超级内存NVDIMM

1.序言

基于非易失性内存（NVDIMM）的新一代内存条规格已经研制成功，其中集成了DRAM和非易失性存储芯片，能够在完全断电的时候完整保存内存数据，并支持主内存在持久高速高性能计算上的应用。区别于普通内存，以云动为代表的业界厂商将此代革命性的内存产品称为超级内存。

2.超级内存发展背景

图1.存储器性能差异^[1]

由图1可以看出，主存储器和HDD硬盘存储器之间存在很大的性能差异，SSDs存储技术虽然缩小了差异，但是差异依然存在，而数据密集型的应用需要快速的访问存储设备。

来自Viking的Adrian Proctor表示，SSD的速度比HDD硬盘快，但却比DDR记忆体慢很多，此外DDR记忆体没有Flash记忆体的写入次数限制，耐久性是Flash记忆体的缺点所在。虽然业界已经大量投资研发新一代记忆体技术，但需要至少十年以上的时间，新记忆体技术才能获得广泛采用并建立起相应的产业生态系统。因此只有通过NVDIMM超级内存技术，整合DRAM、Flash等主流记忆体，才能解决对持久性、符合成本效益的非易失性内存解决方案不断增长的需求。

3. 典型应用之WSP

全系统保护（whole system preservation），简称WSP。常规DDR3内存在异常掉电或者系统崩溃时会丢失数据，而某些资料库环境是无法承受停机时间（downtime）的，如线上交易(online transaction)处理与金融服务；这些应用可受益于超级内存所提供的快速资料重建时间。

图2.超级内存系统架构             图3.超级内存块状图

图2为超级内存的系统架构，通过整合DRAM、Flash、智能系统控制器以及ultracapacitor电源模块，超级内存可以提供一个高度稳定的存储子系统。它既保留 了最快DRAM的低延迟和无读写次数限制特性，又获得了Flash的数据长期保存特性。而采取超级电容作为供电设备，则避免了电池的环境污染，充电时间长，价格昂贵等缺点。超级内存的设计使其可以轻松插入符合行业标准的服务器和存储平台的DIMM插槽，则无需在主板中为其留取安放位置，可以轻松扩展现有装置的性能。

图3为超级内存的块状图，由图可以看出超级内存工作分为常规操作、保存操作以及恢复操作等三个过程。系统上电后，HOST获取上次是否异常掉电信息。如果上次为正常关机，则HOST正常启动；否则HOST进入数据恢复状态，并通知NVDIMM中控制模块进行数据恢复，控制模块先切换MUX，将DRAM的使用权从HOST切换给NVDIMM，然后将保存的数据从非易失性存储中恢复到DRAM中。当恢复完成后，控制模块切换MUX将DRAM的使用权切还给PC，然后唤醒PC，PC被唤醒后直接进入上次掉电时的工作状态。当系统出现异常掉电时，超级电容（Super Cap）会代替正常工作电源，给整个电路进行供电（在下次系统上电时超级电容会通过接口电路自动充电）。NVDIMM控制模块首先发送中断给PC，通知PC进行掉电现场保护， PC将工作状态等信息保存到DRAM后，发送命令通知NVDIMM的控制模块，控制模块收到后切换MUX，将DRAM的使用权从HOST切换给NVDIMM，然后将DRAM中的数据写到非易失性存储中。在常规操作中，NVDIMM被主机系统视为标准的JEDEC DRAM内存模块。而从灾难性的断电事件中恢复原状几乎在瞬间即可完成，因为执行恢复操作只需几秒并且超级电容充电时间只需几分钟^[2]。

在云技术发展日新月异的今天，虚拟化技术作为云的核心技术，得到了广泛的关注与创新。与此同时，作为云服务运行的底层载体，虚拟机的数据安全与完整是目前急需解决的重要课题。虚拟机实质为软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统，也就意味着虚拟机的所有运行状态都在内存中。NVDIMM可以利用虚拟机本身的快照功能，在系统异常情况下，迅速保护存储在内存中的临时快照，达到保护整个虚拟机的目的^[3]。

4.其他应用及产品展示

Best SSD         vs.       NVDIMM
写IOPS	300,000	1,400,000(4.5倍)
延迟	10ms	10ns(1000倍)
5年写数据量(TB)	29,000	2,800,000
Cost/PB写	$100	$0.4c(250倍)

表1.超级内存的优势

由表1可以看出，超级内存除了数据保护的功能以外，写IOPS、延迟时间、写数据量及每PB价格方面都有突出的优势。随着云计算发展，数据存取速度（硬盘I/O）瓶颈尤为突出，超级内存的出现有望解决这一难题。此外，超级内存在磁盘缓存，存储链^[3]等领域也大有用武之地。

 

图4.Viking超级内存                      图5.Windawn超级内存

图4，图5分别为国外厂商Viking和国内厂商云动科技^[4]推出的超级内存产品，二者均基于NVDIMM技术开发， 前者与Supermicro合作开发了x86 Servers中的服务器应用，可以为企业级OEM厂商和超大规模计算组织提供非常强大和安全的产品。后者为国内首家自主研发的超级内存产品，其控制模块采用了SMBUS以及PCIE技术，调试方便，且无需额外的板级接口；其Flash大小可以任意定制，对于磁盘阵列应用很方便；其开发平台基于FPGA，可以扩展功能，如添加加密算法等。

5.相关产业支持

5.1 SNIA^[5]

全球网路储存产业协会(SNIA)已经成立了一个工作小组(SIG)，以推动非挥发性记忆体模组 NVDIMM 的采用。SINA是在1月底的年会中宣布成立NVIDIMM SIG，该工作小组隶属于该产业协会的固态储存倡议小组(Solid State Storage Initiative)，是一个开放社群，发起成员包括英特尔(Intel)、美光(Micron)、微软(Microsoft)、三星(Samsung)、SK海力士(Hynic)、SMART Modular Technologies、Viking Technology、AgigA Tec、IDT、Inphi与Pericom等厂商。SINA正密切关注这种将对运算装置架构带来大幅改变的趋势，让产业界能在新技术诞生时做好准备。

5.2 Intel

英特尔的下一代Haswell-E 平台预定在2014年第二季度发布，届时将会第一次发布8核心处理器（自6核心CPU发布以来最大的飞跃）。英特尔将会为Haswell-E处理器推出新的Wellsburg 芯片组，其中最大的改进就是支持2133MHz的DDR4内存，Wellsburg 芯片组还会有一系列的新的接口。由于有更高的频率支持，DDR4内存将比上一代内存有50%的性能提升。新的芯片组支持1.2V的DDR4低内存电压，有288个DIMM触点(上一代为284个)，新增加的4个触点是为了支持NVDIMM模块。好消息是无论288针或者284针内存都能用在288针和284针接口的主板上^[6]。

英特尔公司表示，处理器架构和归档系统将需要进行戏剧性的重新设计，用以利用即将到来的非易失性内存技术。英特尔首席技术官Justin Rattner告诉记者：“当闪存的替代品主导市场时，芯片制造商和归档系统设计师需要改变他们的技术去利用这种新类型的存储器所提供的低延迟。”他表示：“我相当确信非易失性技术将取代闪存并让非易失性内存更加接近计算的位置，显著降低延迟。架构显然必须对此作出反应和应对。” ^[7]

6.参考文献

[1]. http://www.vikingtechnology.com/

[2]. http://finance.jrj.com.cn/biz/2012/11/16105714686753.shtml

[3].http://baike.baidu.com/link?url=v95UuHYXRDIxr7Sudj3rXSZ4dJ1OBcZUPLGlxCUgKQcxDe754d_7wYbNB1U8Vq34enKqM-DG_HHHbbMcYMsLB_

[4]. http://www.windawn.com/default.aspx for contact info nvm@windawn.com

[5]. http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1320947&#msgs

[6]. http://www.inpai.com.cn/doc/hard/195791_-3.htm

[7]. http://www.enet.com.cn/article/2012/1017/A20121017176282.shtml