儲存月報第25期：儲存級記憶體（SCM）點燃分層儲存新動力

儲存級記憶體（Storage Class Memory, SCM）技術的目的，是提供一種存取延遲效能，介於DRAM與NAND Flash記憶體之間的新型記憶體技術。

當前的電腦資料處理架構，採用的是「處理器—靜態隨機存取記憶體（SRAM）—動態隨機存取記憶體（DRAM）—固態硬碟（NAND Flash SSD）」的架構，問題出在DRAM與SSD之間的存取延遲差距較大。

在資料處理架構的最上層，從處理器、SRAM到DRAM之間，每一層的存取延遲大約相差數倍到10倍；而在資料處理架構的最底層，從SSD到硬碟之間的存取延遲則相差10倍到數十倍。但是在DRAM到SSD之間，存取延遲卻一下子從100ns等級驟降到100μs等級，相差了數百倍至1000倍之多，使得資料移動在這個環節出現瓶頸，進而導致處理器資料處理效率的下降。

另一方面，DRAM屬於揮發性媒體，一斷電資料便立即消失，必須持續供應電力才能保存資料，也有著相對耗能與資料容易遺失的問題。

於是早在2008年時，便開始有IBM等廠商提出了儲存級記憶體（SCM）技術，又稱為持續性記憶體（Persistent Memory），擁有接近DRAM的存取效能，又兼具類似SSD的非揮發特性，斷電時仍可保存資料。經過數年發展後，這項技術終於在這兩年正式上市，同時也為企業儲存應用帶來新的面貌。

儲存級記憶體的價值

SCM的存取延遲是1～10μs等級，正好介於DRAM與SSD之間，所以若在DRAM與SSD之間插入SCM作為中介，便能填補兩者間的效能落差，降低從處理器到SSD之間的存取延遲。

與DRAM相比，SCM的存取延遲慢了100倍，IOPS也明顯遜色，所以不能直接取代DRAM。不過SCM的單位成本與儲存密度都更佳，而且具非揮發性，所以可以扮演輔助DRAM的第二層緩衝區角色。

而與SSD相比，SSD的延遲快了10倍，IOPS效能也更高，存取架構也比NAND Flash更簡單——NAND Flash是在區塊（Block）或頁面（Page）層級執行存取作業，而SCM可直接定址位元（bit）或字元（word）層級，執行刪除作業時不需要刪除整個區塊的資料，也能簡化隨機存取與損耗均衡作業，有助於進一步改善作業效率。不過SCM的成本顯著高於SSD，目前的儲存容量也有相當差距，因此也無法完全取代後者，但可作為一個高速儲存裝置來輔助SSD。

所以SCM並不是要取代DRAM或SSD，而是要填補兩者間的效能落差，從而改善電腦資料處理效率。

儲存級記憶體的應用

SCM的應用有M型式與S型式兩大類型，M型式即記憶體型式（Memory-Type），目的是與DRAM配合，作為輔助DRAM、且具備非揮發性的緩衝記憶體。S型式則是儲存型式（Memory-Type），是作為類似SSD的底層儲存裝置使用，提供一種比SSD更快的儲存空間，提供存取加速效果。無論哪一種型式，都具備了作為DRAM與SSD的中介，改善系統整體I/O效能的作用。

過去幾年來，各廠商先後發展了一系列可作為SCM的新型記憶體技術，包括磁性記憶體（MRAM）、相變化記憶體（PCM）、電阻式記憶體（RRAM）等，目前達到商品化與實際上市的產品，則有Intel基於與美光合作3D XPoint技術的Optane，以及三星的Z-SSD兩種，前者屬於電阻式技術，後者則是浮閘電晶體（floating-gate transistors）類型。

目前Optane與Z-SSD都提供了M型式與S型式兩種應用型態的產品，前者採用M.2或PCIe介面卡的產品型式，安裝在主機上作為DRAM的輔助；後者則採2.5吋磁碟的產品型式，安裝在主機後端或儲存陣列上，用於提供輔助SSD的高速儲存裝置。

分層儲存架構的復興

SCM技術與產品的問世，也重燃了企業儲存的分層儲存應用架構。

在4、5年之前，基於自動分層儲存技術（Auto-Tiering）的分層儲存架構，曾在企業儲存領域紅極一時。當時基於NAND Flash的SSD剛進入主流應用不久，成本仍相當高，所以出現了SSD搭配傳統硬碟構成的分層儲存架構，包括作為I/O加速的SSD快取（SSD Cache），或是搭配自動分層儲存技術，將資料依存取頻繁程度，自動遷移到SSD或硬碟等合適的儲存層存放，來達到兼顧效能與成本的目的。

不過隨著SSD成本的持續降低，以及全快閃儲存的逐漸普及，SSD快取與分層儲存架構也不再像以往那樣受到關注。

而現在SCM的出現，則讓分層儲存架構又再次有受到重視的機會。以往的分層儲存是由SSD與硬碟兩類儲存媒體組成。而現在有了SCM以後，將可構成SCM+SSD+硬碟等3大類儲存媒體的分層儲存架構，透過加入SCM來提供更細緻的分層，進一步改善I/O加速效果，同時還能顧及成本效益。

儲存級記憶體（SCM）弭平DRAM與SSD間的效能落差

在當前的電腦I/O架構中，DRAM與SSD之間存在較大的落差。最上層的處理器到SRAM快取記憶體，然後再到DRAM之間的存取延遲差了數倍到10倍；而最底層SSD到硬碟之間，存取延遲則差了10倍到100倍。不過從DRAM到SSD之間，一下子便差了1,000倍，從100ns降到100μs等級。

而SCM則可填補DRAM與SSD之間的效能落差，SCM的存取延遲比DRAM慢了大約數十倍到100倍，但又比SSD快了10倍以上，因而可作為兩者的中介，讓整個I/O處理架構更為平順高效。

資料來源： NetApp

儲存級記憶體（SCM）構成新的分層儲存架構

有了SCM這種持續性記憶體技術（Persistent Memory）之後，便可在SSD與硬碟之上，提供一個新的儲存分層，構成SCM+SSD+硬碟的分層構造，進一步改善儲存I/O效能。

資料來源： NetApp