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5270aa37c8ad5001602db5a277cbf521 現行的電腦記憶體,存在著巨大的鴻溝。DRAM 讀寫資料的延遲,僅有數奈秒。而 NAND Flash 的延遲,卻有數微秒,差距達 1,000~10,000 倍左右。為了弭平兩者間的差距,新的技術,NVDIMM 發表!藉由結合 DRAM 以及 NAND Flash 的優點,填補記憶體科技的鴻溝。

電腦裡面主要有兩個重要的元件,分別為電腦處理器還有記憶體。電腦處理器就像是電腦的大腦一樣,電腦運作速度的快慢,由電腦處理器的好壞決定。記憶體則像是電腦的記憶神經,越大的記憶體象徵著電腦可以記下更多的資料;越快的記憶體,則影響著電腦的記憶速度的快慢。

在 電腦領域中,Intel 共同創辦者 Gordon E. Moore 所宣示的摩爾定律,如同產業的燈塔,指示著電腦處理器的效能的發展方向。在過去的 50 年裡,電腦處理器的發展如同其預測,迅速的提升。然而,和處理器一樣重要的記憶體,卻沒有享有快速成長。此外,部分運行快速的電腦記憶體,依舊具有斷電資 料便消失的特性。拖慢電腦的發展速度。

這個情形,就像是我們有很好的大腦,在短時間內可以想出很多東西,但是因為記憶力不好,所以需要額外花費相當大量的時間,將結果記錄下來,拖慢工作效率。此外,斷電資料便消失的特性,就像是睡個覺起來,前一天所做的東西便忘得一乾二淨。

因此,工程師開始將注意力移轉到記憶體,想盡可能的改善記憶體善忘的問題,並提升電腦的儲存速度。

 

現行的記憶體種類,DRAM 和 NAND Flash

在現行的電腦記憶體中,有兩種主要的記憶體種類,分別為 DRAM 以及儲存記憶體。

DRAM 擁有讀取速度快的特性,因此,當電腦在運行時,新的資料都會先寫入這個 DRAM,之後再由電腦執行的情況判斷何時要將資料寫進下一層的記憶體裡面。然而,DRAM 卻有當電腦斷電後,資料會消失的缺點。

至於儲存記憶體則有和 DRAM 截然不同的特性,儲存記憶體中主要有兩種,分別為 HDD 和 NAND Flash(如果不認識這兩種記憶體的話,先前有分別介紹過 HDD 和 NAND Flash)。當電腦將資料存進此類記憶體之後,資料不會因電腦斷電而消失,和 DRAM 有著截然不同的特性。

NAND Flash 已經漸漸地成為市場的主流,下表是 DRAM 和 NAND Flash 的比較。

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做 為因應 DRAM 斷電時資料會消失的特性,一些商用電腦會額外加上不斷電系統。藉由安裝這一套系統,當電腦斷電時可以提供一段時間的電力,讓電腦可以再多運行一段時間或是 將資料儲存起來。然而,如要安裝不斷電系統,需要額外的空間放這些電池,相當的不方便。此外,現行的不斷電系統多採用鋰電池做電源供應,但鋰電池有使用的 壽命限制,並非完美的解決方案。

因此,工程師最後想出比較好的解決方案。何不將 DRAM 和 NAND Flash 結合在一起?

 

NVDIMM,混合兩者優點的解決方案

當我們將 DRAM 和 NAND Flash 的優點結合在一起,也就是讓記憶體擁有和 DRAM 一樣的讀取時間,但是當斷電時,資料卻又不會消失。這將是相當優秀的記憶體解決方案,然而要如何才能製作出這個產品?

目前,NVDIMM 有 3 種方案,分別為 NVDIMM-N、NVDIMM-F、NVDIMM-P。這三者規格如下:

外稿

從 表格中可以清楚地知道 NVDIMM-F 是最單純的應用,因為它沒辦法享有原本 DRAM 的讀寫時間,只是運行更快的儲存記憶體。此外,現行的 NAND Flash 壽命無法和 DRAM 相比,頻繁的更動記憶體有機會讓 NAND Flash 在幾個月內壞掉。因此,除非有新的記憶體科技投入商業應用,目前先不多做說明。

目前市場主流的產品為 NVDIMM-N,記憶體大廠如 SK 海力士,美光等皆有發表此類商品。它主要的運行方式是將 DRAM 和 NAND 放在同一張裡。運作時,是以 DRAM 做資料儲存,NAND Flash 則閒置於旁。因此,此種 NVDIMM 將擁有原本 DRAM 的效能。

當電腦斷電時,將有額外的超級電容組供應電能。此 外,因為 DRAM 和 NAND Flash 是共用控制器而且距離相當的近,NVDIMM 不需要相當多的電量,就能將所有資料從 DRAM 寫至 NAND Flash。採用這個方案的優點便是電容的壽命比鋰電池還要長,而且超級電容組的大小僅約 2.5 吋硬碟,大幅降低維護的成本較低以及節省空間。

外稿

▲ 從上圖可以看到在記憶體外面再額外將上一個超級電容,藉此供給 NVDIMM 在斷電時,有充足的電力可以將資料從 DRAM 寫進 NAND Flash。(Source:JEDEC

閒置的 NAND Flash,該如何充分利用?

如 果使用 NVDIMM-N,在平常運行的時候,NAND Flash 將靜置,等待電斷時的工作到來。然而,從商業的角度來看,這樣相當的浪費資源。需要一份多餘 NAND Flash 做備份。是否可以在平常就使用此塊 NAND Flash 做主記憶體,並在斷電時將重要的資料保存在 NAND Flash 裡?

因此,NVDIMM-P 的想法因應而生。主要的想法,就是將整塊記憶體當做系統的主記憶體,同時可以在 N 型和 F 型的 NVDIMM 做切換。或是,以電腦的系統做預測,推測出哪些資料是重要的,哪些不是。並在一開始便將重要資料寫入 NAND Flash,如此,將能充分利用此類記憶體。

然而,目前記憶體規格制定組織 JEDEC,尚未有明確的 NVDIMM-P 的規範以及實作方法。畢竟 NVDIMM 的概念是這幾年內提出的,難度較高的 P 型自然無法取得較好定義。同時,DRAM 和 NAND Flash 的效能差距過於龐大,如果將兩者混合使用,在沒有優良的軟硬體協助下,將有可能導致硬體的儲存效能大幅地低於 NVDIMM-N。

至 於,NVDIMM 這個產品會怎麼發展,要等到 3D Xpoint 等新型的記憶體正式在市場上販售,再做討論吧。畢竟 NVDIMM 的產品規格以及主要市場,和 3D Xpoint 有所重疊。此外,NVDIMM 內部的 NAND Flash 也可以 3D Xpoint 取代。接下來的走向將如何?不妨讓子彈飛一會兒。

 

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