SSD闪亮登场 NAND闪存的未来在于软件？

    非易失性存储市场在未来五年内将产生巨大的变化，现在用于固态硬盘(SSD)和嵌入式移动终端中的NAND闪存所具备的高密度与高可靠性将更有优势。

　　因此，服务器、存储和应用程序提供商正在编写新的规范，以优化他们产品与NVM的交互方式，而这将极有可能使得许多应用程序更换其动态RAM(DRAM)和硬盘。据全球网络存储工业协会(SNIA)的技术工作组解释。

　　“这个(SNIA)工作组认为，存储介质在未来三到五年内将发生改变，而在这段时间内，我们不得不改变存储和内存交互方式，”SNAI非易失性存储编程技术工作组成员Jim Pappas表示，“行业正在努力这个处理器与存储之间的瓶颈。”

　　英特尔数据中心部门的技术主管Pappas表示，数十种非易失性存储技术正面临竞争对手NAND闪存的挑战。这些技术包括忆阻器、ReRam、Racetrack Memory、Graphene Memory以及相变存储器。

IBM相变存储器新品采用90纳米工艺制程，并有可能向占据市场主导的NAND闪存发起挑战

　　“整个行业内多种技术正在不断相互竞争，采用NAND闪存的固态硬盘用作内存，将取代性能非常接近的系统内存，” Pappas说，“现在系统内存的大致速度与费易失性存储非常接近，因此计算架构将发生很大的改变。”

　　例如，IBM去年公布了一项相变存储器的突破性技术，这项技术可使其容量与NAND闪存相抗衡，但性能却是NAND闪存的100倍，同时数据可靠性更高，并具备更长的寿命。

　　以硬件和软件供应商为代表的SNIA费易失性存储编程技术工作组目前正致力于三种规格(的编写)。他们认为，要提高操作系统的速度，可以采用更快的闪存介质;其次，应用程序可以直接访问操作系统的闪存;第三则是系统内存启用新的NVMS。

　　“更重要的是，在未来，如果您使用费易失性存储，您可以将其当做内存的一部分，而不仅仅是只用作存储，” Pappas说。

　　正在为这些新的规范努力的公司包括IBM、戴尔、EMC、HP、NetApp、富士通、Qlogic、赛门铁克、Oracle以及VMware。  

    NAND闪存目前更像硬盘

　　目前，处理器访问系统存储(DRAM)，需要通过内置在硬件中的存储控制器。存储控制器通常集成在微处理器芯片中，没有专门的软件，都是通过硬件执行。

　　与上述相反的是，微处理器以访问硬盘的相同方式来反问NAND闪存。这的确是通过操作系统调用，但又反过来推动传统存储软件栈。通过类似SCSI、SAS或者SATA等独立的硬件接口来从操作系统或闪存(或HDD)传输数据。

　　当新的NVM启用后，这些接口将被改变，而这一产品实施决定在SNIA NVM编程技术工作组的范围之外，Pappas说。

　　例如，现在流行的一种做法是，将NVM连接到与处理器直连的PCIe总线上，目前已经有很多产品采用这种做法。

　　固态存储厂商Fusion-io所销售的NAND闪存PCIe卡超过半数都是用于服务器与存储阵列之间。该公司也一直致力于软件开发工具包和硬件产品的开发工作，以使其NAND闪存卡可以用作系统内存和大容量存储，就如同SNIA的行业规范那样。

　　微软和Fusion-io正努力开发API，以使SQL数据库使用Fusion-io的虚拟存储层(VSL)，这又反过来使开发人员能够用Fusion-io的PCIe内存卡来优化应用。像所有的操作系统一样，SQL Server可以想使用机械硬盘那样使用NAND闪存，使用缓存，同一份数据存放两份以确保数据安全。

　　Fusion-io调用原子多块写入程序(Atomic Multi-block Writes API)的接口。这个API是MySQL InnDBA的扩展存储引擎，消除了必须的缓存或冗余写入，让应用程序可以直接访问、控制NAND闪存介质。

　　“我们设计师让它更像内存而不是磁盘，我我们可以做到块I/O(的读取和写入)和基于内存的访问，” Fusion-io高级副总裁Gary Orenstein幽默地说，“API对SQL说：‘你所能提供的能力比你想象的要多。’”

　　其结果是SQL数据库有30%到40%的性能改善，一半数量的写入使得NAND闪存的寿命延长两倍，因为其通常只存储一半的数据，Orenstein解释说。

　　“但我们并不是说闪存将取代DRAM的每一个应用，开发人员在较低的成本和功耗情况下，只需要牺牲较小的性能就能获得10于DRAM的容量空间。” Orenstein说。

　　据Orenstein透露，预计在一年之内，其产品就将采用原子多块写入功能。

通过这个新的API，Fusion-io的八通道PCIe模块10 TB容量的ioDrive可能有一天会起到系统内存和海量存储的双重作用

    NVM如何影响数据中心

　　要了解NVM在数据中心的作用，就要了解之前那些设备的作用：硬盘、易失性系统内存或者DRAM。DRAM是及其昂贵而易失的，如果没有一个备用电源的话，一旦断电，其就会失去所有的数据。

　　据Pappas介绍， DRAM的性能比硬盘性能优越6个数量级，这就意味着其速度要快约一百万次。

　　1987年，当NAND闪存正式登上历史舞台时，其性能在这两者之间，比磁盘的性能大约好三个数量级，这就意味着其快了1000倍，Pappas说。

　　尽管直到现在，闪存仍还不够便宜，以至于无法大规模用于服务器和存储阵列之中。但现在，其所被用户接受的程度正飞速上升。

　　硬件设备制造商现在使用NAND闪存作为一个额外的大容量存储层，为诸如在线交易处理和虚拟桌面基础设施(VDI)等I/O密集型应用提供更快的性能。但NAND闪存通常不会被用作系统内存，这就意味着CPU不能将其当做DRAM内存进行直接访问。

　　目前，存储基础设施仍大多采用的是磁盘设备，SNIA正努力促进其支持NVM所能提供的性能。

　　SNIA下属的NVM编程技术工作组成立于今年7月，以促进增强操作系统对NVM硬件的支持。“我们正在关注这种新一代内存的共享特性。因此，我们并不关心何种技术最终会胜出，我们只需设计一个能够使用替代技术的基础设施。” Pappas说。  

    新的规范决定NVM性能

　　SNIA工作组将首先着手优化操作系统，以使软件平台和文件堆栈能够识别性能更好的介质。

　　他们的想法是要弄清楚如何提升操作系统的性能，以使所有的应用程序都能得以性能提升。

　　“另一方面则是研发目前存储系统所不能提供的智能管理能力，” Pappas说，“这是最起码的。怎样才能使操作系统针对设备的特点来智能识别可用的功能和可加载模块。”

　　其次则是，工作小组将研发新的接口来连接操作系统和应用程序，这将允许应用程序通过NVM的快速I/O通道使用“直接访问模式”或“OS旁路模式”。直接访问模式允许操作系统设置NVM，使其成为应用程序专用的缓存，并存放多个数据副本，但这会增加大量延迟。

　　例如，操作系统可以让关系数据库应用程序直接访问NVM。IBM DB2和Oracle也已经演示了其应用程序如何直接访问NVM。据Oracle标准方面的主管及SNIA工作组成员Tony Di Cenzo透露。

　　“这是一个全新的开始。” Pappas说，“实际上，这(新的NVM)介质需要数年时间才能实现。因此，我们需要跟行业一起前进，确定未来的发展和预先定义软件基础设施，这样当其实现之后我们才能完全受益。”

    NAND闪存所面临的困境

　　虽然新的NVM技术将成为未来几年的主流，但NAND闪存不太可能“一统江山”，因为新的NVM介质可能需要几年的时间才能匹配NAND闪存的价格。NAND闪存所面临的困境是由于技术方面的限制。

　　随着技术的不断发展，厂商正不断缩小其工艺制程，几年之间，NAND闪存就从90nm发展到目前的20nm工艺制程。目前所知的铺设电路的方式为光刻，大多数厂商所制作的20nm-40nm闪存大多采用的是光刻技术。

　　其工艺制程越小，也就意味着NAND闪存所能存放的数据量越大。25nm制程的硅单元，比人体头发还要细3000倍。随着工艺制程的不断缩小，这些存储数据的硅单元之间的间隔也越来越小。由于间隔越来越薄，就会有更多的电子干扰或“noise”，造成数据错误，这就需要更为复杂的纠错码(ECC)。信噪比是指闪存控制器可读取的数据量与“noise”数据量的比值。

　　基于硬件的信号解码处理开销是比较高的，一些NAND闪存供应商配备了7.5%的备用区以用于ECC。增加ECC硬件解码功能，不仅进一步增加了系统开销，同时信噪比的提高也降低了NAND闪存的有效性。

　　有业内人士预测，NAND闪存工艺制程一旦低于10nm，就无法制造出更高密度、更大容量的产品，而相反，新的NVM介质将拥有更大的潜力。