什么是非易失性內(nèi)存（NVM）

我們?cè)趯W(xué)校學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)時(shí)，教材上會(huì)寫著一個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)：硬盤上的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)后還可以保存，而內(nèi)存里的數(shù)據(jù)在斷電后就丟失了—這就是易失的含義。近幾年，出現(xiàn)了一種新型的內(nèi)存技術(shù)—非易失性內(nèi)存。

非易失性內(nèi)存（non-volatilememory，簡(jiǎn)稱NVM）結(jié)合了傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)內(nèi)存（DRAM）和閃存存儲(chǔ)（NAND）的特性。由于這項(xiàng)技術(shù)還在起步期，所以命名上有些混亂：如非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器（non-volatile RAM，簡(jiǎn)稱NVRAM），持久性內(nèi)存（persistentmemory，簡(jiǎn)稱PMEM）或存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存（storage class memory，簡(jiǎn)稱SCM）。

但無(wú)論非易失性內(nèi)存被叫做什么，都是指的與DRAM相反，在掉電后不丟失數(shù)據(jù)，讀寫性能相近，價(jià)格略低的新型存儲(chǔ)技術(shù)。這種技術(shù)有兩種不同的使用方式，一種方式是連接PCI-E或SATA作為外存使用，也就是固態(tài)磁盤，此時(shí)的NVM相當(dāng)于更快的閃存盤。另一種方式是，與傳統(tǒng)DRAM混合，或完全替代DRAM插在內(nèi)存槽位，作為計(jì)算機(jī)的內(nèi)存使用。

非易失性內(nèi)存有STT-RAM、PCM、RRAM等基于不同原理的技術(shù)方向。這些方案在訪問(wèn)延遲、密度等關(guān)鍵性能指標(biāo)上各有優(yōu)劣，其中3D XPoint內(nèi)存技術(shù)是目前比較成熟的方案，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的商業(yè)化。

3D XPoint? Optane（傲騰）是由英特爾和美光開(kāi)發(fā)的一種非易失性內(nèi)存。由于具備以下四點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，3DXpoint被看做是存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)顛覆者：

• 比NAND閃存快1000倍；
• 成本只有DRAM內(nèi)存的一半；
• 使用壽命是NAND的1000倍；
• 密度是傳統(tǒng)存儲(chǔ)的10倍；

英特爾認(rèn)為，這樣的性能可以讓用戶根據(jù)不同的需求來(lái)選擇新的存儲(chǔ)系統(tǒng)組合，如可以組成DRAM / 3DXPoint / NAND的三級(jí)存儲(chǔ)方案，或者是3DXPoint代替DRAM和NAND，亦或是DRAM / 3D XPoint的兩級(jí)方案，甚至也可以是3DXPoint / NAND方案。

SAP HANA如何使用NVM

2017年在奧蘭多舉行的SAP Sapphire NOW大會(huì)上，英特爾首次現(xiàn)場(chǎng)展示了其 DIMM 外形的NVM解決方案，并和SAP聯(lián)合宣布將創(chuàng)新的3D XPoint內(nèi)存技術(shù)整合到SAP HANA中，使得SAP HANA成為業(yè)界首批使用這種新式內(nèi)存的企業(yè)級(jí)產(chǎn)品。

在去年發(fā)布的HANA2 SPS03版本中，HANA已經(jīng)在軟件層面提供了對(duì)NVM的支持。SAP HANA使用NVM內(nèi)存最重要的原因是，它可以像DRAM一樣進(jìn)行字節(jié)尋址，并且可以被CPU視為RAM，從而提供快速的讀寫性能。它的時(shí)延特點(diǎn)也非常接近DRAM。具體來(lái)看，NVM作為計(jì)算機(jī)內(nèi)存的一部分，專用于存放列存儲(chǔ)表的主數(shù)據(jù)段（Main data），通常這部分存儲(chǔ)占全表90-95％的數(shù)據(jù)。同時(shí)，表的DELTA數(shù)據(jù)段（Delta data）會(huì)繼續(xù)存儲(chǔ)在DRAM內(nèi)存中（用于盡可能快的讀寫相對(duì)少量的數(shù)據(jù)）。而對(duì)于行存儲(chǔ)表和用于計(jì)算的內(nèi)存，仍然會(huì)使用傳統(tǒng)的DRAM內(nèi)存。同時(shí)，在HANA架構(gòu)中依然有數(shù)據(jù)持久層，數(shù)據(jù)仍會(huì)被寫入磁盤（可能是SSD或傳統(tǒng)磁盤）上。

使用NVM的HANA架構(gòu)

NVM特性既可以對(duì)整個(gè)HANA數(shù)據(jù)庫(kù)生效，也可以選擇性的對(duì)一些數(shù)據(jù)對(duì)象啟用，例如可以指定某些表、表分區(qū)，或表的特定列啟用持久內(nèi)存，以便滿足特定的數(shù)據(jù)規(guī)劃需求。

對(duì)于一些寫操作密集的場(chǎng)景，如高并發(fā)、大壓力的OLTP應(yīng)用，之前可能會(huì)被認(rèn)為并不適合HANA。但在現(xiàn)在我們可以嘗試配置NVM固態(tài)硬盤以提升日志卷的IOPS性能，以避免出現(xiàn)日志卷的寫入性能瓶頸。

什么時(shí)候可以在HANA上使用NVM

由于HANA一體機(jī)的特點(diǎn)，使用最新的NVM內(nèi)存需要的是整個(gè)軟硬件業(yè)界的共同努力。目前SAP HANA數(shù)據(jù)庫(kù)（HANA2 SPS03）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)NVM的支持，SUSE LinuxEnterprise Server（SLES）的新版本（SLES 12 SP4， SLES 15）也已經(jīng)在操作系統(tǒng)層面提供了對(duì)NVM的支持。

但是，目前英特爾至強(qiáng)處理器只支持將3D XPoint作為磁盤方式使用。而支持3DXPoint內(nèi)存方式，也就是3D XPoint DIMM的新至強(qiáng)處理器（CascadeLake）的服務(wù)器將會(huì)在不久之后大量上市。所以我們暫時(shí)還沒(méi)有在HANA服務(wù)器中見(jiàn)到使用新一代的內(nèi)存技術(shù)的產(chǎn)品。好消息是，SAP、英特爾及各家HANA的硬件合作伙伴已經(jīng)開(kāi)始測(cè)試使用這一最新內(nèi)存技術(shù)的產(chǎn)品，NVMDIMM在HANA服務(wù)器上的出現(xiàn)并不遙遠(yuǎn)。

NVM為HANA帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)

隨著人工智能、5G、自動(dòng)駕駛和虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展，企業(yè)生成的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，在HANA中需要承載的數(shù)據(jù)規(guī)模也越來(lái)越大。在系統(tǒng)重啟后，保存在NVM內(nèi)存中的主數(shù)據(jù)段仍在內(nèi)存中，無(wú)需重新從磁盤加載，這極大加快了HANA的啟動(dòng)時(shí)間，并且降低計(jì)劃內(nèi)與計(jì)劃外系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。對(duì)于已經(jīng)擁有大數(shù)據(jù)量的HANA用戶來(lái)說(shuō)，原先重啟之后需要等待的漫長(zhǎng)數(shù)據(jù)加載時(shí)間，現(xiàn)在可以極大的縮短了。

由于技術(shù)的不同，單條NVM內(nèi)存的容量會(huì)比傳統(tǒng)DRAM大很多。因此，對(duì)于有海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求的用戶，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中的可能性也相應(yīng)變大，也就會(huì)有更多的用戶能享受到HANA內(nèi)存計(jì)算技術(shù)帶來(lái)的性能提升。并且，同樣大小的NVM成本比DRAM有顯著的降低，還能夠節(jié)省用戶硬件投資的TCO。

隨著非易失性內(nèi)存相關(guān)的軟硬件技術(shù)的快速演進(jìn)和成熟，在今后的計(jì)算機(jī)架構(gòu)中，磁盤的作用和價(jià)值會(huì)越來(lái)越小，甚至被完全取代。完全基于內(nèi)存尋址設(shè)計(jì)、優(yōu)化的HANA會(huì)逐步顯示出更強(qiáng)大的活力，發(fā)揮全內(nèi)存計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，成為一種全場(chǎng)景的通用數(shù)據(jù)平臺(tái)。

作者：毛銘琪 SAP資深售前架構(gòu)師