（文章來源：Ai芯天下）

在過去的幾年中，許多存儲技術(shù)和市場都處于醞釀狀態(tài)，最近企業(yè)級存儲系統(tǒng)開始使用SCM存儲級內(nèi)存技術(shù)的消息越來越多，與以往不同的是，SCM不只是用作讀寫緩存，而且還用在持久存儲層。那么這項技術(shù)將對存儲行業(yè)產(chǎn)生多大的影響呢？SCM介質(zhì)本身比NAND SSD快，比DRAM內(nèi)存要慢，因為還支持字節(jié)尋址，所以寫入的時候不用先擦除整個塊，大大減少寫放大，而且延遲會低很多，壽命很長，相比NAND有許多先天優(yōu)勢。

簡單來講，SCM 就是DRAM 與SSD 的中介，一種高速讀寫的非揮發(fā)性記憶體技術(shù)，用來改善系統(tǒng)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(tǒng)硬盤的新型儲存技術(shù)。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(tǒng)硬盤的境況下，SCM 還沒有足夠的性價比做為底層儲存裝置。

在現(xiàn)有AFA存儲系統(tǒng)中，為追求NVMe SSD的極致性能，軟件棧本身帶來的時延已經(jīng)無法忽略 。相比SSD，SCM介質(zhì)的訪問時延有幾個數(shù)量級的差異（從數(shù)百微秒級到數(shù)百納秒級），軟件棧時延的問題將更為凸顯。如傳統(tǒng)的從應(yīng)用到內(nèi)核的軟件棧對功能的分解層級清晰，對于慢速的存儲介質(zhì)是合適的，但對于SCM這樣的超高速介質(zhì)則成為了速度的瓶頸。

基于同樣的原因，網(wǎng)絡(luò)時延在SCM系統(tǒng)中的占比也成為了影響系統(tǒng)時延的主要矛盾。如何構(gòu)建高速、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，成為了能否在系統(tǒng)中充分利用SCM介質(zhì)性能的關(guān)鍵因素。存儲級存儲器SCM能夠如同NAND閃存一樣保留其內(nèi)容的能力，也能有像DRAM一樣的的速度，這使得它最終將取代閃存作為首選的高速存儲介質(zhì)。

由于閃存的固有設(shè)計，SCM在這塊要好很多。性能問題和閃存延遲的最大原因之一是使用垃圾收集以滿足新寫入。將數(shù)據(jù)寫入閃存驅(qū)動器時，無法覆蓋舊信息。它必須在其他地方寫入一個新數(shù)據(jù)塊，并在磁盤I / O暫停時刪除舊文件。基于NVMe/PCIe的字節(jié)尋址的非易失性存儲打開了存儲架構(gòu)創(chuàng)新的新篇章。SCM通常被用作擴展的Cache或者最高性能Tier的持久化存儲。

所以大多數(shù)情況下，SCM的定位是補充NAND的空缺，而不是取代NAND。HPE宣布將采用英特爾的Optane作為DRAM cache的擴展，從HPE 3Par 3D Cache的測試數(shù)據(jù)中可見，時延降低了50%，而IO提升了80%。

SCM技術(shù)的目標及潛力都在于能弭平DRAM 與SSD 讀寫速度的鴻溝。理論上，現(xiàn)代資訊系統(tǒng)由于內(nèi)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(shè)有暫存器及快取等，而引入SCM 做為記憶體緩沖或SSD 快取，也都是為了解決這樣的問題。

大體上SCM有兩種用法：一種是用作緩存，一種是用作持久存儲。①HPE把SCM用作緩存，從實現(xiàn)來看，這種方式的讀寫緩存實現(xiàn)起來相對比較簡單。據(jù)說3PAR和Nimble的延遲能保持在300μs微秒以下，絕大部分的IO延遲能維持在200μs以下。HPE在3PAR里用了Optane當做緩存用，結(jié)果延遲比之前降低了兩倍，還說比DELL EMC的用了NVMe SSD的PoweMAX還要快50%。②大部分的SCM現(xiàn)在都是用作緩存，跟HPE不一樣，DELL EMC的PowerMAX是把SCM用作了存儲層。PoweMAX用一個低延遲的NVMe - oF連接到服務(wù)器，因為有了SCM，所以數(shù)據(jù)訪問會快一點 。

在PowerMAX的實現(xiàn)中，每個端口都會被充分利用，每個端口有自己單獨的隊列，能處理更多IO，PowerMAX能分別為讀、寫和小的塊請求、大的塊請求，各種負載提供獨立的隊列。而且不同的端口可配置不同的控制器，RAID會更高效，比如當硬盤故障需要重構(gòu)時，兩個控制器可以同時參與。以往，單控制器重構(gòu)一塊7200轉(zhuǎn)的硬盤大概需要7-8個小時，而雙控制器操作時，只需2.5個小時，時間縮短了三倍。

從長遠來看，NVMe和SCM都是邁向新數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的關(guān)鍵步伐，我們建議企業(yè)技術(shù)人員在2020年前，做一些NVMe和NVMe-oF方面的技術(shù)更新。在2020年之后，企業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該圍繞可組合的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)規(guī)劃技術(shù)更新路線。當前存儲技術(shù)和市場都處于醞釀狀態(tài)，SCM有時也被稱為“持久內(nèi)存”，為了充分利用SCM，業(yè)界必須在新的接口上達成一致，如料想不錯，2018年持久內(nèi)存SCM將迎來大爆發(fā)，Optane和3D XPoint開始發(fā)揮作用，頂級存儲OEM將保持穩(wěn)定。

持久內(nèi)存SCM大爆發(fā)，雖然應(yīng)用程序可以像處理現(xiàn)有系統(tǒng)內(nèi)存一樣對待SCM，但是使用持久內(nèi)存也會帶來額外好處，即能有效地將SSD驅(qū)動存儲功能與內(nèi)存總線DRAM語義融合起來。為了充分利用SCM，業(yè)界必須在新的接口上達成一致，并重新架構(gòu)應(yīng)用程序以利用它們。存儲網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會（SNIA）是存儲行業(yè)的標準機構(gòu)。多年來，SNIA始終在圍繞著持久內(nèi)存制定驅(qū)動標準，并且這些標準已經(jīng)開始成熟。

英特爾公司已經(jīng)將這些新興標準引入到一個用于處理持久性存儲類內(nèi)存的參考實踐中。甲骨文公司也支持存儲類內(nèi)存規(guī)格。英特爾今年將會正式推出DIMM插槽的3D XPoint產(chǎn)品，官方稱之為持久內(nèi)存（Persistent memory，PM）。英特爾稱，3D XPoint將可以幫助數(shù)據(jù)中心運營者、開發(fā)者跨越容量及性能上的歷史性障礙，它將改變應(yīng)用及系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)則，扭轉(zhuǎn)50多年來內(nèi)存小、貴而且不穩(wěn)定的傳統(tǒng)思路。

微軟和Linux社區(qū)都采用了英特爾的PEM庫，并將其集成到SCM產(chǎn)品中。微軟在2017年底開始在Windows Server上支持SCM，并在近期通過更復雜的支持來測試下一版本W(wǎng)indows Server。此外，微軟現(xiàn)在也支持SQL Server 2016 SP1技術(shù)，以增強性能。SCM每字節(jié)成本比閃存貴四倍左右。目前只有兩家供應(yīng)商生產(chǎn)SCM：英特爾和三星。

由于閃存的固有設(shè)計，存儲級內(nèi)存的延遲要低得多。閃存存在性能問題和延遲的最主要原因之一是，為了滿足新寫入而使用的垃圾收集。數(shù)據(jù)寫入到閃存驅(qū)動器時，它無法覆蓋舊信息。它必須將一個新的數(shù)據(jù)塊寫入到別處，以后等磁盤I/O處于呆滯時刪除舊文件。

從SATA SSD，SAS SSD到PCIe SSD，NVMe SSD，主要經(jīng)歷了標準泛濫和統(tǒng)一兩次技術(shù)變革，PCIe SSD是閃存創(chuàng)新的春秋戰(zhàn)國時代，在語言和通信上各自有一套標準，NVMe SSD則是統(tǒng)一文字標準的秦國盛世。然而要發(fā)揮SCM的優(yōu)勢，對現(xiàn)有計算機系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)提出了更大的挑戰(zhàn)，每次產(chǎn)品的變革都凝聚了技術(shù)的變革。這些變革包括持久化內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，事務(wù)技術(shù)，硬件架構(gòu)，編程工具和軟件堆棧等各方面。
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