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  • 随着计算能力虚拟化技术的普及,存储机制在速度上远逊于内存这一劣势开始变得愈发凸显。 这一巨大的访问速度鸿沟一直是各项存储技术想要解决的核心难题:纸带、磁带、磁盘驱动器乃至闪存记忆体等等,而如今最新一代...

    随着计算能力虚拟化技术的普及,存储机制在速度上远逊于内存这一劣势开始变得愈发凸显。

    这一巨大的访问速度鸿沟一直是各项存储技术想要解决的核心难题:纸带、磁带、磁盘驱动器乃至闪存记忆体等等,而如今最新一代问题解决方案则成长为由3D XPoint领军的高速非易失性固态记忆体。

    这种几乎能够在一定程度上将速度与内存看齐的新型存储方案将给服务器以及系统硬件与软件带来颠覆性的变革。

    内存中的内容具备易失性或者说临时性,意味着电源关闭后其会直接消失。相比之下,存储设备中的内容即使失去电力支持也依然存在,因此我们将其称为持久性或者非易失性存储。

    而固态、非易失性记忆体或者说NAND闪存在速度上则要远远高于磁盘以及磁带。

    纳秒与微秒

    内存访问时长约为200纳秒。其速度主要受到CPU缓存访问速度标准的影响,其中一级缓存访问约耗时半纳秒,二级缓存访问速度则为7纳秒。

    磁盘驱动器需要将读取/写入磁头移动到对应的磁道处才能完成读写操作,其耗时约在1000万纳秒上下--即10毫秒或者10000微秒。其速度基本要比内存访问慢上两个量级。

    而固态驱动器(简称)的速度则要远超于此。美光最新推出的9100 SSD是一款NVMe协议PCIe总线卡,其读取访问延迟为120微秒,写入访问延迟则为30微秒。其至少要比磁盘快上一个量级,但仍较DRAM写入访问慢150倍,读取访问更要慢上600倍。

    为什么读取与写入之间存在的延迟时长差异?我们都知道,这是因为写入内容会被缓存在SSD的DRAM缓冲区内,而读取则直接接入速度更慢的NAND本身。

    尽管NAND的速度要远高于磁带,但其仍然无法同内存相比肩,这意味着IO速度依旧制约着代码编写方式。具体来讲,编程人员需要限制IO强度,而服务器/存储系统工程师则需要努力利用NAND缓存机制克服磁盘数据延迟,并利用DRAM缓存进一步提升NAND访问时耗。

    多插槽、多核心CPU服务器本身很容易遭遇IO等待问题,这是因为其存储子系统的运作速度只相当于内存速度的数百分之一。在这种情况下,处理器需要闲置并等待存储完成操作后方可继续工作。

    访问时间中的鸿沟

    如果我们将一级缓存的访问时长规定为1秒,而后以此为基础进行等比计算。因此,磁带访问的相对时长将达到6年4个月19小时33分又20秒。而速度更快的美光9100 SSD的相对时长为2天18小时40分钟。尽管与磁盘相比优势明显,但仍然远远无法同DRAM访问速度标准相比--后者仅为6分钟40秒。

    如此巨大的访问时间鸿沟催生了易失性内存与持久性存储之间的新事物,即英特尔与美光联手打造的3D XPoint内存--这是一种新的非易失性固态存储形式。

    以内存级速度实现存储?XPoint正是我们的计划

    XPoint由相变记忆体材料构建而成,其采用硫化物晶体,并能够根据实际电压实现状态变更,从而引发电阻值切换。这种变更能够逆转,因此两种电阻值水平可被分别定义为1与0。该XPoint晶粒分为两层并采用通孔设计,这也是其3D名称的由来。

    根据有关双方的说法,其量变机制与其它材料中由无状态到结晶态间的相变机制有所区别,但目前尚无更多进一步消息可供参考。

    英特尔与美光双方发布的早期市场推广消息显示,其速度将达到普通闪存的1000倍,使用寿命亦为1000倍,而使用成本则在普通闪存与DRAM之间。

    Objective Analysis公司的Jim Handy绘制了以下XPoint定位图:

    以内存级速度实现存储?XPoint正是我们的计划

    这是一份平面图表,其中两条轴分别为每GB使用成本与传输带宽,可以看到3D XPoint的位置处于NAND及DRAM之间。

    XPoint细节信息

    与NAND不同,XPoint采用字节寻址机制而非块寻址机制。英特尔方面指出,其将推出Optane品牌的XPoint SSD(即NVMe接入驱动器)与XPoint DIMM,意味着XPoint芯片能够以DIMM封装形式直接接入内存总线,而不必经由NVMe XPoint驱动器所采用的速度更慢的PCIe总线。

    英特尔公司研究员兼首席3D XPoint存储架构师Frank Hady在最近于圣迭戈大学召开的2016年第七届非易失性内存研讨会上提供了与Optane相关的部分细节数据。

    我们将内容汇总如下:

    • 采用20纳米制程;

    • SLC (单层单元);

    • 7微秒延迟,或者换算为7000纳秒;

    • 78500(七比三随机)读取/写入IOPS;

    • NVMe接口。

    XPoint的传输带宽目前尚不明确。

    如果我们据此整理出一份涵盖内存与存储介质的延迟表格,从一级缓存到磁盘,那么结果将如下所示:

    以内存级速度实现存储?XPoint正是我们的计划

    其中延迟为7微秒的XPoint在速度上仅比DRAM慢35倍。这样的水平要远远优于NVMe NAND,其中美光的9100在写入与读取两方面分别较DRAM慢150倍与600倍。

    如果我们选取以上表格中的前五条并将其整理为横向图,则如下所示:

    以内存级速度实现存储?XPoint正是我们的计划

    很明显,XPoint与内存间的延迟差距要远小于NAND。XPoint可用于NAND(或者磁盘)的缓存技术方案,不过这种用法并没有什么颠覆性可言--毕竟缓存就是缓存,没什么新鲜的。或者,我们可以将其作为一种内存形式,意味着应用程序将能够直接操作XPoint当中的数据--而非DRAM。

    以DIMM形式封装的XPoint芯片预计将拥有低于7微秒的延迟表现,其可能也正是英特尔方面提到的XPoint存储级内存(简称SCM)。

    系统与软件转变

    配合SCM,应用程序不再需要从持久性存储当中获取数据。取而代之的是将数据直接移动至XPoint之内。而这还只是XPoint作为存储级内存--或者说持久性内存--给系统及软件带来的转变之一。

    其它转变包括:

    • 开发能够识别持久性内存的文件系统;

    • 支持存储级内存的操作系统;

    • 设计新的处理器方案以使用混合型DRAM与XPoint内存。

    我们也期待看到Linux对XPoint存储级内存加以支持。

    微软方面目前正着手在Windows当中添加对XPoint存储级内存的支持能力。其将提供零复制访问机制并配备Direct Access Storage分卷,即DAX分卷。DAX分卷拥有将文件及应用程序映射至内存中的能力,从而保证无需经由现有IO堆栈即可实现访问。

    基于磁盘驱动器时代的代码堆栈同样需要进行调整。过去缓慢的磁盘操作速度令代码执行效率显得不那么重要,但考虑到XPoint的个位数微秒级访问能力,堆栈效率将在未来成为决定最终速度的关键。

    XPoint影响服务器与存储

    配备XPoint的服务器将在很大程度摆脱由IO带来的束缚。其缓存机制将更具效率。使用SCM的服务器将能够在内存当中承载更为庞大的应用程序,而数据写入时间也将大幅缩短。

    另外,XPoint型服务器也应该能够支持更多虚拟机或者容器,其具体数量将远高于采用XPoint NVMe SSD的服务器。

    存储阵列将能够在XPoint缓存的帮助下提升响应速度,且速度水平高于XPoint SSD。预计其将采用远程直接内存访问机制配合NVMe链路,从而实现共享式XPoint直连存储。

    Fusion-io公司也曾利用其PCIe闪存卡推出过存储级内存方案,但该公司规模太小,很难在操作系统层面带来SCM级别的变更。英特尔与美光联手则拥有足够的份量,而且两家公司也都充分意识到XPoint硬件及软件供应商生态系统的重要意义。

    如果XPoint真的能够实现其做出的全部承诺,那么可以预见,服务器方案的整体执行效率将迎来极为显著的提升。

    考虑到XPoint在初步面世后必然面临产量不足的问题,因此其它电阻式RAM(即ReRAM)技术可能也将拥有发展空间。根据我们掌握的情况,目前SanDisk与东芝正在协作探索这一领域,但尚拿不出可与XPoint相匹敌的成熟方案。


    原文发布时间为:2016年04月25日

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  • 据国外媒体报道,预计英特尔和美光科技将在2017年发布一款名为Optane的超高速内存新技术,这或许能为苹果MacBook加快存储速度铺平道路。 Optane兼容NVMe存储协议,苹果已经在其MacBook部分机型中使用了NVMe(非易失...

    Optane内存技术可让MacBook存储速度提高千倍

     据国外媒体报道,预计英特尔和美光科技将在2017年发布一款名为Optane的超高速内存新技术,这或许能为苹果MacBook加快存储速度铺平道路。

    Optane兼容NVMe存储协议,苹果已经在其MacBook部分机型中使用了NVMe(非易失性存储器)存储协议。这意味着这种新技术将更容易被苹果所采用。

    Optane使用了3D Xpoint技术,据说可以将存储速度提高1000倍,而且它的耐用性也会比普通闪存更高。这是因为它的存储密度大概是DRAM存储密度的10倍。

    苹果在去年4月通过升级OS X软件在最新款12英寸MacBook中增加了对NVMe的支持。

    Optane内存技术可让MacBook存储速度提高千倍

    NVMe将取代老旧的AHCI技术,后者是为了实现基于传统硬盘的系统的性能最大化而设计的,NVMe则针对固态存储或非易失性存储提供的低延迟运行进行了优化。

    与AHCI相比,NVMe可以将延迟降低50%。例如,英特尔称,19500转的SCSI/SAS系统的延迟开销是6纳秒,而NVMe可以让9100转磁盘系统的延迟开销降低到2.8纳秒。

    而且,NVMe还将在未来10年内继续发展。由于苹果从2011年起就一直在使用PCIe传输协议,苹果可以很快让所有的Mac产品都支持NVMe。


    本文转自d1net(转载)

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  • 内存速度

    2018-03-20 11:19:40
    平时所说的内存速度是指它的的存取速度,一般用存储器存取时间和存储周期来表示。存储器存取时间(memory access time)又称存储器访问时间,是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。存储周期(memory ...
    现代计算机是以内存为中心运行的,内存性能的好坏直接影响整个计算机系统的处理能力。平时所说的内存速度是指它的的存取速度,一般用存储器存取时间和存储周期来表示。

    存储器存取时间(memory access time)又称存储器访问时间,是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。存储周期(memory cycle time)指连续启动两次独立的存储器操作(例如连续两次读操作)所需间隔的最小时间。通常,存储周期略大于存取时间,其差别与主存器的物理实现细节有关。


    内存主频习惯上被用来表示内存的速度,它代表着该内存所能达到的最高工作频率。内存主频是以MHz(兆赫)为单位来计量的。内存主频越高在一定程度上代表着内存所能达到的速度越快。内存主频决定着该内存最高能在什么样的频率正常工作。
    计算机系统的时钟速度是以频率来衡量的。晶体振荡器控制着时钟速度,在石英晶片上加上电压,其就以正弦波的形式震动起来,这一震动可以通过晶片的形变和大小记录下来。晶体的震动以正弦调和变化的电流的形式表现出来,这一变化的电流就是时钟信号。而内存本身并不具备晶体振荡器,因此内存工作时的时钟信号是由主板芯片组的北桥或直接由主板的时钟发生器提供的,也就是说内存无法决定自身的工作频率,其实际工作频率是由主板来决定的。

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  • 缓存 内存 闪存 存储

    2017-03-08 09:53:34
    在CPU中加入缓存是一种高效的处理方法,这样整个内存储器(缓存+内存)就变成了既有缓存的高速度,又有内存的大容量的存储系统(System)了。 缓存是为了处理CPU速度内存速度速度差异问题。内存中被CPU访问最...

    CPU缓存(Cache Memory)位于CPU与内存之间的临时存储器,,它存在于CPU中,它的容量比内存小但交换速度快。CPU中加入缓存是一种高效的处理方法,这样整个内存储器(缓存+内存)就变成了既有缓存的高速度,又有内存的大容量的存储系统(System)了。

    缓存是为了处理CPU速度和内存速度的速度差异问题。内存中被CPU访问最频繁的数据和指令被拷贝入CPU中的缓存。CPU存取数据的速度非常的快,一秒钟能够存取、处理十亿条指令和数据(术语:CPU主频1G),而内存就慢很多,快的内存能够达到几十兆就不错了,可见两者的速度差异是多么的大。

    缓存的工作原理是当CPU要读取1个数据时,首先从缓存中查找,假如找到就立即读取并送给CPU处理;假如没有找到,就使用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理,同时把这样个数据所在的数据块调入缓存中,能以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进行,不必再调使用内存。CPU读取数据的顺序是先缓存后内存。  

    一级缓存和二级缓存  RAMROM相对的,RAM是掉电以后,其中的信息就消失那一种,ROM在掉电以后信息也不太会消失那一种。  RAM又分两种,一种是静态RAMSRAM;一种是动态RAMDRAM。前者的存储速度要比后者快得多,我们目前使用的内存一般都是动态RAM。有的菜鸟就说了,为了增加系统(System)的速度,把缓存扩大不就行了吗,扩大的越大,缓存的数据越多,系统(System)不就越快了吗?缓存通常都是静态RAM,速度是非常的快, 能是静态RAM集成度低(存储相同的数据,静态RAM的体积是动态RAM6倍), 价钱高(同容量的静态RAM是动态RAM的四倍), 由此能以见,扩大静态RAM作为缓存是1个非常愚蠢的行为, 能是为了提高系统(System)的性能和速度,我们必须要扩大缓存, 这样个样个就有了1个折中的方法,不扩大原来的静态RAM缓存,而是增加多个高速动态RAM做为缓存, 这样个样个些高速动态RAM速度要比常规动态RAM快,但比原来的静态RAM缓存慢, 我们把原来的静态ram缓存叫一级缓存,而把之后增加的动态RAM叫二级缓存。一级缓存和二级缓存中的内容都是内存中访问频率高的数据的拷贝品(映射),它们的存在都是为了减少高速CPU对慢速内存的访问。 通常CPU找数据或者指令的顺序是:先到一级缓存中找,找不到再到二级缓存中找,假如还找不到就仅有到内存中找了。 

    硬盘缓存Cache memory)是硬盘控制器上的一块内存芯片,具有极快的存取速度,它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。由于硬盘的内部数据传输速度和外界介面传输速度不同,缓存在其中起到一个缓冲的作用。缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素,能够大幅度地提高硬盘整体性能。当硬盘存取零碎数据时需要不断地在硬盘与内存之间交换数据,如果有大缓存,则可以将那些零碎数据暂存在缓存中,减小外系统的负荷,也提高了数据的传输速度。 

    硬盘的缓存主要起三种作用一是预读取。当硬盘受到CPU指令控制开始读取数据时,硬盘上的控制芯片会控制磁头把正在读取的簇的下一个或者几个簇中的数据读到缓存中(由于硬盘上数据存储时是比较连续的,所以读取命中率较高),当需要读取下一个或者几个簇中的数据的时候,硬盘则不需要再次读取数据,直接把缓存中的数据传输到内存中就可以了,由于缓存的速度远远高于磁头读写的速度,所以能够达到明显改善性能的目的;二是对写入动作进行缓存。当硬盘接到写入数据的指令之后,并不会马上将数据写入到盘片上,而是先暂时存储在缓存里,然后发送一个“数据已写入”的信号给系统,这时系统就会认为数据已经写入,并继续执行下面的工作,而硬盘则在空闲(不进行读取或写入的时候)时再将缓存中的数据写入到盘片上。虽然对于写入数据的性能有一定提升,但也不可避免地带来了安全隐患——如果数据还在缓存里的时候突然掉电,那么这些数据就会丢失。对于这个问题,硬盘厂商们自然也有解决办法:掉电时,磁头会借助惯性将缓存中的数据写入零磁道以外的暂存区域,等到下次启动时再将这些数据写入目的地;第三个作用就是临时存储最近访问过的数据。有时候,某些数据是会经常需要访问的,硬盘内部的缓存会将读取比较频繁的一些数据存储在缓存中,再次读取时就可以直接从缓存中直接传输 

     内存与储存的差别大多数人常将内存 (Memory) 与储存空间 (Storage) 两个名字混为一谈 尤其是在谈到两者的容量的时候 内存是指 (Memory) 计算机中所安装的随机存取内存的容量;储存 (Storage) 是指计算机内硬盘的容量 另一个内存与储存最重要的差别在于 储存于硬盘中的信息在关机后能够保持完整,但任何储存在内存中的数据在计算机关机后便会全部流失。

     闪存(Flash Memory)是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器,数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位,区块大小一般为256KB20MB。闪存是电子可擦除只读存储器(EEPROM)的变种,EEPROM与闪存不同的是,它能在字节水平上进行删除和重写而不是整个芯片擦写,这样闪存就比EEPROM的更新速度快。闪存分类:U盘、CF卡、SM卡、SD/MMC卡、记忆棒、XD卡、MS卡、TF

     还有缓存分为三级的说法: L1Cache(一级缓存)CPU第一层高速缓存,分为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大,不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成,结构较复杂,在CPU管芯面积不能太大的情况下,L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器CPUL1缓存的容量通常在32256KB。  L2Cache(二级缓存)CPU的第二层高速缓存,分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同,而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能,原则是越大越好,现在家庭用CPU容量最大的是512KB,而服务器和工作站上用CPUL2高速缓存更高达256-1MB,有的高达2MB或者3MB。  L3Cache(三级缓存),分为两种,早期的是外置,现在的都是内置的。而它的实际作用即是,L3缓存的应用可以进一步降低内存延迟,同时提升大数据量计算时处理器的性能。而在服务器领域增加L3缓存在性能方面仍然有显著的提升。比方具有较大L3缓存的配置利用物理内存会更有效,故它比较慢的磁盘I/O子系统可以处理更多的数据请求。具有较大L3缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。  其实最早的L3缓存被应用在AMD发布的K6-III处理器上,当时的L3缓存受限于制造工艺,并没有被集成进芯片内部,而是集成在主板上。在只能够和系统总线频率同步的L3缓存同主内存其实差不了多少。后来使用L3缓存的是英特尔为服务器市场所推出的Itanium处理器。接着就是P4EE和至强MPIntel还打算推出一款9MBL3缓存的Itanium2处理器,和以后24MBL3缓存的双核心Itanium2处理器。  但基本上L3缓存对处理器的性能提高显得不是很重要,比方配备1MBL3缓存的XeonMP处理器却仍然不是Opteron的对手,由此可见前端总线的增加,要比缓存增加带来更有效的性能提升。


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