模糊記憶體與 SSD 界線,初探 NVMe SCM 如何催化新興科技

作者 | 發布日期 2019 年 10 月 20 日 0:00 | 分類 AI 人工智慧 , 伺服器 , 儲存設備 follow us in feedly


儲存級記憶體(Storage Class Memory, SCM)概念雖然早在 2008 年就已被 IBM 等廠商提出,但 2019 年才可說是 SCM 元年。

儲存級記憶體 SCM 是一種介於 DRAM 與 NAND Flash 之間的技術概念。應用上大致可分為儲存及記憶體兩種形式。是作為底層儲存裝置,或混合  SSD 使用,另一種則用於輔助 DRAM 來提供加速存取的效果。簡單來講,SCM 就是 DRAM 與 SSD 的中介,一種高速讀寫的非揮發性記憶體技術,用來改善系統整體 I/O 效能。

在理想中,它是一種速度能與 DRAM 媲美,但成本逼近傳統硬碟的新型儲存技術。當然目前大概只有讀取速度能與 DRAM 比肩,寫入速度仍有差距,且在 SSD 的單位成本已逼近傳統硬碟的境況下,SCM 還沒有足夠的性價比做為底層儲存裝置。

且實際上,還有諸多被指望成為 SCM 的技術尚未決出勝負,包括相變化記憶體(PCM)、磁性記憶體(MRAM)、電阻式記憶體(RRAM)等,但達到商品化的,目前市面上僅有少數大廠如英特爾與美光合作的 3D XPoint 及三星的 Z-NAND 技術。

SCM 彌補落差

而這些技術的目標及潛力都在於能弭平 DRAM 與 SSD 讀寫速度的鴻溝。理論上,現代資訊系統由於內裝置性能的落差徒增不少功耗,資料往返所耗費的時間,成為整體性能的短板,所以在處理器與記憶體之間設有暫存器及快取等,而引入 SCM 做為記憶體緩衝或 SSD 快取,也都是為了解決這樣的問題。

▲ 儲存單元比較。(Source:科技新報)

當然記憶體內處理(In-memory Computing)才是更理想的方案,其將儲存設備間資料交換與運算的過程,改成直接從記憶體存取資料,和以傳統硬碟構成的資料儲存架構相比,能更快速地回傳結果,特別適合需要大量即時資料分析的應用環境,而 SCM 的問世朝此邁出了相當大的一步。

當然 SCM 離完全取代 SSD 仍需一段時日,不過已先重燃了分層儲存架構應用。近年來在 SSD 成本越來越低的情況下,原先自動分層儲存技術(Auto-Tiering)所提供的效能就不再那麼引人關注。但如今由 DRAM、SCM、SSD 所構成的新分層儲存架構,將在兼具成本效益下,進一步改善系統性能。

由 SCM 及 DRAM 架構出的統一尋址空間,等同於擴大伺服器的緩存規模。尤其是在 SCM 結合 SSD 標準 NVM Express(NVMe)後,能更進一步降低延遲。所以除了硬體進展之外,NVMe 的發展也備受矚目。在 2017 年英特爾所推出的 NVMe SCM 產品獲得相當大的成功。基於與晶片組及處理器直接點對點傳輸的 PCIe 介面的 NVMe,可說是現今要發揮 SCM 概念的必然設計。

NVMe 形成生態

且 NVMe 早已不僅僅是單純的邏輯裝置介面標準,更逐漸擴展成一套生態系統,細分出了 NVMe-MI(NVMe Management Interface )以及 NVMe-oF(NVMe over Fabrics)等協定。

▲ NVMe 生態架構。(Source:NVM Express 官網

其中 NVMe 作為主要標準,規範了 Host 對儲存裝置的讀寫、存取以及資源管理等功能,而 NVMe-MI 則能透過 SMBus/I2C 及 MCTP 等進行帶外管理。NVMe-oF 則是一種基於 NVMe 的網路協定,支援如 FC(Fibre Channel)、RoCE(RDMA over Converged Ethernet)、iWARP(Internet Wide-area RDMA Protocol)與 InfiniBand 等網路環境,展現出應用在更廣泛系統的潛力。

使用 NVMe-oF 架構,將能替分散式系統帶來更低延遲,擴大記憶體內處理,且 NVMe 不僅僅是邏輯上的協議接口,更是一種可擴充指令標準。這些技術特點受到機器學習(Machine Learning)工程師的青睞,以之建構出更高性能、更深入的神經網路。在機器學習的過程中,計算處理和儲存之間需要反覆的交換大量數據,且對延遲的要求也非常高。

甚至可以說,機器學習應用是現在 NVMe SCM 最能展現成本效益的方式。對 AI 加速器的需求,帶動了對新興記憶體的研究。尤其在現今 GPU 計算力發展遙遙領先之下,其他零組件的協調性成為新興科技發展的短板。還有高速、低延遲等特性,也相當完美的符合諸如 5G 通訊等技術需求,NVMe SCM  因此成為催生新興科技的關鍵。

新興科技共識

所以將 NVMe SCM 納入系統可以說已成為趨勢,令許多廠商趨之若鶩。Dell EMC、IBM、Hitachi、HPE、Fujitsu 與華為等大廠近年來也都紛紛推出了相關的高階企業儲存解決方案。伺服器市場已被快速改變,由擴展規模轉為追求低延遲,全快閃的產品出貨已壓過混合陣列。各家廠商甚至也藉此推出了基於 AI 的雲端化管理系統,透過 NVMe SCM 來有效減輕維運負擔。

總而言之,未來儲存不僅是存放數據的地方,IT 工程師將視 NVMe SCM 為記憶體的延伸,以去除不必要的程序,提升系統效率。在促進了業界對於傳輸規範共識的同時,對現今的資訊系統架構帶來變革。當此技術越趨於成熟,就能更快的催化出新興科技。雖然還有一段相當長的路要走,但或可如此譬喻,NVMe SCM 將會是記憶體的終局之戰。

(首圖來源:英特爾

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