閃存正通過多級跳板逐步走向DIMM未來
直到最近，數(shù)據(jù)訪問與存儲技術(shù)的主要發(fā)展動力一直取決于提升介質(zhì)本身速度的表現(xiàn)，因此整個存儲業(yè)界始終關(guān)注由磁盤到閃存乃至提升閃存存儲容量的技術(shù)等核心議題。
不過在此之上，企業(yè)也開始將注意力轉(zhuǎn)向消除存儲領(lǐng)域追求存儲數(shù)據(jù)IO提速的***障礙：操作系統(tǒng)代碼堆棧。消除這一限制意味著以內(nèi)存或者近內(nèi)存級別速度實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)訪問，從而給存儲數(shù)據(jù)IO帶來***性革命。
而目前的過渡表現(xiàn)為將數(shù)據(jù)由磁盤存儲至閃存——即SSD當(dāng)中。這一舉措的直接理由在于閃存能夠提供次毫秒級訪問延遲，這一水平遠(yuǎn)低于磁盤的20到100毫秒延遲。另外，閃存存儲驅(qū)動器所需物理空間更低，對電力的消耗更小且不像磁盤驅(qū)動器那樣需要夸張的冷卻系統(tǒng)加以配合。
隨著閃存存儲方案可靠性與使用壽命的提升，外加使用成本的不斷降低，同時配合足以顯著縮減存儲數(shù)據(jù)體積的重復(fù)數(shù)據(jù)刪除與壓縮技術(shù)，閃存已經(jīng)開始全面接掌一級數(shù)據(jù)存儲任務(wù)，并逐步滲透至二級數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域。
閃存是一類仍在不斷發(fā)展的存儲介質(zhì)。最初的平面或者說2D NAND采用單級單元設(shè)計(即每單元存儲1 bit)。此類單元首先設(shè)置寫入級電壓，并通過閾值電壓測試其電阻級別的方式實現(xiàn)讀取。如果電流以能夠通過，則代表當(dāng)前施加的閾值電壓已經(jīng)超出電阻水平并在單元內(nèi)記錄為二進(jìn)制中的1; 如果電流無法通過，則代表當(dāng)前單元為二進(jìn)制中的0。
為了能夠在同一NAND晶片內(nèi)提供更高存儲容量，各廠商著力于通過更為精密的光刻技術(shù)降低單元尺寸，從而將更多單元塞進(jìn)該晶片當(dāng)中。正因為如此，80納米級別單元開始讓位于70納米單元，隨后是60納米、50納米乃至如今的14納米，但這種升級的同時意味著單元內(nèi)所保留的、用于實現(xiàn)可靠信號讀取的電子越來越少。如此一來，單元尺寸縮小的作法已經(jīng)走進(jìn)了死胡同，開發(fā)商必須找到能夠其它能夠進(jìn)一步提升容量與降低制造成本的途徑。
由此衍生了兩大主要解決思路，即著眼于級與層。
多極設(shè)計 (bit)
我們實際上完全能夠?qū)﹄娮杓墑e范圍進(jìn)行細(xì)分在同一單元內(nèi)添加更多bit值(而非繼續(xù)像SLC單元中那樣只包含或全有、或全無這兩種狀態(tài))，而能夠容納4種狀態(tài)的2級單元產(chǎn)品亦由此誕生。其能夠?qū)?0 GB SSD產(chǎn)品的容量倍增至100 GB，且繼續(xù)使用同樣的制造工藝并將成本削減至原本的約一半。
這即為我們常說的MLC，即多級單元NAND。制造商還逐漸意識到，他們可以將電阻水平加以進(jìn)一步細(xì)分，即分為8種狀態(tài)以實現(xiàn)3級單元，這種名為TLC(即3級單元)的NAND在容量上較MLC高出50%。著眼于當(dāng)下，制造商們又在考量是否能夠?qū)崿F(xiàn)4級單元(QLC)技術(shù)，從而將容量進(jìn)一步提升25%。
以下為此類產(chǎn)多值單元的工作原理，亦包含SLC、MLC、TLC與QLC單元的可行二進(jìn)制值表達(dá)：
- SLC = 0或1——意味著兩種狀態(tài)與一種閾值電壓。
- MLC = 00、10、01或11——代表四種狀態(tài)與三種閾值電壓。
- TLC = 000、001、010、011、100、101、110、111——代表八種狀態(tài)與七種閾值電壓。
- QLC = 0000、0001、00100011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111——共十六種狀態(tài)與十五種閾值電壓。
我們無法在同一單元中添加更多bit，因為SSD控制技術(shù)無法處理由此帶來的精度保障與誤差消除運(yùn)算。另外，在同一單元中存儲更多bit亦會降低SSD速度水平并縮短其使用壽命，意味著SSD的性能將不斷縮水或者無法實現(xiàn)理想的生命周期。正因為如此，開發(fā)商想到了增加層數(shù)的設(shè)計方案。
多層設(shè)計
通過精心制造，我們確實有可能在晶片中添加更多單元層，即通過增加閃存晶片垂直高度的方式實現(xiàn)容量提升。因此24層方案應(yīng)運(yùn)而生，隨后是三星公司牽頭的48層設(shè)計，目前SanDisk/東芝緊隨其后而英特爾與美光亦在考慮是否應(yīng)當(dāng)放棄長久以來堅持的平面NAND設(shè)計思路。
我們能夠更輕松地在3D NAND當(dāng)中使用尺寸遠(yuǎn)大于現(xiàn)有2D NAND的存儲單元，這意味著每個單元可包含更多電子數(shù)，因而可實現(xiàn)更快執(zhí)行速度并在各個bit級狀態(tài)下提供更長使用壽命——包括SLC、MLC以及TLC。三星公司目前正在生產(chǎn)64層TLC 3D NAND(亦稱V-NAND)SSD產(chǎn)品，其存儲容量高達(dá)7 TB與15.3 TB，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有2.5英寸磁盤驅(qū)動器。平面TLC NAND的存儲容量則仍然被限制在2 TB或3 TB水平，這迫使各家制造商不得不紛紛投身3D NAND技術(shù)的開發(fā)當(dāng)中。
各廠商皆在著眼于64層堆疊設(shè)計，并希望能夠?qū)崿F(xiàn)96層甚至更高層數(shù)以持續(xù)增加閃存存儲產(chǎn)品的容量水平。不過新的問題亦由此產(chǎn)生。構(gòu)建這樣一塊多層芯片意味著制造商需要以極為精確的方式對不同存儲單元層進(jìn)行彼此堆疊，隨后在各層之間設(shè)置(蝕刻)通孔以作為不同層間數(shù)據(jù)傳輸所使用的連通線路。這些通孔必須極為精確地進(jìn)行垂直排布并擁有幾乎完全一致的直徑數(shù)字，同時分毫不差地與每一層相交以貫通整塊芯片并完成自身數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。這是制造技術(shù)領(lǐng)域的一項非凡成就。每層0.01度的誤差即會在96層堆疊架構(gòu)的頂端與底端造成0.48度的誤差角，這可能意味著其無法正常工作并導(dǎo)致芯片徹底報廢。
而要在此基礎(chǔ)之上再添加24層以及/或者進(jìn)一步縮減存儲單元尺寸，無疑會將誤差的可接受范圍降低至更小的區(qū)間之內(nèi)。
我們可能最終仍然會迎來96層設(shè)計方案。但我們是否仍能夠繼續(xù)降低存儲單元制程尺寸還是個存在爭議的問題。而在另一方面，必須承認(rèn)的是我們已經(jīng)走進(jìn)了技術(shù)層面的死胡同，這意味著我們必須在后NAND技術(shù)時代找到其它技術(shù)手段以克服上述致命障礙。
后NAND時代存儲介質(zhì)技術(shù)
目前最為突出的此類產(chǎn)方案為英特爾與美光公司合力打造的3D XPoint(CrossPoint)方案，其采用批量相變機(jī)制對硫系材料的電阻值水平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這項技術(shù)號稱擁有較NAND更高的存儲密度(即在更低占用空間下提升更高存儲容量)及更快執(zhí)行速度。然而其實際工作原理仍是個謎，且XPoint目前只以O(shè)ptane SSD形式發(fā)布了少量樣品，而速度更快的DIMM接口XPoint將于今年晚些時候發(fā)布以配合英特爾公司將于2018年進(jìn)行的CPU升級(Purley CPU及其Omni-Path互連機(jī)制)。
三星公司則給出了一款相對中庸的競爭性方案Z-SSD技術(shù)，其能夠以尚未公開的方式將NAND閃存的訪問速度提升至接近DRAM的水平。在此之后，還有西部數(shù)據(jù)(SanDisk)尚在開發(fā)的電阻RAM技術(shù)以及HPE的ReRAM技術(shù)——即憶阻器技術(shù)。再有，IBM公司的研究人員在考慮開發(fā)相變存儲器方案，亦有多家初創(chuàng)企業(yè)分別拿出了自己的自旋力矩RAM(STT-RAM)以及EverSpin等設(shè)計藍(lán)圖。
以上提到的各項技術(shù)皆能夠提供所謂存儲級內(nèi)存(簡稱SCM)方案，即可實現(xiàn)內(nèi)存級別速度的***性(非易失)存儲產(chǎn)品。在計算機(jī)當(dāng)中，內(nèi)存會得到直接訪問，具備字節(jié)可尋址能力且可對接各類加載與存儲指令。傳統(tǒng)存儲(非存儲級內(nèi)存)則通過IO代碼堆棧實現(xiàn)訪問，其面向存儲在非易失性介質(zhì)之上的塊訪問驅(qū)動器中的文件或數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀取與寫入，具體包括紙帶、磁鼓、機(jī)械磁盤、磁帶當(dāng)然亦包括后來的NAND閃存。
從CPU周期的角度來看，該IO堆棧的執(zhí)行需要消耗數(shù)千次CPU周期; 這是對CPU時間的巨大浪費(fèi)，會嚴(yán)重拖慢應(yīng)用程序的執(zhí)行速度，但考慮到存儲設(shè)備的速度與CPU的執(zhí)行速度間存在無數(shù)倍差異，這樣的浪費(fèi)又屬于“必要之惡”。因此，CPU會在完成某一IO的初始化工作之后，轉(zhuǎn)向正在運(yùn)行且發(fā)出IO請求的其它應(yīng)用中的其它線程。
如果存儲設(shè)備能夠以內(nèi)存或者近內(nèi)存級別速度運(yùn)行，且數(shù)據(jù)能夠直接面向該介質(zhì)進(jìn)行讀取以及寫入，那么我們將不再需要使用極耗時間的IO堆棧。
考慮到這一點(diǎn)，再加上非易失性存儲提供的訪問速度優(yōu)勢，原本的雙線程切換操作將最終轉(zhuǎn)化為線程合并這類解決方案。
對速度的渴求
與此同時，就在一部分廠商不斷追求提升SSD存儲容量的情況下，亦有一部分廠商專注于進(jìn)一步提高其訪問性能。當(dāng)SSD初次出現(xiàn)時，其設(shè)計采用與現(xiàn)有主機(jī)系統(tǒng)磁盤驅(qū)動器插槽相兼容的思路，意味著它能夠直接適配原本3.5英寸與2.5英寸磁盤驅(qū)動器所使用的SATA與SAS接口。在此之后，制造商意識到PCIe總線所具備的數(shù)據(jù)訪問速度與延遲優(yōu)勢意味著其能夠更為充分地發(fā)揮閃存存儲產(chǎn)品的特性，即實現(xiàn)更高IOPS表現(xiàn)。另外，PCIe卡在物理空間方面也往往更加充裕，意味著制造商能夠在其中塞進(jìn)更多閃存芯片以進(jìn)一步增加存儲容量。
不過各家制造商的PCIe閃存卡亦需要協(xié)同配套的驅(qū)動器才能在不同主機(jī)系統(tǒng)之上使用，如此折騰的結(jié)果就是反倒不如直接推出標(biāo)準(zhǔn)的SAS與SATA驅(qū)動器。因此整個業(yè)界很快意識到他們?nèi)匀恍枰蛟斐稣嬲龢?biāo)準(zhǔn)化的驅(qū)動器，而這就是如今炙手可熱的NVMe(即Non-Volatile Memory Express)規(guī)格。我們現(xiàn)在已經(jīng)能夠在市場上找到大量NVMe SSD產(chǎn)品，且仍有更多相關(guān)方案陸續(xù)涌現(xiàn)。
說到這里，大家對于整個業(yè)界的態(tài)勢應(yīng)該已經(jīng)有了比較清晰的認(rèn)識。NAND介質(zhì)、設(shè)備與互連領(lǐng)域始終處于不斷變化當(dāng)中，而各存儲方案供應(yīng)商則在不斷想辦法增加其設(shè)備的存儲容量與數(shù)據(jù)訪問性能，希望盡可能使其擁有更接近于原始NAND的訪問速度表現(xiàn)。正因為如此，SATA與SAS已經(jīng)由原本的每秒3 Gbit傳輸速率升級至后來的每秒6 Gbit，再到如今的每秒12 Gbit。在另一方面，雖然PCIe仍然擁有相當(dāng)顯著的速度優(yōu)勢，但其還是無法真正采用主機(jī)系統(tǒng)中的CPU-內(nèi)存總線這樣一條DRAM互連速度標(biāo)準(zhǔn)中的黃金通道。NetList與Diablo Technologies等廠商已經(jīng)率先開始嘗試將NAND直接接入內(nèi)存DIMM，這意味著其能夠直接接入內(nèi)存總線。
軟件阻礙著數(shù)據(jù)訪問速度的進(jìn)一步提升
盡管以上提到的這一切都能夠在理論層面帶來更快的NAND數(shù)據(jù)訪問速度，但服務(wù)器制造商的采用舉措?yún)s顯得相當(dāng)遲緩——這主要是因為他們明確意識到，這種速度提升亦要求操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件進(jìn)行有針對性的調(diào)整。
這里我們需要首先強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，存儲介質(zhì)憑借速度提升獲得的回報其實是存在衰減的，這主要是因為業(yè)務(wù)系統(tǒng)當(dāng)中還存在著其它一些嚴(yán)重影響訪問延遲但卻無法通過高速存儲介質(zhì)加以解決的因素。以下為相關(guān)示意圖：
很明顯，IO堆棧已經(jīng)開始成為提升數(shù)據(jù)訪問速度這一歷史性課題當(dāng)中最為突出的阻礙性因素，而如今的SCM恰好能夠解決此項難題。
回避IO堆棧
SCM所實現(xiàn)的內(nèi)存或者近內(nèi)存速度級別NVDIMM可將SCM驅(qū)動程序添加至主機(jī)操作系統(tǒng)當(dāng)中，并借此在一定程度上降低IO堆棧延遲影響。其能夠從操作系統(tǒng)處接收文件層級IO語義(文件讀取、文件寫入等)并將其翻譯為內(nèi)存層級(加載、存儲)語義，以供DIMM上的存儲介質(zhì)加以執(zhí)行。將DRAM DIMM與電池或電容支持型NAND(NVDIMM-N)充當(dāng)?shù)姆且资源鎯Y源相結(jié)合，我們能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)于NVMe SSD IO堆棧層級訪問性能約十倍的速度提升。這種方案被稱為面向NVDIMM的數(shù)據(jù)塊級訪問機(jī)制。
如果大家通過字節(jié)層級訪問使用NVDIMM，即使操作系統(tǒng)將其作為直接訪問分卷(簡稱DAX，為微軟公司提出的技術(shù)概念)，則經(jīng)過修改的應(yīng)用程序代碼能夠直接向NVDIMM發(fā)送內(nèi)存層級的加載-存儲命令，從而回避塊層級機(jī)制帶來的時間消耗。在這種情況下，NVDIMM的訪問速度能夠進(jìn)一步提升8倍，意味著其將較NVMe SSD實現(xiàn)80倍的速度增量。
以下比較數(shù)字來自微軟公司進(jìn)行的實際測試：
- 在一項簡單的4K數(shù)據(jù)塊隨機(jī)寫入測試中，利用單一線程指向 NVMe SSD所能實現(xiàn)的延遲水平為0.07毫秒(70微秒)，而傳輸帶寬約為56 MBps。
- 在使用塊模式NVDIMM-N進(jìn)行同一項測試時，我們發(fā)現(xiàn)其延遲水平為0.01毫秒(10微秒)，傳輸帶寬則為580 MBps，速度提升10倍。
- 在采用字節(jié)可尋址模式進(jìn)行同一項測試時，其速度結(jié)果進(jìn)一步提升8倍，延遲為820納秒而傳輸帶寬則超過8 GBps。
感興趣的朋友可以點(diǎn)擊此處查看微軟方面給出的背景介紹(英文原文)。
由此帶來的助益不僅僅是為每應(yīng)用每單位時間節(jié)約下數(shù)萬次CPU周期，更重要的是確保主機(jī)系統(tǒng)的CPU無需將額外30%、40%甚至50%以上時間浪費(fèi)在本不必要的IO處理身上，而能夠轉(zhuǎn)而處理更多實際工作。即使只進(jìn)行粗略計算，如果我們能夠在一臺服務(wù)器上節(jié)省下40%的CPU資源，則意味著能夠運(yùn)行額外40套虛擬機(jī)或者將服務(wù)器的使用成本降低***40%，同時讓現(xiàn)有虛擬機(jī)擁有更快的運(yùn)行速度。
總體而言，我們完全有機(jī)會借此消除一切拖慢現(xiàn)有任務(wù)執(zhí)行流程的操作系統(tǒng)代碼層沖突。
結(jié)論
- MLC與TLC 3D NAND SSD如今已經(jīng)成為存儲一級數(shù)據(jù)的規(guī)范性介質(zhì)。
- NVMe訪問協(xié)議正在逐漸取代SATA與SAS。
- 3D NAND SSD在堆疊層領(lǐng)域的強(qiáng)化將使得閃存具備更出色的性價比，進(jìn)而在二級數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域占得一席之地。
- DRAM/閃存NVDIMM將幫助我們回避IO代碼堆棧以獲得近內(nèi)存級別字節(jié)可尋址存儲訪問速度。
- 3D XPoint以及/或者其它存儲介質(zhì)將使得NVDIMM獲得更為可觀的性能優(yōu)勢，從而成為DRAM的可行性替代方案。
- 非易失性SCM DIMM配合直接訪問分卷將顯著提升服務(wù)器(以及最終客戶端)的存儲數(shù)據(jù)訪問速度。
這一切都將會通過向NAND芯片中添加更多層與級、通過DIMM掛載存儲介質(zhì)并最終回避IO代碼堆棧的方式來進(jìn)行。這代表著存儲行業(yè)乃至整個IT技術(shù)領(lǐng)域都將迎來更加美好的未來，且這一前景再過幾年即將真正出現(xiàn)在我們身邊?，F(xiàn)在就讓我們期待閃存技術(shù)的下一波革命性成果吧!
