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混合记忆体 NVDIMM 现身,用以填补 DRAM 与 NAND Flash 不足
发布时间:2016-07-20 文章来源:中国IC交易网

现行的电脑记忆体,存在着巨大的鸿沟。DRAM 读写资料的延迟,仅有数奈秒。而 NAND Flash 的延迟,却有数微秒,差距达 1,000~10,000 倍左右。为了弭平两者间的差距,新的技术,NVDIMM 发表!藉由结合 DRAM 以及 NAND Flash 的优点,填补记忆体科技的鸿沟。

电脑里面主要有两个重要的元件,分别为电脑处理器还有记忆体。电脑处理器就像是电脑的大脑一样,电脑运作速度的快慢,由电脑处理器的好坏决定。记忆体则像是电脑的记忆神经,越大的记忆体象征着电脑可以记下更多的资料;越快的记忆体,则影响着电脑的记忆速度的快慢。

在电脑领域中,Intel 共同创办者 Gordon E. Moore 所宣示的摩尔定律,如同产业的灯塔,指示着电脑处理器的效能的发展方向。在过去的 50 年里,电脑处理器的发展如同其预测,迅速的提升。然而,和处理器一样重要的记忆体,却没有享有快速成长。此外,部分运行快速的电脑记忆体,依旧具有断电资料便消失的特性。拖慢电脑的发展速度。

这个情形,就像是我们有很好的大脑,在短时间内可以想出很多东西,但是因为记忆力不好,所以需要额外花费相当大量的时间,将结果记录下来,拖慢工作效率。此外,断电资料便消失的特性,就像是睡个觉起来,前一天所做的东西便忘得一干二净。

因此,工程师开始将注意力移转到记忆体,想尽可能的改善记忆体善忘的问题,并提升电脑的储存速度。

现行的记忆体种类,DRAM 和 NAND Flash

在现行的电脑记忆体中,有两种主要的记忆体种类,分别为 DRAM 以及储存记忆体。

DRAM 拥有读取速度快的特性,因此,当电脑在运行时,新的资料都会先写入这个 DRAM,之后再由电脑执行的情况判断何时要将资料写进下一层的记忆体里面。然而,DRAM 却有当电脑断电后,资料会消失的缺点。

至于储存记忆体则有和 DRAM 截然不同的特性,储存记忆体中主要有两种,分别为 HDD 和 NAND Flash(如果不认识这两种记忆体的话,先前有分别介绍过 HDD 和 NAND Flash)。当电脑将资料存进此类记忆体之后,资料不会因电脑断电而消失,和 DRAM 有着截然不同的特性。

做为因应 DRAM 断电时资料会消失的特性,一些商用电脑会额外加上不断电系统。藉由安装这一套系统,当电脑断电时可以提供一段时间的电力,让电脑可以再多运行一段时间或是将资料储存起来。然而,如要安装不断电系统,需要额外的空间放这些电池,相当的不方便。此外,现行的不断电系统多采用锂电池做电源供应,但锂电池有使用的寿命限制,并非完美的解决方案。

因此,工程师最后想出比较好的解决方案。何不将 DRAM 和 NAND Flash 结合在一起?

NVDIMM,混合两者优点的解决方案

当我们将 DRAM 和 NAND Flash 的优点结合在一起,也就是让记忆体拥有和 DRAM 一样的读取时间,但是当断电时,资料却又不会消失。这将是相当优秀的记忆体解决方案,然而要如何才能制作出这个产品?

目前,NVDIMM 有 3 种方案,分别为 NVDIMM-N、NVDIMM-F、NVDIMM-P。 NVDIMM-F 是最单纯的应用,因为它没办法享有原本 DRAM 的读写时间,只是运行更快的储存记忆体。此外,现行的 NAND Flash 寿命无法和 DRAM 相比,频繁的更动记忆体有机会让 NAND Flash 在几个月内坏掉。因此,除非有新的记忆体科技投入商业应用,目前先不多做说明。

目前市场主流的产品为 NVDIMM-N,记忆体大厂如 SK 海力士,美光等皆有发表此类商品。它主要的运行方式是将 DRAM 和 NAND 放在同一张里。运作时,是以 DRAM 做资料储存,NAND Flash 则闲置于旁。因此,此种 NVDIMM 将拥有原本 DRAM 的效能。

当电脑断电时,将有额外的超级电容组供应电能。此外,因为 DRAM 和 NAND Flash 是共用控制器而且距离相当的近,NVDIMM 不需要相当多的电量,就能将所有资料从 DRAM 写至 NAND Flash。采用这个方案的优点便是电容的寿命比锂电池还要长,而且超级电容组的大小仅约 2.5 吋硬碟,大幅降低维护的成本较低以及节省空间。

在记忆体外面再额外将上一个超级电容,藉此供给 NVDIMM 在断电时,有充足的电力可以将资料从 DRAM 写进 NAND Flash。

闲置的 NAND Flash,该如何充分利用?

如果使用 NVDIMM-N,在平常运行的时候,NAND Flash 将静置,等待电断时的工作到来。然而,从商业的角度来看,这样相当的浪费资源。需要一份多余 NAND Flash 做备份。是否可以在平常就使用此块 NAND Flash 做主记忆体,并在断电时将重要的资料保存在 NAND Flash 里?

因此,NVDIMM-P 的想法因应而生。主要的想法,就是将整块记忆体当做系统的主记忆体,同时可以在 N 型和 F 型的 NVDIMM 做切换。或是,以电脑的系统做预测,推测出哪些资料是重要的,哪些不是。并在一开始便将重要资料写入 NAND Flash,如此,将能充分利用此类记忆体。

然而,目前记忆体规格制定组织 JEDEC,尚未有明确的 NVDIMM-P 的规范以及实作方法。毕竟 NVDIMM 的概念是这几年内提出的,难度较高的 P 型自然无法取得较好定义。同时,DRAM 和 NAND Flash 的效能差距过于庞大,如果将两者混合使用,在没有优良的软硬体协助下,将有可能导致硬体的储存效能大幅地低于 NVDIMM-N。

至于,NVDIMM 这个产品会怎么发展,要等到 3D Xpoint 等新型的记忆体正式在市场上贩售,再做讨论吧。毕竟 NVDIMM 的产品规格以及主要市场,和 3D Xpoint 有所重叠。此外,NVDIMM 内部的 NAND Flash 也可以 3D Xpoint 取代。接下来的走向将如何?不妨让子弹飞一会儿。