新一代存储介质技术SCM探讨

news2024/11/25 22:51:05

什么是SCM介质？
SCM介质现状
SCM介质产品形态和在存储系统中的应用
高性能SSD
字节型DIMM形态
小结
什么是SCM介质？
SCM（Storage Class Memory）是当前业界非常热门的新介质形态，同时具备持久化（Storage Class）和快速字节级访问（Memory）的特点。当前也有叫SCM为PM（PersistentMemory）介质或者NVM（Non-VolatileMemory）介质。SCM介质的访问时延普遍小于1µs，比当前常用的NAND FLASH快2-3个数量级，读写时也没有NAND Flash顺序写入和写前擦除的约束，操作过程更简单；同时，SCM介质的在寿命和数据保持能力方面的表现也远超NAND Flash。基于这些特点，业界普遍认为SCM会成为颠覆存储系统设计的新一代介质，并优先应用于性能和可靠性要求较高的场景。

SCM介质现状
目前在研的SCM介质种类繁多，但是比较主流的有4个大类： PCM、ReRAM、MRAM和NRAM。

**PCM（Phase-change memory）**即相变存储器，利用特殊合金材料在晶态和非晶态下的导电性差异来表示0或者1的状态。其优点是结构简单，便于实现大容量和低成本，缺点是对于高温比较敏感。PCM可用于Cache加速场景和大内存应用场景，由于其寿命和内存仍有一定差距，因此需要在系统设计上针对PCM进行优化以避免“写穿”。一个典型的设计优化是搭配DRAM，形成分级的大容量内存资源池，同时满足高性能和高可靠要求。业界SCM的典型代表为Intel和Micron联合研发的3DXpoint。从当前的技术和市场发展趋势看，3DXpoint是未来3年内最具规模商用能力的SCM介质。

**ReRAM（Resistive random-access memory）**即阻抗随机存储器，通过在上下电极间施加不同的电压，控制Cell（存储单元）内部导电丝的形成和熔断对外呈现不同的阻抗值。其优点是不同阻抗值可以表示不同状态，理论容量密度和成本可以最优；缺点是读写寿命和性能都较低，主要应用于高速的数据存储场景。典型代表厂商为HPE和Crossbar，目前成熟度有待加强。

**MRAM（Magnetic Random Access Memory）**即磁性随机存储器，通过电流磁场改变电子自旋方向来表示不同状态，理论性能和寿命都很高，适用于贴近CPU侧的高速缓存（如L2 Cache，L1Cache），当前理论研究比较成熟，但是工艺成熟度低，实际产品容量密度较小，代表厂商为Toshiba和Everspin。

**NRAM（Nantero’s CNT Random Access Memory）**即碳纳米管随机存储器，采用碳纳米管作为开关，控制电路通断表示不同的数据状态。由于碳纳米管尺寸非常小并且具备极强的韧性，因此NRAM理论制程可以达到5nm以下，密度和寿命及其优秀，理论功耗也比较低，可用于替代SRAM（Static random-access memory or StaticRAM）的应用场景。当前由Nantero授权其他存储芯片厂商加工，成熟度比较低，距离规模商用仍需很长的发展历程。

SCM介质产品形态和在存储系统中的应用
高性能SSD
SCM第一阶段的应用形态，是基于NVMe Block接口，兼容原有生态的SCM SSD，如Intel推出的OptaneP4800X系列。这种形态对现有系统架构改变不大，同时提供了相对Flash SSD更高的性能。另外，由于SCM SSD无需垃圾回收操作，避免了NAND SSD长期使用后的性能衰减问题，提供了更稳定的时延。业界基于此形态的存储产品正在逐步出现。

这种形态在存储系统中的主要应用方式包括：

**元数据缓存：**作为AFA产品（全闪存阵列）的元数据缓存，配合DRAM，形成内存+SCM SSD的两级缓存机制，突破内存容量瓶颈，在保持性能稳定的情况下支持更大的用户容量；

**数据缓存：**作为用户数据的加速层，提升典型应用场景下的性能体验；

**主存场景：**作为用户数据的存储层，提供高性能存储系统以满足某些场景的性能要求。

字节型DIMM形态
SCM第二阶段的应用形态，是基于内存访问语义(Load/Store)，以DIMM的形态接入系统的可持久化内存。这种形态可以提供与内存接近的访问时延（100ns级），并提供相对内存更大的容量和数据持久化能力，是未来超高性能存储系统的重要基础技术。

要利用好这种形态，需要对现有计算机系统软硬件架构进行较大变化，业界在基于持久化内存的数据结构，事务技术，硬件架构，编程工具等各方面均在进行相应的探索。如在网络方面，现有的跨CPU间内存访问受限于网络时延，无法充分发挥SCM介质持久化的特点（即使最快的网络访问也需要3µs以上，远超介质本身的时延）。因此，华为与其他IT巨头共同提出了Gen-Z标准，使得SCM可以独立以Gen-Z接口接入Gen-Z总线，各CPU可以以纳秒级的时延访问共享SCM介质，才能更好的发挥SCM的性能。

现有跨CPU内存访问网络：