富士通首席技術(shù)官Dr Joseph Reger

閃存僅僅是我們發(fā)展內(nèi)存存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)中間站——富士通首席技術(shù)官Joseph Reger博士近日提出了這個(gè)觀點(diǎn)。

按照富士通科技解決方案的首席技術(shù)官Joseph Reger博士的說(shuō)法，閃存目前正面臨一些無(wú)法解決的問(wèn)題。他表示，閃存的密度正在不斷增加，但是這是以犧牲讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)的能力換來(lái)的。隨著制造工藝的提高，閃存的耐久性正呈反比地下降，比如，當(dāng)MLC多層單元閃存的數(shù)量級(jí)從2-bit到3-bit再到4-bit，其耐久性卻是1/2到1/3再到1/4的下降，他們正面臨速度和耐久性的矛盾。

閃存——注定只是過(guò)客？

盡管在此之前，eBay已經(jīng)將傳統(tǒng)的存儲(chǔ)陣列中大約100T的機(jī)械硬盤(pán)更換為SSD固態(tài)硬盤(pán)，同時(shí)帶來(lái)的效果也是顯著的——其存儲(chǔ)機(jī)架空間減少了50%，功耗下降了78%，I/O性能提升了5倍，部署一個(gè)新虛擬機(jī)的速度提高到5分鐘，而在以前這需要45分鐘。

但是這一切，在Reger看來(lái)是不夠的。

“你可以將控制芯片變得智能，比如SandForce公司就做得不錯(cuò)。但這也沒(méi)有根本解決問(wèn)題，只是表面解決了問(wèn)題，閃存不是終點(diǎn)而只是一個(gè)中間階段。”Reger表示，隨著時(shí)間的推移，閃存技術(shù)將成為歷史。我們需要另外探索一組新的技術(shù)，以得到一個(gè)存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)中的新存儲(chǔ)層。

在Reger看來(lái)，理想的存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)為——從一種類(lèi)型跨越到另一種類(lèi)型時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)速度應(yīng)成數(shù)量級(jí)的躍升。時(shí)間上來(lái)看，相比于其他競(jìng)爭(zhēng)者（如HP的Memristor技術(shù)），PCM（相變存儲(chǔ)Phase Change Memory）才是最能夠代表下一代存儲(chǔ)趨勢(shì)的技術(shù)。

SandForce SSD控制芯片

值得注意的是，如果閃存最終被諸如相變內(nèi)存和其他存儲(chǔ)技術(shù)所替代，那么如SandForce和Anobit這些專(zhuān)注于閃存存儲(chǔ)技術(shù)的科技創(chuàng)業(yè)公司將陷入困境。他們的技術(shù)解決了目前閃存存儲(chǔ)面臨的一些問(wèn)題，但如果閃存技術(shù)被淘汰那他們的技術(shù)也將不再具有價(jià)值。

此外，盡管現(xiàn)在所有的閃存陣列都代表頂尖的優(yōu)化技術(shù)并且會(huì)蓬勃發(fā)展一段時(shí)間，但現(xiàn)今它們存在著大規(guī)模共享的問(wèn)題。如果我們面對(duì)龐大規(guī)模的SAN和NAS組成的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)時(shí)，閃存存儲(chǔ)并不是這些應(yīng)用的最佳選擇。

PCM才是未來(lái)？

1960年，美國(guó)發(fā)明家Stanford Ovshinsky博士發(fā)現(xiàn)了一些玻璃在相變時(shí)電阻也會(huì)發(fā)生變化，而這種電阻變化是可逆的；幾年后，他又發(fā)現(xiàn)一些材料在表現(xiàn)為不同的相時(shí)，對(duì)激光的反射率也有不同。這些發(fā)現(xiàn)意味著人們可以通過(guò)電流或者激光來(lái)測(cè)出物質(zhì)的相，也帶來(lái)了存儲(chǔ)設(shè)備開(kāi)發(fā)的新思路——這就是相變內(nèi)存。

現(xiàn)在相變存儲(chǔ)器的通用設(shè)計(jì)是把一層GST夾在頂端電極與底端電極之間，并且由底端電極延伸出的加熱電阻接觸GST層。電流注入加熱電阻與GST的連接點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)引起相變，相變后的材料性質(zhì)由電流、電壓和時(shí)間決定，可以用較強(qiáng)的電流寫(xiě)入，用較弱的電流讀取。

這種存儲(chǔ)裝置有許多優(yōu)勢(shì)。它的使用壽命達(dá)到1000萬(wàn)次寫(xiě)入周期，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于企業(yè)級(jí)閃存芯片的3萬(wàn)次；它可以存儲(chǔ)的最小單位是1位，這也是人們用來(lái)計(jì)量數(shù)據(jù)的最小單位。它不像內(nèi)存那樣需要持續(xù)的電流供應(yīng)才不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，讀取和寫(xiě)入的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)閃存，而帶寬卻能夠與內(nèi)存媲美。無(wú)論怎么看，它都像是人們想要的那種存儲(chǔ)設(shè)備。

但是，目前依然還有困擾著相變存儲(chǔ)器發(fā)展的問(wèn)題：它的每個(gè)存儲(chǔ)單元只能存儲(chǔ)一位，成本不低而容量不高，目前只是小規(guī)模地適用于手機(jī)上，還不適合用于計(jì)算機(jī)。

全閃存陣列

NAND工藝和時(shí)間對(duì)照表

再來(lái)看看目前的閃存，像Nimbus、Violin和華為賽門(mén)鐵克等廠(chǎng)商全閃存陣列產(chǎn)品的目的是為磁盤(pán)密集型I/O應(yīng)用提供服務(wù)。閃存的控制芯片經(jīng)過(guò)軟件優(yōu)化。當(dāng)然，硬盤(pán)存儲(chǔ)控制器也會(huì)做軟件優(yōu)化。但是，這兩個(gè)代碼堆將帶來(lái)全閃存陣列和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器陣列的管理問(wèn)題。比如這意味著需要某種位于閃存陣列和硬盤(pán)陣列的之上的抽象層，每個(gè)類(lèi)型的存儲(chǔ)細(xì)節(jié)在堆棧中是隱藏的。

海量的固態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

對(duì)于閃存未來(lái)，我們的看法是，全閃存陣列的優(yōu)勢(shì)將帶來(lái)閃存陣列的操作和管理以及磁盤(pán)陣列的操作和管理之間的矛盾。每一次制程的減小和單元級(jí)位數(shù)的增加都會(huì)帶來(lái)閃存耐用性、速度和錯(cuò)誤處理的新問(wèn)題。但這有益于大規(guī)模閃存陣列未來(lái)的發(fā)展，大到足以容納整個(gè)應(yīng)用程序及其數(shù)據(jù)在內(nèi)存之中。

例如陣列中有一個(gè)潛在硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，由于沒(méi)有要求寫(xiě)入數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)，這將帶來(lái)一個(gè)新的矛盾。此外由于這些數(shù)據(jù)是非重要性的內(nèi)容，還需要將內(nèi)容復(fù)制到磁盤(pán)嗎？也許答案是肯定的，因?yàn)殚W存和固態(tài)存儲(chǔ)將替代在線(xiàn)存儲(chǔ)，磁盤(pán)則作為近線(xiàn)存儲(chǔ)和離線(xiàn)的存儲(chǔ)庫(kù)。磁盤(pán)的成本優(yōu)勢(shì)是無(wú)與倫比的。

大型閃存陣列開(kāi)啟了內(nèi)存架構(gòu)的大門(mén)，這將堅(jiān)定未來(lái)會(huì)有一種技術(shù)取代閃存，無(wú)論是那種。沒(méi)有永久不變的技術(shù)，閃存技術(shù)為固態(tài)存儲(chǔ)和非易失性技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，并在未來(lái)有可能徹底改變我們處理、管理和保護(hù)大量數(shù)據(jù)的方式。

未來(lái)依然是混合的存儲(chǔ)介質(zhì)

Reger正在關(guān)注一種即將到來(lái)的新的存儲(chǔ)體系架構(gòu)和類(lèi)似用途的數(shù)據(jù)庫(kù)。如何對(duì)待數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)成為了我們的挑戰(zhàn)。不需要使用以磁盤(pán)訪(fǎng)問(wèn)為基礎(chǔ)的技術(shù)思想，例如分頁(yè)，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)可能在此方面更加智能。

在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們可以簡(jiǎn)單的信任我們放入服務(wù)器中的內(nèi)存，因?yàn)橐磺卸伎梢栽趦?nèi)存中？試想當(dāng)擁有2TB的內(nèi)存時(shí)，這對(duì)于內(nèi)存管理和存儲(chǔ)管理又意味著什么？

如果一切都被重寫(xiě)，并重新策劃與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器管理的工作。有效的存儲(chǔ)層將只有一個(gè)？或內(nèi)存的某種形式？

目前，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并不意味著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，未來(lái)會(huì)不會(huì)有改變？畢竟，存儲(chǔ)的發(fā)明是為了克服內(nèi)存大小的限制。如果內(nèi)存的大小的限制被打破那么還會(huì)有人需要存儲(chǔ)嗎？

Reger認(rèn)為，未來(lái)的系統(tǒng)架構(gòu)將會(huì)以數(shù)據(jù)為方向而不是內(nèi)存和存儲(chǔ)，但就目前來(lái)看還是遙不可及的。他認(rèn)為，未來(lái)幾年閃存并不會(huì)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)完全替代傳統(tǒng)存儲(chǔ)。但可能會(huì)占據(jù)很大的比例。并用在某些重要的環(huán)境。例如需要很高的IOPS(Input/Output Operations Per Second)或要求高效能源的地方。

他估計(jì)閃存的能效要比傳統(tǒng)硬盤(pán)高3個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著在IOPS/瓦上高出2個(gè)數(shù)量級(jí)，PCM則要高出更多。但即便如此，在未來(lái)10年中傳統(tǒng)硬盤(pán)仍然不會(huì)消失。