1.序言
基於非易失性內存（NVDIMM）的新一代內存條規格已經研制成功，其中集成了DRAM和非易失性存儲芯片，能夠在完全斷電的時候完整保存內存數據，並支持主內存在持久高速高性能計算上的應用。區別於普通內存，以雲動為代表的業界廠商將此代革命性的內存產品稱為超級內存。
2.超級內存發展背景
圖1.存儲器性能差異[1]
由圖1可以看出，主存儲器和HDD硬盤存儲器之間存在很大的性能差異，SSDs存儲技術雖然縮小了差異，但是差異依然存在，而數據密集型的應用需要快速的訪問存儲設備。
來自Viking的Adrian Proctor表示，SSD的速度比HDD硬盤快，但卻比DDR記憶體慢很多，此外DDR記憶體沒有Flash記憶體的寫入次數限制，耐久性是Flash記憶體的缺點所在。雖然業界已經大量投資研發新一代記憶體技術，但需要至少十年以上的時間，新記憶體技術才能獲得廣泛采用並建立起相應的產業生態系統。因此只有通過NVDIMM超級內存技術，整合DRAM、Flash等主流記憶體，才能解決對持久性、符合成本效益的非易失性內存解決方案不斷增長的需求。
3. 典型應用之WSP
全系統保護（whole system preservation），簡稱WSP。常規DDR3內存在異常掉電或者系統崩潰時會丟失數據，而某些資料庫環境是無法承受停機時間（downtime）的，如線上交易(online transaction)處理與金融服務；這些應用可受益於超級內存所提供的快速資料重建時間。
圖2.超級內存系統架構 圖3.超級內存塊狀圖
圖2為超級內存的系統架構，通過整合DRAM、Flash、智能系統控制器以及ultracapacitor電源模塊，超級內存可以提供一個高度穩定的存儲子系統。它既保留 了最快DRAM的低延遲和無讀寫次數限制特性，又獲得了Flash的數據長期保存特性。而采取超級電容作為供電設備，則避免了電池的環境污染，充電時間長，價格昂貴等缺點。超級內存的設計使其可以輕松插入符合行業標准的服務器和存儲平台的DIMM插槽，則無需在主板中為其留取安放位置，可以輕松擴展現有裝置的性能。
圖3為超級內存的塊狀圖，由圖可以看出超級內存工作分為常規操作、保存操作以及恢復操作等三個過程。系統上電后，HOST獲取上次是否異常掉電信息。如果上次為正常關機，則HOST正常啟動；否則HOST進入數據恢復狀態，並通知NVDIMM中控制模塊進行數據恢復，控制模塊先切換MUX，將DRAM的使用權從HOST切換給NVDIMM，然后將保存的數據從非易失性存儲中恢復到DRAM中。當恢復完成后，控制模塊切換MUX將DRAM的使用權切還給PC，然后喚醒PC，PC被喚醒后直接進入上次掉電時的工作狀態。當系統出現異常掉電時，超級電容（Super Cap）會代替正常工作電源，給整個電路進行供電（在下次系統上電時超級電容會通過接口電路自動充電）。NVDIMM控制模塊首先發送中斷給PC，通知PC進行掉電現場保護， PC將工作狀態等信息保存到DRAM后，發送命令通知NVDIMM的控制模塊，控制模塊收到后切換MUX，將DRAM的使用權從HOST切換給NVDIMM，然后將DRAM中的數據寫到非易失性存儲中。在常規操作中，NVDIMM被主機系統視為標准的JEDEC DRAM內存模塊。而從災難性的斷電事件中恢復原狀幾乎在瞬間即可完成，因為執行恢復操作只需幾秒並且超級電容充電時間只需幾分鍾[2]。
在雲技術發展日新月異的今天，虛擬化技術作為雲的核心技術，得到了廣泛的關注與創新。與此同時，作為雲服務運行的底層載體，虛擬機的數據安全與完整是目前急需解決的重要課題。虛擬機實質為軟件模擬的具有完整硬件系統功能的、運行在一個完全隔離環境中的完整計算機系統，也就意味着虛擬機的所有運行狀態都在內存中。NVDIMM可以利用虛擬機本身的快照功能，在系統異常情況下，迅速保護存儲在內存中的臨時快照，達到保護整個虛擬機的目的[3]。
4.其他應用及產品展示
| Best SSD vs. NVDIMM |
||
| 寫IOPS |
300,000 |
1,400,000(4.5倍) |
| 延遲 |
10ms |
10ns(1000倍) |
| 5年寫數據量(TB) |
29,000 |
2,800,000 |
| Cost/PB寫 |
$100 |
$0.4c(250倍) |
表1.超級內存的優勢
由表1可以看出，超級內存除了數據保護的功能以外，寫IOPS、延遲時間、寫數據量及每PB價格方面都有突出的優勢。隨着雲計算發展，數據存取速度（硬盤I/O）瓶頸尤為突出，超級內存的出現有望解決這一難題。此外，超級內存在磁盤緩存，存儲鏈[3]等領域也大有用武之地。
圖4.Viking超級內存 圖5.Windawn超級內存
圖4，圖5分別為國外廠商Viking和國內廠商雲動科技[4]推出的超級內存產品，二者均基於NVDIMM技術開發， 前者與Supermicro合作開發了x86 Servers中的服務器應用，可以為企業級OEM廠商和超大規模計算組織提供非常強大和安全的產品。后者為國內首家自主研發的超級內存產品，其控制模塊采用了SMBUS以及PCIE技術，調試方便，且無需額外的板級接口；其Flash大小可以任意定制，對於磁盤陣列應用很方便；其開發平台基於FPGA，可以擴展功能，如添加加密算法等。
5.相關產業支持
5.1 SNIA[5]
全球網路儲存產業協會(SNIA)已經成立了一個工作小組(SIG)，以推動非揮發性記憶體模組 NVDIMM 的采用。SINA是在1月底的年會中宣布成立NVIDIMM SIG，該工作小組隸屬於該產業協會的固態儲存倡議小組(Solid State Storage Initiative)，是一個開放社群，發起成員包括英特爾(Intel)、美光(Micron)、微軟(Microsoft)、三星(Samsung)、SK海力士(Hynic)、SMART Modular Technologies、Viking Technology、AgigA Tec、IDT、Inphi與Pericom等廠商。SINA正密切關注這種將對運算裝置架構帶來大幅改變的趨勢，讓產業界能在新技術誕生時做好准備。
5.2 Intel
英特爾的下一代Haswell-E 平台預定在2014年第二季度發布，屆時將會第一次發布8核心處理器（自6核心CPU發布以來最大的飛躍）。英特爾將會為Haswell-E處理器推出新的Wellsburg 芯片組，其中最大的改進就是支持2133MHz的DDR4內存，Wellsburg 芯片組還會有一系列的新的接口。由於有更高的頻率支持，DDR4內存將比上一代內存有50%的性能提升。新的芯片組支持1.2V的DDR4低內存電壓，有288個DIMM觸點(上一代為284個)，新增加的4個觸點是為了支持NVDIMM模塊。好消息是無論288針或者284針內存都能用在288針和284針接口的主板上[6]。
英特爾公司表示，處理器架構和歸檔系統將需要進行戲劇性的重新設計，用以利用即將到來的非易失性內存技術。英特爾首席技術官Justin Rattner告訴記者：“當閃存的替代品主導市場時，芯片制造商和歸檔系統設計師需要改變他們的技術去利用這種新類型的存儲器所提供的低延遲。”他表示：“我相當確信非易失性技術將取代閃存並讓非易失性內存更加接近計算的位置，顯著降低延遲。架構顯然必須對此作出反應和應對。” [7]
6.參考文獻
[1]. http://www.vikingtechnology.com/
[2]. http://finance.jrj.com.cn/biz/2012/11/16105714686753.shtml
[4]. http://www.windawn.com/default.aspx for contact info nvm@windawn.com
[5]. http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1320947&#msgs
[6]. http://www.inpai.com.cn/doc/hard/195791_-3.htm
[7]. http://www.enet.com.cn/article/2012/1017/A20121017176282.shtml