 или L1 до LLC (Last Level Cache). Овде се могу укључити чак и неки бафери, као што је TLB, који је такође врста кеша. То јест, често можемо пронаћи L1, L2 и L3, уз неколико изузетака. Ова меморија обично има веће капацитете од регистара, у распону од неколико KB до неколико MB. Међутим, ћелије у овој меморији су SRAM. То их чини веома брзим, иако не тако брзим као регистри, али бржим од нивоа испод њих. Овде говоримо о временима приступа која су обично од 1 ns до неколико десетина наносекунди, у зависности од нивоа, или другим речима, од око 4 такта процесора до 50 или 70 циклуса на вишим нивоима. На пример, L1 може имати типично време приступа од 1 ns, док L2 може бити око 3.3 ns, L3 између 12.8 ns, а L4 на 42.4 ns… Такође треба додати да се и ниво 0 и ниво 1 налазе унутар самог процесора у тренутним случајевима.
• Ниво КСНУМКСОво је оно што је познато као примарна меморија или главна меморија. То јест, RAM (виртуелна меморија би могла бити укључена овде, мада имајте на уму да је ово део смештен у нивоу 3). Ова меморија има већи капацитет од кеш меморије, неколико GB, али је такође истина да су времена приступа спорије, око 10 ns. Ово може да варира у зависности од типа меморије, пошто латенција и фреквенција такта нису исте у свима њима, али само да вам дам референцу. То је зато што је то меморија састављена од DRAM ћелија, спорије од SRAM-а, али јефтиније, што омогућава овај већи капацитет по умереној цени. Ниво 0, ниво 1 и ниво 2 су меморија којој процесор може директно да приступи. Иначе, као што знате, GPU такође има своју главну меморију, или VRAM, и то је генерално DRAM, а у неким случајевима и HBM. HBM се такође може користити за процесор, иако је ово егзотичније.
• Ниво КСНУМКСОвде се може уврстити и неиспарљива меморија (NVM), јер су сви претходни нивои били испарљиви, што значи да када се напајање искључи из меморијских ћелија, њихов садржај се губи. Ова врста меморије задржава све сачуване информације чак и када се напајање искључи. Такође је важно напоменути да процесор не може директно да приступи овој врсти меморије и да јој у многим случајевима потребна помоћ оперативног система. Овај ниво се генерално назива секундарна меморија, баш као што се ниво 1 назива примарна меморија. Ниво 3 укључује HDD и SSD хард дискове. Први су магнетни и имају време приступа од око 3 ms, док су други много брже флеш меморијске јединице, са временом приступа које може бити око 0.1 ms. Као што видите, овде прелазимо са наносекунди на милисекунде, али се такође мора рећи да је то меморија која је знатно јефтинија за производњу, тако да се може имплементирати у капацитетима од стотина или хиљада GB или TB.
• Ниво КСНУМКСУ овом случају, времена приступа су дужа него у претходним и у неким случајевима могу бити преко 10 ms. Ово може да укључује преносиве медије, оптичку меморију (CD/DVD/BD), магнетне траке и другу I/O меморију.

У реду, када једном разумемо ову пирамиду или хијерархију меморије, следећи корак је да почнемо да разматрамо шта је SCM...

У потрази за универзалним памћењем

Да би покушали да побољшају ову хијерархију меморије, истраживачи стално развијају нове технологије и траже оно што се назива „универзална меморија“Овај термин се односи на уређај за складиштење који може да комбинује исплативост DRAM-а, брзину SRAM-а и неиспарљиву природу флеш меморије, а истовремено има бесконачну и дуготрајну издржљивост.

Очигледно је да обједињавање свих ових карактеристика у једном извештају није лако, заправо, Многи стручњаци сумњају да је то могуће.. Неки Мемоари који су се недавно појавили могу испуњавати неке од ових карактеристика, иако нису дефинитивно решење из једног или другог разлога.

Мислим на меморије као што су FRAM или FeRAM, MRAM, PCM, RRAM или ReRAM, NRAM или Nano-RAM, PRAM или PCRAM, меморија заснована на мемристорима, PMC, меморија типа „bubble“, меморија типа „racetrack“, UltraRAM (полупроводници који су под истрагом као што су InGaAs, GaSb, AlGaAs, GaAs, AlSb, InAs), 3D XPoint, Millipede, меморија заснована на FeFET-у, NOVRAM итд. Све оне са занимљивим предностима, али и са недостацима који их и даље не чине погодним да се сматрају универзалним меморијама и које могу да замене нивое 2 и 1, као што се може видети у претходној пирамиди, као и да се поставe као меморија између главне меморије и секундарне меморије.

Шта је НВРАМ?

La NVRAM (Неиспарљива меморија са случајним приступом) То је врста меморије са случајним приступом попут RAM меморије, али не губи своје податке када се напајање не примењује на њу, што је чини неиспарљивом. Идеја је да се постигне ова меморија са својствима SRAM или DRAM меморије у погледу брзине приступа, али без губитка сачуваних информација, као што је секундарна меморија. Ово би могла бити добра технологија за употребу на многим фронтовима, од складиштења фирмвера до микроконтролера за индустрију или за употребу у HPC апликацијама, ваздухопловним апликацијама, IoT-у, дистрибуираном рачунарству, апликацијама виртуелних машина, између осталог.

Мисли на све користи Шта би ово сећање имало у поређењу са тренутном конвенционалном пирамидом, као што је:

• Будући да је брз као DRAM или SRAM, постиже веома брза времена приступа, што му омогућава да се користи као главна меморија.
• Пошто је неиспарљива, њена потрошња би била веома ниска, јер циклуси освежавања и стално пуњење меморије не би били потребни као што је случај са испарљивом меморијом.
• Велики капацитети могу се добити за складиштење великих количина информација.
• Ове ћелије такође имају бољу поузданост од тренутних флеш ћелија, тако да се подаци могу чувати дугорочно, без пропадања након хиљада или милиона циклуса као што се тренутно дешава са овим другим ћелијама. Као што знате, у зависности од тога да ли Флеш меморијске ћелије су NOR, NAND или деривати, поузданост може бити мање или више кратка.

Ова трајна меморија би могла бити решење за неке од тренутних проблема с обзиром на технолошка ограничења која постоје и празнину или јаз у постигнућима струја између РАМ-а и процесора.

Као што знате, тренутно постоје неки решења То укључује бржу испарљиву меморију за чување информација током употребе, што омогућава бржи приступ. Када је пред прекидом нестанка напајања, садржај се преноси у испарљиву меморију. Међутим, то значи укључивање две врсте меморије, што повећава трошкове производње, између осталих проблема. Али са овим модулима, имаћете све у једном.

Недавно су објављени неки стандарди као што су NVDIMM, односно DIMM (Dual In-line Memory Module) формат за ову врсту трајне или непроменљиве меморије. На овај начин, ове меморије би могле бити имплементиране у облику модула попут тренутне RAM меморије и инсталиране у слотове сличне онима који су тренутно доступни. Међутим, за разлику од конвенционалне DRAM меморије, имале би горе наведене предности.

NVDIMM-ови су еволуирали из технологије познате као BBU DIMM (DIMM са резервном батеријом), која је користила резервну батерију за одржавање напајања у испарљивој меморији до 72 сата у случају нестанка струје. Међутим, то није циљ ове SCM или универзалне меморије, јер употреба батерија значи да их је потребно пунити или заменити, има већи утицај на животну средину и тако даље.

Овај помоћни извор напајања је неопходан да би се главној испарљивој меморији омогућило време да пренесе свој садржај у неиспарљиву меморију у случају нестанка напајања. Тренутно постоје и неки NVDIMM модули који се не ослањају на батерије, већ на суперкапацитатори, односно кондензатори великог капацитета који су пуни током употребе и када дође до изненадног нестанка струје, имају довољно енергије да остану активни довољно дуго како би спречили губитак података.

Нека од ових решења су првобитно коришћена за кеширање неких адаптера хост магистрале (HBA) за RAID дискове, омогућавајући кешу да преживи нестанак струје. Међутим, као што ћете видети, они имају и друге примене.

Да би се ограничила употреба ових система, неки су рођени стандарди према JEDEC-у за NVDIMM које би требало да знате, као што су:

• NVDIMM-FОво је стандард слотова за DIMM модуле са флеш меморијским чиповима. Корисници система морају да комбинују DIMM меморију за складиштење података са традиционалном DRAM DIMM меморијом, тј. два модула одвојено. Доступан је од 2014. године, са производима као што је 3D XPoint PCM који су најавили Intel и Micron Technology.
• НВДИММ-НУ овом случају, обе врсте меморије су комбиноване у један DIMM модул. То јест, имамо флеш меморију и традиционалну DRAM меморију у истом модулу. Ово омогућава систему да директно приступи традиционалној DRAM меморији док систем ради. У случају нестанка струје или искључивања, модул брише податке из испарљиве традиционалне DRAM меморије у перзистентну флеш меморију и копира их назад када се напајање врати. Мали резервни извор напајања се користи за модул док се подаци копирају из DRAM меморије у флеш меморију. Sony и Viking Technology су такође најавили меморију за ову врсту слота засновану на ReRAM меморији.
• NVDIMM-PСпецификација : појавила се у фебруару 2021. године, омогућавајући перзистентну главну меморију, са појавом ових нових SCM-ова или универзалних меморијских модула. Штавише, могли су да деле идентичне међусобне везе са DIMM-овима DDR4 или DDR5 меморија. Стога би могли бити замењени. Примери овог типа укључују Samsung/Netlist модул најављен 2015. године, који је вероватно био базиран на Z-NAND-у.
• NVDIMM-XОво није JEDEC стандард, али је такође занимљиво. У овом случају, имамо DDR меморијски DIMM модул, али са NAND флеш меморијом, који је развила компанија Xitore.

У реду, сада ћемо прећи на SCM, што је повезано са свим што сам овде објаснио, као што ћете видети, али је било неопходно објаснити ово пре него што се почне са радом са овим новим концептом...

Шта је СЦМ?

La SCM (меморија класе складиштења), што је главни фокус овог чланка, је врста физичке меморије која покушава да се етаблира као универзална меморија, или барем да покрије неке од њених основа. Са SCM-ом, имамо меморију која комбинује најбоље од динамичке меморије са случајним приступом (DRAM), најбоље од NAND флеш меморије и извора енергије за перзистентност података.

Укратко, оно што бисмо постигли са SCM-ом јесте да имамо приступ (писање и читање) подацима је бржи него приступ подацима на локално повезаним SSD дисковима (SSD) путем PCIe, магнетних хард дискова (HDD) и екстерних низова за складиштење података. SCM је издржљивији од DRAM меморије и може да чита и пише податке до 10 пута брже од NAND дискова. Међутим, већи капацитети од конвенционалне RAM меморије могу се постићи и по приступачној цени, као и дужи век трајања од тренутних SSD дискова.

Једна од примена у којој се ове SCM меморије могу искористити је у дата центримаИ они могу допринети:

• ЛатентностИмамо високоперформансни медијум за складиштење података са ниском латенцијом, што значи брже време приступа него код секундарних медија за складиштење података. Ово је позитиван фактор за радна оптерећења која захтевају руковање великим количинама података са добрим перформансама.
• УпоранРезервно напајање осигурава да се подаци и програмски код сачувају током квара система или нестанка струје. Ово обезбеђује бајтно адресабилни трајни слој складиштења између DRAM-а и флеш меморије. Коришћење SCM-а проширује брзе перформансе DRAM-а на неиспарљиву меморију. Стога, када се напајање врати, систем може да настави тачно тамо где је стао, без губитка података или времена – што је од виталног значаја у системима високе доступности. Штавише, у многим случајевима, потреба за сталним освежавањем би била елиминисана.
• Мање зависан од секундарних медијаСа SCM-ом, мање података је потребно премештати између главне меморије и секундарне меморије, јер има већи капацитет. Ово смањује оптерећење процесора када је потребно да оперативни систем приступи секундарним медијима, као што сам раније објаснио, што повећава перформансе. SCM уређај може да ради са брзинама такта готово једнако великим као DRAM и статичка RAM меморија (SRAM), али са предношћу перзистентности.

Предности и мане SCM-а

Као што сам коментарисао током целог чланка, употреба SCM-а може имати велике предности у поређењу са конвенционалном меморијом, као што је већи капацитет од тренутних DRAM меморија, са сличним или бржим временима приступа, али без ове друге волатилности. Штавише, многе нове технологије у развоју такође нуде већу енергетску ефикасност, што је важно у дата центрима. А, у случају локалног напајања чвора, подаци се не би губили. Такође је важно запамтити да подаци смештени у SCM прате краћу I/O путању и смањују сакупљање смећа на великим блоковима података.

У рачунарству, сакупљање смећа, или GC, је начин аутоматског управљања меморијом. GC покушава да поврати меморију коју је програм доделио, али више не користи; другим речима, ослобађа овај меморијски ресурс. Ово ослобађа програм од обавезе да обавља задатке управљања меморијом; другим речима, не мора да наводи које објекте да деалоцира и ослободи.

Али, упркос својим предностима, они такође имају Неки недостаци, због чега још увек нису широко усвојене. Једна од највећих замки је то што се заснивају на технологијама које су још увек у развоју или треба да сазру, јер први лансирани производи нису достигли границе потенцијала који се теоретски очекивао. Штавише, пошто су то егзотичне технологије, њихова производња може бити скупља.

Примери SCM производа

Као што сам већ напоменуо, постоје неки примери производа које су лансиране на тржиште и сматрају се врстама комерцијалних SCM имплементација, као што су:

• Интел Оптане: је лансиран 2018. године, производ који је посебно развијен за HPC, вештачку интелигенцију, између осталих апликација, омогућавајући побољшање перформанси захваљујући овој SCM меморији заснованој на 3D XPoint, технологији развијеној заједно са Micron-ом. Иако је лансирано неколико формата ове меморије, као што су M.2 NVMe формати, PCIe картице за проширење, постојао је и један у DIMM формату под називом Optane Persistent Memory или PMem. Капацитети ових DIMM модула кретао су се од 128 GB до 512 GB по модулу. Међутим, 2021. године Intel је одлучио да заустави развој ове меморије, а циљ се фокусирао на отворени стандард Compute Express Link (CXL), који је изгледао перспективније.
• Самсунг З-ССДЈужнокорејска компанија би такође креирала медијум са ниском латенцијом, типа SCM, заснован на другачијој технологији од претходне. У овом случају, коришћена је варијација V-NAND-а, названа Z-NAND, која је организована у 48 слојева меморијских ћелија заснованих на транзисторима са плутајућом капијом.
• Western Digital Ultrastar DC ME200 меморијски дискови за проширење меморије: може се користити за проширење постојеће системске меморије, подстицање консолидације сервера и смањење сложености дељења великих, вишетерабајтних скупова података на више сервера. Ово је SCM решење које је AMD користио за своје системе засноване на EPYC-у како би се такмичио са Интеловим решењем.
• Киоксија XL-Флеш SCMОва компанија, раније Toshiba Memory, такође је развила сопствену SCM технологију, познату као ова. Ови производи су користили форм фактор сличан SSD-у, али са плановима да га примене на DRAM магистралу.
• Паметне модуларне технологије DuraMemoryОво друго решење за перзистентну меморију у модулима је такође још један значајан пример, иако је у овом случају дизајнирано за индустрију и окружења где су неопходни робусност и поузданост у неповољним условима.

Сви ови догађаји, између осталог, довели су до многих велики добављачи ИТ компаније, посебно компаније са високим израчунавањем рачунара (HPC), постаће заинтересоване за ове производе и укључиће их у своја решења. Неки примери употребе SCM-а у комерцијалним и пословним системима укључују:

• Делл ЕМЦАмеричка компанија је објавила да ће користити Intel Optane PMem како би побољшала перформансе својих PowerMax SAN система.
• Хевлетт Пацкард Ентерприсе (ХПЕ): би такође направио упад у SCM са пословним решењима као што су Nimble Storage SAN-ови, засновани на Optane-у.
• Хитацхи Вантара: Јапанска компанија је такође понудила своју платформу за виртуелно складиштење 5000 серије, са могућношћу да корисници користе SCM, који делује као бафер или кеш меморија.
• леново: Очекује се да ће кинески гигант у области персоналних рачунара и високопроизводних рачунара такође објавити подршку за Intel Optane за своје ThinkSystem сервере.
• МемВерџОснован 2017. године, овај стартап је развио систем познат као Memory Machine, који је виртуелизовао DRAM и Intel Optane да би створио трајни медијум за складиштење података великог капацитета. Идеја је била да се ови системи користе за снимке података, репликацију сервера и друге сврхе.
• НетАппдизајнирао је софтвер за убрзани пренос података помоћу меморије (Max Data). Овај пројекат користи Pleexistor технологију и подржава Intel Optane SCM.
• Чисто складиштењеИдеја ове компаније била је да комбинује NVMe флеш меморију и модуле које је сама развила и назвала DirectMemory, што је резултирало оним што је комерцијално познато као FlashArray//X all-flash, користећи двоструке Intel Optane уређаје.
• СторОнеСлично претходном, пошто је All-Flash Array.next систем који пакује Optane меморију заједно са Intel QLC 3D NAND меморијом, а управља га S1 софтвер.
• Огромни подациОва друга компанија је креирала бафер за писање базиран на SCM-у како би убрзала радна оптерећења вештачке интелигенције.

Будућност SCM-а

Укратко, видели смо неке покушаје технологија и производа који користе неки облик SCM-а, али се нису баш прихватили на тржишту из једног или другог разлога. Развој је и даље потребан, као и зрелост неких технологија на којима се ови уређаји заснивају. И, упркос песимизму многих, овај извештај може имати обећавајућу будућност.