SCM技术对存储产业有多大的影响力

（文章来源：Ai芯天下）

在过去的几年中，许多存储技术和市场都处于酝酿状态，最近企业级存储系统开始使用SCM存储级内存技术的消息越来越多，与以往不同的是，SCM不只是用作读写缓存，而且还用在持久存储层。那么这项技术将对存储行业产生多大的影响呢？SCM介质本身比NAND SSD快，比DRAM内存要慢，因为还支持字节寻址，所以写入的时候不用先擦除整个块，大大减少写放大，而且延迟会低很多，寿命很长，相比NAND有许多先天优势。

简单来讲，SCM 就是DRAM 与SSD 的中介，一种高速读写的非挥发性记忆体技术，用来改善系统整体I/O 效能。在理想中，它是一种速度能与DRAM 媲美，但成本逼近传统硬盘的新型储存技术。当然目前大概只有读取速度能与DRAM 比肩，写入速度仍有差距，且在SSD 的单位成本已逼近传统硬盘的境况下，SCM 还没有足够的性价比做为底层储存装置。

在现有AFA存储系统中，为追求NVMe SSD的极致性能，软件栈本身带来的时延已经无法忽略 。相比SSD，SCM介质的访问时延有几个数量级的差异（从数百微秒级到数百纳秒级），软件栈时延的问题将更为凸显。如传统的从应用到内核的软件栈对功能的分解层级清晰，对于慢速的存储介质是合适的，但对于SCM这样的超高速介质则成为了速度的瓶颈。

基于同样的原因，网络时延在SCM系统中的占比也成为了影响系统时延的主要矛盾。如何构建高速、稳定的网络，成为了能否在系统中充分利用SCM介质性能的关键因素。存储级存储器SCM能够如同NAND闪存一样保留其内容的能力，也能有像DRAM一样的的速度，这使得它最终将取代闪存作为首选的高速存储介质。

由于闪存的固有设计，SCM在这块要好很多。性能问题和闪存延迟的最大原因之一是使用垃圾收集以满足新写入。将数据写入闪存驱动器时，无法覆盖旧信息。它必须在其他地方写入一个新数据块，并在磁盘I / O暂停时删除旧文件。基于NVMe/PCIe的字节寻址的非易失性存储打开了存储架构创新的新篇章。SCM通常被用作扩展的Cache或者最高性能Tier的持久化存储。

所以大多数情况下，SCM的定位是补充NAND的空缺，而不是取代NAND。HPE宣布将采用英特尔的Optane作为DRAM cache的扩展，从HPE 3Par 3D Cache的测试数据中可见，时延降低了50%，而IO提升了80%。

SCM技术的目标及潜力都在于能弭平DRAM 与SSD 读写速度的鸿沟。理论上，现代资讯系统由于内装置性能的落差徒增不少功耗，资料往返所耗费的时间，成为整体性能的短板，所以在处理器与记忆体之间设有暂存器及快取等，而引入SCM 做为记忆体缓冲或SSD 快取，也都是为了解决这样的问题。

大体上SCM有两种用法：一种是用作缓存，一种是用作持久存储。①HPE把SCM用作缓存，从实现来看，这种方式的读写缓存实现起来相对比较简单。据说3PAR和Nimble的延迟能保持在300μs微秒以下，绝大部分的IO延迟能维持在200μs以下。HPE在3PAR里用了Optane当做缓存用，结果延迟比之前降低了两倍，还说比DELL EMC的用了NVMe SSD的PoweMAX还要快50%。②大部分的SCM现在都是用作缓存，跟HPE不一样，DELL EMC的PowerMAX是把SCM用作了存储层。PoweMAX用一个低延迟的NVMe - oF连接到服务器，因为有了SCM，所以数据访问会快一点 。

在PowerMAX的实现中，每个端口都会被充分利用，每个端口有自己单独的队列，能处理更多IO，PowerMAX能分别为读、写和小的块请求、大的块请求，各种负载提供独立的队列。而且不同的端口可配置不同的控制器，RAID会更高效，比如当硬盘故障需要重构时，两个控制器可以同时参与。以往，单控制器重构一块7200转的硬盘大概需要7-8个小时，而双控制器操作时，只需2.5个小时，时间缩短了三倍。

从长远来看，NVMe和SCM都是迈向新数据中心架构的关键步伐，我们建议企业技术人员在2020年前，做一些NVMe和NVMe-oF方面的技术更新。在2020年之后，企业技术人员应该围绕可组合的数据中心架构规划技术更新路线。当前存储技术和市场都处于酝酿状态，SCM有时也被称为“持久内存”，为了充分利用SCM，业界必须在新的接口上达成一致，如料想不错，2018年持久内存SCM将迎来大爆发，Optane和3D XPoint开始发挥作用，顶级存储OEM将保持稳定。

持久内存SCM大爆发，虽然应用程序可以像处理现有系统内存一样对待SCM，但是使用持久内存也会带来额外好处，即能有效地将SSD驱动存储功能与内存总线DRAM语义融合起来。为了充分利用SCM，业界必须在新的接口上达成一致，并重新架构应用程序以利用它们。存储网络行业协会（SNIA）是存储行业的标准机构。多年来，SNIA始终在围绕着持久内存制定驱动标准，并且这些标准已经开始成熟。

英特尔公司已经将这些新兴标准引入到一个用于处理持久性存储类内存的参考实践中。甲骨文公司也支持存储类内存规格。英特尔今年将会正式推出DIMM插槽的3D XPoint产品，官方称之为持久内存（Persistent memory，PM）。英特尔称，3D XPoint将可以帮助数据中心运营者、开发者跨越容量及性能上的历史性障碍，它将改变应用及系统的设计规则，扭转50多年来内存小、贵而且不稳定的传统思路。

微软和Linux社区都采用了英特尔的PEM库，并将其集成到SCM产品中。微软在2017年底开始在Windows Server上支持SCM，并在近期通过更复杂的支持来测试下一版本Windows Server。此外，微软现在也支持SQL Server 2016 SP1技术，以增强性能。SCM每字节成本比闪存贵四倍左右。目前只有两家供应商生产SCM：英特尔和三星。

由于闪存的固有设计，存储级内存的延迟要低得多。闪存存在性能问题和延迟的最主要原因之一是，为了满足新写入而使用的垃圾收集。数据写入到闪存驱动器时，它无法覆盖旧信息。它必须将一个新的数据块写入到别处，以后等磁盘I/O处于呆滞时删除旧文件。

从SATA SSD，SAS SSD到PCIe SSD，NVMe SSD，主要经历了标准泛滥和统一两次技术变革，PCIe SSD是闪存创新的春秋战国时代，在语言和通信上各自有一套标准，NVMe SSD则是统一文字标准的秦国盛世。然而要发挥SCM的优势，对现有计算机系统软硬件架构提出了更大的挑战，每次产品的变革都凝聚了技术的变革。这些变革包括持久化内存的数据结构，事务技术，硬件架构，编程工具和软件堆栈等各方面。
      （责任编辑：fqj）