SCM：新一代存儲介質技術
SCM：新一代存儲介質技術
什麼是SCM介質？
SCM（Storage Class Memory）是當前業界非常熱門的新介質形態，同時具備持久化（Storage Class）和快速位元組級訪問（Memory）的特點。當前也有叫SCM為PM（PersistentMemory）介質或者NVM（Non-VolatileMemory）介質。SCM介質的訪問時延普遍小於1μs，比當前常用的NAND FLASH快2-3個數量級，讀寫時也沒有NAND Flash順序寫入和寫前擦除的約束，操作過程更簡單；同時，SCM介質的在壽命和數據保持能力方面的表現也遠超NAND Flash。基於這些特點，業界普遍認為SCM會成為顛覆存儲系統設計的新一代介質，並優先應用於性能和可靠性要求較高的場景。
SCM介質現狀
目前在研的SCM介質種類繁多，但是比較主流的有4個大類： PCM、ReRAM、MRAM和NRAM。
PCM（Phase-change memory）即相變存儲器，利用特殊合金材料在晶態和非晶態下的導電性差異來表示0或者1的狀態。其優點是結構簡單，便於實現大容量和低成本，缺點是對於高溫比較敏感。PCM可用於Cache加速場景和大內存應用場景，由於其壽命和內存仍有一定差距，因此需要在系統設計上針對PCM進行優化以避免「寫穿」。一個典型的設計優化是搭配DRAM，形成分級的大容量內存資源池，同時滿足高性能和高可靠要求。業界SCM的典型代表為Intel和Micron聯合研發的3DXpoint。從當前的技術和市場發展趨勢看，3DXpoint是未來3年內最具規模商用能力的SCM介質。
ReRAM（Resistive random-access memory）即阻抗隨機存儲器，通過在上下電極間施加不同的電壓，控制Cell（存儲單元）內部導電絲的形成和熔斷對外呈現不同的阻抗值。其優點是不同阻抗值可以表示不同狀態，理論容量密度和成本可以最優；缺點是讀寫壽命和性能都較低，主要應用於高速的數據存儲場景。典型代表廠商為HPE和Crossbar，目前成熟度有待加強。
MRAM（Magnetic Random Access Memory）即磁性隨機存儲器，通過電流磁場改變電子自旋方向來表示不同狀態，理論性能和壽命都很高，適用於貼近CPU側的高速緩存（如L2 Cache，LLCache），當前理論研究比較成熟，但是工藝成熟度低，實際產品容量密度較小，代表廠商為Toshiba和Everspin。
NRAM（Nantero』s CNT Random Access Memory）即碳納米管隨機存儲器，採用碳納米管作為開關，控制電路通斷表示不同的數據狀態。由於碳納米管尺寸非常小並且具備極強的韌性，因此NRAM理論製程可以達到5nm以下，密度和壽命及其優秀，理論功耗也比較低，可用於替代SRAM（Static random-access memory or StaticRAM）的應用場景。當前由Nantero授權其他存儲晶元廠商加工，成熟度比較低，距離規模商用仍需很長的發展歷程。
SCM介質主要類型和技術特點
站在存儲系統的角度，考慮到存儲系統對容量密度以及成本有較高的訴求，同時結合其成熟度，華為會重點關注3DXpoint，並進行相應技術預研及產品布局，同時緊密關注ReRAM及其他SCM的發展趨勢。
SCM介質產品形態和在存儲系統中的應用高性能SSD
SCM第一階段的應用形態，是基於NVMe Block介面，兼容原有生態的SCM SSD，如Intel推出的OptaneP4800X系列。這種形態對現有系統架構改變不大，同時提供了相對Flash SSD更高的性能。另外，由於SCM SSD無需垃圾回收操作，避免了NAND SSD長期使用後的性能衰減問題，提供了更穩定的時延。業界基於此形態的存儲產品正在逐步出現，華為也在有計劃的進行相應產品研發。
這種形態在存儲系統中的主要應用方式包括：
元數據緩存：作為AFA產品的元數據緩存，配合DRAM，形成內存+SCM SSD的兩級緩存機制，突破內存容量瓶頸，在保持性能穩定的情況下支持更大的用戶容量；
數據緩存：作為用戶數據的加速層，提升典型應用場景下的性能體驗；
主存場景：作為用戶數據的存儲層，提供高性能存儲系統以滿足某些場景的性能要求。
位元組型DIMM形態
SCM第二階段的應用形態，是基於內存訪問語義(Load/Store)，以DIMM的形態接入系統的可持久化內存。這種形態可以提供與內存接近的訪問時延（100ns級），並提供相對內存更大的容量和數據持久化能力，是未來超高性能存儲系統的重要基礎技術。
要利用好這種形態，需要對現有計算機系統軟硬體架構進行較大變化，業界在基於持久化內存的數據結構，事務技術，硬體架構，編程工具等各方面均在進行相應的探索。如在網路方面，現有的跨CPU間內存訪問受限於網路時延，無法充分發揮SCM介質持久化的特點（即使最快的網路訪問也需要3μs以上，遠超介質本身的時延）。因此，華為與其他IT巨頭共同提出了Gen-Z標準，使得SCM可以獨立以Gen-Z介面接入Gen-Z匯流排，各CPU可以以納秒級的時延訪問共享SCM介質，才能更好的發揮SCM的性能：
現有跨CPU內存訪問網路
Gen-Z新一代內存訪問網路
DIMM形態存儲需要的各項技術仍在探索中，華為也有相應的前沿性研究項目在進行中，在這項技術成熟後，會第一時間應用於華為存儲系統中。
小結
SCM介質以其獨特的設計原理，極大的彌補了IO設備與內存設備之間的時延鴻溝，同時使內存具備了持久化功能，必將對現有計算機體系結構以及應用方式產生很大影響，在未來很長一段時間會持續成為計算機體系創新的熱點，華為也會持續關注SCM的產業化進程，利用這種新的技術，為客戶提供創新性的存儲產品。
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