什么是SCM介質(zhì)?

SCM(Storage Class Memory)是當(dāng)前業(yè)界非常熱門的新介質(zhì)形態(tài)，同時具備持久化(Storage Class)和快速字節(jié)級訪問(Memory)的特點。當(dāng)前也有叫SCM為PM(PersistentMemory)介質(zhì)或者NVM(Non-VolatileMemory)介質(zhì)。SCM介質(zhì)的訪問時延普遍小于1μs，比當(dāng)前常用的NAND FLASH快2-3個數(shù)量級，讀寫時也沒有NAND Flash順序?qū)懭牒蛯懬安脸募s束，操作過程更簡單;同時，SCM介質(zhì)的在壽命和數(shù)據(jù)保持能力方面的表現(xiàn)也遠(yuǎn)超NAND Flash?；谶@些特點，業(yè)界普遍認(rèn)為SCM會成為顛覆存儲系統(tǒng)設(shè)計的新一代介質(zhì)，并優(yōu)先應(yīng)用于性能和可靠性要求較高的場景。

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SCM介質(zhì)現(xiàn)狀

目前在研的SCM介質(zhì)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(tài)和非晶態(tài)下的導(dǎo)電性差異來表示0或者1的狀態(tài)。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)大容量和低成本，缺點是對于高溫比較敏感。PCM可用于Cache加速場景和大內(nèi)存應(yīng)用場景，由于其壽命和內(nèi)存仍有一定差距，因此需要在系統(tǒng)設(shè)計上針對PCM進(jìn)行優(yōu)化以避免“寫穿”。一個典型的設(shè)計優(yōu)化是搭配DRAM，形成分級的大容量內(nèi)存資源池，同時滿足高性能和高可靠要求。業(yè)界SCM的典型代表為Intel和Micron聯(lián)合研發(fā)的3DXpoint。從當(dāng)前的技術(shù)和市場發(fā)展趨勢看，3DXpoint是未來3年內(nèi)最具規(guī)模商用能力的SCM介質(zhì)。

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(nèi)部導(dǎo)電絲的形成和熔斷對外呈現(xiàn)不同的阻抗值。其優(yōu)點是不同阻抗值可以表示不同狀態(tài)，理論容量密度和成本可以最優(yōu);缺點是讀寫壽命和性能都較低，主要應(yīng)用于高速的數(shù)據(jù)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(tài)，理論性能和壽命都很高，適用于貼近CPU側(cè)的高速緩存(如L2 Cache，LLCache)，當(dāng)前理論研究比較成熟，但是工藝成熟度低，實際產(chǎn)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，采用碳納米管作為開關(guān)，控制電路通斷表示不同的數(shù)據(jù)狀態(tài)。由于碳納米管尺寸非常小并且具備極強的韌性，因此NRAM理論制程可以達(dá)到5nm以下，密度和壽命及其優(yōu)秀，理論功耗也比較低，可用于替代SRAM(Static random-access memory or StaticRAM)的應(yīng)用場景。當(dāng)前由Nantero授權(quán)其他存儲芯片廠商加工，成熟度比較低，距離規(guī)模商用仍需很長的發(fā)展歷程。

SCM介質(zhì)主要類型和技術(shù)特點

站在存儲系統(tǒng)的角度，考慮到存儲系統(tǒng)對容量密度以及成本有較高的訴求，同時結(jié)合其成熟度，華為會重點關(guān)注3DXpoint，并進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)預(yù)研及產(chǎn)品布局，同時緊密關(guān)注ReRAM及其他SCM的發(fā)展趨勢。

SCM介質(zhì)產(chǎn)品形態(tài)和在存儲系統(tǒng)中的應(yīng)用

高性能SSD

SCM第一階段的應(yīng)用形態(tài)，是基于NVMe Block接口，兼容原有生態(tài)的SCM SSD，如Intel推出的OptaneP4800X系列。這種形態(tài)對現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)改變不大，同時提供了相對Flash SSD更高的性能。另外，由于SCM SSD無需垃圾回收操作，避免了NAND SSD長期使用后的性能衰減問題，提供了更穩(wěn)定的時延。業(yè)界基于此形態(tài)的存儲產(chǎn)品正在逐步出現(xiàn)，華為也在有計劃的進(jìn)行相應(yīng)產(chǎn)品研發(fā)。

這種形態(tài)在存儲系統(tǒng)中的主要應(yīng)用方式包括：

元數(shù)據(jù)緩存：作為AFA產(chǎn)品的元數(shù)據(jù)緩存，配合DRAM，形成內(nèi)存+SCM SSD的兩級緩存機制，突破內(nèi)存容量瓶頸，在保持性能穩(wěn)定的情況下支持更大的用戶容量;

數(shù)據(jù)緩存：作為用戶數(shù)據(jù)的加速層，提升典型應(yīng)用場景下的性能體驗;

主存場景：作為用戶數(shù)據(jù)的存儲層，提供高性能存儲系統(tǒng)以滿足某些場景的性能要求。

字節(jié)型DIMM形態(tài)

SCM第二階段的應(yīng)用形態(tài)，是基于內(nèi)存訪問語義(Load/Store)，以DIMM的形態(tài)接入系統(tǒng)的可持久化內(nèi)存。這種形態(tài)可以提供與內(nèi)存接近的訪問時延(100ns級)，并提供相對內(nèi)存更大的容量和數(shù)據(jù)持久化能力，是未來超高性能存儲系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)技術(shù)。

要利用好這種形態(tài)，需要對現(xiàn)有計算機系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)進(jìn)行較大變化，業(yè)界在基于持久化內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，事務(wù)技術(shù)，硬件架構(gòu)，編程工具等各方面均在進(jìn)行相應(yīng)的探索。如在網(wǎng)絡(luò)方面，現(xiàn)有的跨CPU間內(nèi)存訪問受限于網(wǎng)絡(luò)時延，無法充分發(fā)揮SCM介質(zhì)持久化的特點(即使最快的網(wǎng)絡(luò)訪問也需要3μs以上，遠(yuǎn)超介質(zhì)本身的時延)。因此，華為與其他IT巨頭共同提出了Gen-Z標(biāo)準(zhǔn)，使得SCM可以獨立以Gen-Z接口接入Gen-Z總線，各CPU可以以納秒級的時延訪問共享SCM介質(zhì)，才能更好的發(fā)揮SCM的性能：

現(xiàn)有跨CPU內(nèi)存訪問網(wǎng)絡(luò)

Gen-Z新一代內(nèi)存訪問網(wǎng)絡(luò)

DIMM形態(tài)存儲需要的各項技術(shù)仍在探索中，華為也有相應(yīng)的前沿性研究項目在進(jìn)行中，在這項技術(shù)成熟后，會第一時間應(yīng)用于華為存儲系統(tǒng)中。

小結(jié)

SCM介質(zhì)以其獨特的設(shè)計原理，極大的彌補了IO設(shè)備與內(nèi)存設(shè)備之間的時延鴻溝，同時使內(nèi)存具備了持久化功能，必將對現(xiàn)有計算機體系結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用方式產(chǎn)生很大影響，在未來很長一段時間會持續(xù)成為計算機體系創(chuàng)新的熱點，華為也會持續(xù)關(guān)注SCM的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，利用這種新的技術(shù)，為客戶提供創(chuàng)新性的存儲產(chǎn)品。