非易失内存技术NVDIMM

从技术的角度来看，NAND Flash闪存介质虽然存在擦写次数寿命的问题，但是，配合软件算法、系统级的数据保护技术，NAND Flash的寿命问题变得不再是一个棘手的问题，而NAND Flash更多的优势成为该项技术向前推进的重要动力。采用NAND Flash构建的SSD正快速的替代传统磁盘，已经大面积的在互联网领域得到应用，并且不断向对数据可靠性有要求的企业级市场***。

 

SSD和传统磁盘相比有几个非常独特的特性。第一个特点就是SSD的具有非常好的读写性能，特别在随机读写性能方面远远超过传统磁盘；第二，SSD具有很高的存储密度，在单位体积内，SSD的存储密度要高于传统磁盘，今年很多厂商的2.5寸单盘SSD容量可以达到8GB，超过了相同体积磁盘的容量；第三，SSD在数据可靠性方面具有更好的可控性，NAND Flash的存储介质使用寿命是可控、可预测的，所以，SSD可以通过系统级别应用软件将存储介质使用寿命和数据特征结合起来，使得用户的数据可靠性达到最佳。在磁盘上面，对存储介质的使用寿命预测是十分困难的；第四，SSD是半导体存储，随着市场规模的推进，SSD本身的价格会远远低于磁盘，虽然目前SSD的价格高于磁盘，但其价格下降的幅度远高于磁盘，未来SSD的价格低于磁盘是毫无悬念的。

 

和传统磁盘相比，SSD在性能方面再一次逼近CPU，使得计算机体系结构中的性能剪刀差变得越来越小。但是，和DRAM内存技术相比，SSD还存在一定的性能差距。CPU在访问Cache（SRAM）的时候，存在ns级别的访问延迟；访问内存（DRAM）的时候，存在10ns级别的访问延迟；但是，在访问SSD的时候，会存在10us级别的访问延迟。虽然比磁盘的ms级别访问延迟降低了一个数量级，但是，SSD和DRAM访问延迟还存在一个数量级的性能差距。如何减小这个性能差距是业界需要考虑的一个问题。

 

从目前的技术发展来看，NVDIMM正好弥补了SSD和DRAM之间的性能差距。NVDIMM这项技术将NAND Flash、DRAM和超级电容技术进行了结合，充分利用了DRAM的高性能、NAND Flash的高效数据持久化以及超级电容的高能效。从技术的角度来看，NVDIMM似乎没有太多的创新，其技术思路是当内存（DRAM）突然断电的情况下，在超级电容的电源续航能力的作用下，NVDIMM上的处理单元将DRAM中的数据迁移到NAND Flash中，这样就可以保证即使在突然断电的情况下，NVDIMM也可以保证数据的不丢失，从而达到了内存数据非易失的目的。通常来讲，一个NVDIMM的产品形态如下图所示，由一个与普通内存条大小相同的存储卡和超级电容组成。

这种非易失内存是存储领域一直在寻找的一种存储介质。在NVDIMM产品没有出现的时候，通常采用UPS的方式保护内存数据，或者采用PCI-NVRAM的方式保护关键数据。在存储产品中，PCI-NVRAM使用的比较多，其产品技术原理和NVDIMM类似，区别在于PCI-NVRAM是基于PCI/PCIe总线的，并且采用电池对掉电数据进行保护。一旦掉电之后，PCI-NVRAM可以将数据刷新到Flash，或者依赖电池的续航能力，保证板载DRAM中的数据不丢。和原有非易失内存方案相比，NVDIMM抛弃了笨重的电池，并且直接封装成内存条的产品形态，比PCI-NVRAM具有更好的性能、更低的延迟。具体的关于NVDIMM和NVRAM之类产品技术的比较如下图所示：

NVDIMM无疑是对PCI-NVRAM之类产品的巨大冲击，在可见的未来会在非易失内存方面独占鳌头，其未来直接的竞争对手应该是MRAM存储介质。NVDIMM的不足之处是存储容量比较小，但是具有和DRAM相同的访问性能，下图是NVDIMM和SSD之间的性能对比。在数据随机访问性能上，NVDIMM是PCIe SSD性能的2倍以上；在数据访问延迟方面，NVDIMM的性能比PCIe SSD提高了1000倍以上。

由于NVDIMM具有数据非易失的特性，因此，可以作为SSD之上的一个持久化数据存储层，通过NVDIMM和SSD之间的配合，在系统级别使得数据存储性能、数据可靠性、使用寿命达到最佳。当闪存技术不断向前推进的今天，我们可以看到真正的数据缓存层在NVDIMM，大容量数据主存储在SSD，异质备份在磁盘、磁带以及未来的TLC半导体介质。今天，Intel已经在Haswell处理器上实现了对NVDIMM的技术支持，随着服务器厂商不断参与到NVDIMM生态圈，NVDIMM在存储、服务器中的大规模应用指日可待。