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              存儲新革命3D XPoint初解析

              2016-04-13許山白《微型計算機》2016年4月上

              基于馮諾依曼結構的計算機,從根本原理開始就和存儲器的性能息息相關。即使經過如此多年的發展,為了解決存儲方面的瓶頸,計算機仍然不得不使用寄存器、緩存、內存、硬盤這樣的多級緩沖存儲結構,以達到滿足性能需求并降低成本的要求。去年,英特爾和美光宣布了全新3D XPoint存儲技術,能夠在很大程度上解決存儲系統中硬盤和內存速度差異太大的問題。和目前的存儲器介質相比,3D XPoint除了工藝和部分結構,在讀寫原理和特性上有了革命性的進步,今年也許會是首款商業化的非易失性超高速、長壽命存儲設備,因此值得我們重點關注。

              性能鴻溝——目前存儲器存在的一些問題

              存儲器的性能是PC設備上目前的短板。這一點從很多用戶由HDD更換為SSD后,感覺像是“換了一個電腦”就能體現出來。HDD目前的傳輸速度往往在200MB/s以內,尋道時間約為10ms級;SSD傳輸速度為數百MB/s到幾GB/s,尋道時間約為0.1ms以內;更快的內存帶寬為幾十GB/s,延遲時間低至ns級。再向上還有更高速的緩存、寄存器等設備。

              隨著制程提升,NAND的容量正在迅速提升,但壽命和延遲等問題,并沒有革命性的變化。

              隨著制程提升,NAND的容量正在迅速提升,但壽命和延遲等問題,并沒有革命性的變化。

              內存的基本技術結構也已經很久沒有革命性的變化。圖為目前快的DDR4內存,仍舊只能充當暫存器。

              內存的基本技術結構也已經很久沒有革命性的變化。圖為目前快的DDR4內存,仍舊只能充當暫存器。

              DRAM:易失性難以解決

              拋開和處理器緊密相關的高速緩存和寄存器不說,先來看內存和外部存儲這兩個級別。目前我們使用的內存主要是DRAM。DRAM的核心問題是易失性,其它方面的表現優秀—比如在性能上DRAM的延遲很低(納秒級別)、帶寬較為充裕;壽命方面由于原理所致,DRAM壽命很長(只要不是物理損壞、接觸不良或者擊穿)。不過,DRAM的存儲需要不停供電,斷電就會丟失存儲的數據。從DRAM被發明出來到現在,比如從SDRAM到后來的DDR、DDR2、DDR3以及目前的DDR4,DRAM只是不斷地在預取值和總線上進行調整,核心的存儲架構其實變化不大。

              NAND:壽命、延遲不盡如人意

              再來看目前廣泛應用于存儲設備的NAND閃存。NAND閃存分為SLC、MLC、TLC等多種分支顆粒。從壽命上說,NAND是有平均讀寫次數的壽命的,即使是性能好的SLC NAND顆粒,其壽命也比DRAM小得多。這對需要長期不斷讀寫數據的設備來說并不是一個好消息。雖然人們可以通過設置緩沖空間、平衡磨損算法、提前設置壽命預警來確保NAND不會在使用的時候“掉鏈子”、引發數據丟失,但壽命依舊是NAND在使用中不可回避的問題,畢竟數據是無價的。此外,受制于存儲原理,NAND延遲較高,尤其是寫入時存在充電時間,怎么也快不起來,目前只能被用作外部存儲設備。但在今天,由于之前有性能更低的HDD機械硬盤的存在,基于NAND顆粒的SSD仍舊讓用戶感受到了性能的巨大提升。

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