SCMNVDIMM学习笔记

参考文章：

https://blog.csdn.net/BtB5e6Nsu1g511Eg5XEg/article/details/93984203

http://www.openpcba.com/web/contents/get?id=4359&tid=15

http://www.360doc.com/showweb.aspx?id=910957413

https://www.stmcu.org.cn/article/id-330077

http://www.elecfans.com/d/886743.html

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什么是SCM？

上图为信息存储介质金字塔，从“塔顶”到“塔底”性能和价格逐渐下降。

综合考虑成本因素，为发挥最优性能（capability），在计算机硬件架构设计的过程中，寄存器（Register）和SRAM（Cache）一般在芯片内部使用，缓存一般使用DRAM，主存储使用SSD和HDD等。金字塔从“塔顶”到“塔底“使用的容量（capacity）也逐渐增大。

按照介质掉电后数据是否丢失，又可以将上述介质分为两大类：易失性、非易失性。这些介质被有序合理的规划在计算机的各个部位中。

然而经过科学家研究发现，DRAM与SSD之间介质的性能存在较大差距。是否可以研发一种新的介质，使得其性能介于DRAM与SSD之间，但同时又具备非易失性？

科学家们用事实证明了答案。

SCM（storage class memory），存储级内存就是此类介质。

SCM介质有哪些？

目前主流的SCM有4类物理介质：PRAM、ReRAM、MRAM和NRAM。

PRAM(Phase-Change RAM)利用特殊合金材料在晶态和非晶态下的导电性差异来表示0或1的状态。结构简单，便于实现大容量和低成本，但对于高温比较敏感。PRAM的寿命和DRAM仍有一定差距，因此一般会采用系统优化的设计。例如，搭配DRAM，形成分级的大容量内存资源池，同时满足高性能和高可靠要求。典型代表为Intel和Micron联合研发的3Dxpoint。
ReRAM（Resistive random-access memory）即阻抗随机存储器，通过在上下电极间施加不同的电压，控制Cell（存储单元）内部导电丝的形成和熔断从而对外呈现不同的阻抗值。由于不同阻抗值可以表示不同状态，故理论容量密度和成本较可观；然而其读写寿命和性能都较低。典型代表厂商为HPE和Crossbar。
MRAM（Magnetic Random Access Memory）即磁性随机存储器，通过电流磁场改变电子自旋方向来表示不同状态，理论性能和寿命都很高，适用于贴近CPU侧的高速缓存（如L2 Cache，LLCache），代表厂商为Toshiba和Everspin。
NRAM（Nantero’s CNT Random Access Memory）即碳纳米管随机存储器，采用碳纳米管作为开关，控制电路通断表示不同的数据状态。由于碳纳米管尺寸非常小并且具备极强的韧性，因此NRAM理论制程可以达到5nm以下，密度和寿命及其优秀，理论功耗也比较低，可用于替代SRAM。当前由Nantero授权其他存储芯片厂商加工。

Intel傲腾数据中心级产品

傲腾数据中心级产品有两个系列，分别是Persistent Memory（持久性内存）、Solid state drive（固态盘）。另外，结合Intel的最新闪存技术3D NAND，傲腾系列添加了一款增强型固态盘（在SSD中内置傲腾缓存）。

傲腾增强型固态盘

为3D NAND SSD配置傲腾缓存，为其加速。规格如下：

傲腾SSD

PCIE协议，下为规格：

主要应用场景为：

元数据缓存：作为AFA产品的元数据缓存，配合DRAM，形成内存+SCM SSD的两级缓存机制。突破内存容量瓶颈，在保持性能稳定的情况下支持更大的用户容量；
数据缓存：作为用户数据的加速层，提升典型应用场景下的性能体验；
主存场景：作为用户数据的存储层，提供高性能存储系统以满足某些场景的性能要求。

持续缓存模式（PM）

产品形态为DIMM插卡，均使用内存总线，目前有128GiB、256GiB、512GiB三种规格。

PM的工作模式有三种，分别为内存模式、App Direct模式、双重模式。

内存模式：

内存模式主要是为了解决DRAM容量的问题，在有限的成本条件下提升内存容量。实际的工作方式为：将DRAM作为PM的缓存，整体容量以PM为准。在这种工作模式下，数据是易失性的，按内存寻址方式（按字节寻址）。

App Direct模式：

操作系统将PM和DRAM视为两个独立的内存池，在这种工作模式下，数据是非易失性的，采用内存寻址的方式（按字节寻址）。由于应用可以直接访问PM，所以可降低堆栈复杂性，可有效的降低时延。

在AD模式下还支持块寻址模式，可通过两种方式实现：存储API、内存映射路径。

存储API沿用了传统的存储API，无需更改现有应用和文件系统，在应用和文件系统的眼中PM是一个高速的存储设备。

内存映射路径通过一个内存映射文件系统来对应用和文件系统开放PM的能力，由于应用的眼中是有 PM的，所以相应的它们需要使用PM时需要使用PM的接口。因而Intel提供了PMDK开源库用于编程开发。

NetAPP的MAX FS使用了内存映射路径技术，对于所有于NetApp ONTAP上的应用而言底层的存储模式是透明的。

双重模式：

属于AD模式的子集，可通过预配置的方式让部分PM属于内存模式，一部分PM属于AD模式。

应用场景如下：

持久化内存：作为数据持久层，对数据一致性要求很高的持久化系统，同时兼顾数据可靠性和数据读写性能。
内存数据库：作为数据In Place空间，提供数据运行和持久化存储空间。
系统日志卷：作为日志卷，例如，在HPC系统中通常采用Checkpointing实现对计算中间状态进行持久化保存，这是一个耗时、耗系统吞吐量的过程。

什么是NVDIMM

DIMM（Dual-Inline-Memory-Modules）是双列直插式存储模块。

NVDIMM（non-volatile dual in-line memory module）是非易失性双列直插式内存模块，是一种用于计算机的随机存取存储器。非易失性存储器是即使断电也能保留其内容的内存，这包括意外断电、系统崩溃或正常关机。双列直插式表示该内存使用DIMM封装。NVDIMM在某些情况下可以改善应用程序的性能、数据安全性和系统崩溃恢复时间。这增强了固态硬盘（SSD）的耐用性和可靠性。

有三种NVDIMM 的实现：NVDIMM-N、NVDIMM-F、NVDIMM-P。

NVDIMM-N：如下图，指在一个模块上同时使用DRAM 和 flash 闪存。计算机通过内存总线直接访问DRAM，支持按字节和块寻址。掉电时，通过使用后备电源实现将数据从DRAM 拷贝到闪存中。当电力恢复时, 数据又可重新加载到DRAM 中。

NVDIMM-F：指使用了DRAM的DDR3或者 DDR4 总线的flash闪存，只支持块寻址。一般而言，由NAND flash 作为介质的SSD使用了SATA、SAS或PCIe总线。而使用了DDR总线可以进一步提高带宽，减少由协议带来的延迟和开销。
NVDIMM-P：类似于NVDIMM-N，同一个模块上也使用了DRAM和flash，支持块和字节寻址。NVDIMM-P在NVDIMM-N的基础上，通过增加接口或复用访问接口通道的方式，使cpu能够在正常工作时通过NVDIMM控制器访问flash。Intel 的基于3D XPoint™ 技术的Intel® Optane™ DC Persistent Memory，可认为是NVDIMM-P的一种实现。

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