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闪存在10年后将替代固态硬盘成为可能?

按照富士通科技解决方案的首席技术官Joseph Reger博士的说法,闪存目前正面临一些无法解决的问题。他表示,闪存的密度正在不断增加,但是这是以牺牲读取和写入数据的能力换来的。随着制造工艺的提高,闪存的耐久性正呈反比地下降,比如,当MLC多层单元闪存的数量级从2-bit到3-bit再到4-bit,其耐久性却是1/2到1/3再到1/4的下降,他们正面临速度和耐久性的矛盾。

尽管在此之前,eBay已经将传统的存储阵列中大约100T的机械硬盘更换为SSD固态硬盘,同时带来的效果也是显著的——其存储机架空间减少了50%,功耗下降了78%,I/O性能提升了5倍,部署一个新虚拟机的速度提高到5分钟,而在以前这需要45分钟。

但是这一切,在Reger看来是不够的。

“你可以将控制芯片变得智能,比如SandForce公司就做得不错。但这也没有根本解决问题,只是表面解决了问题,闪存不是终点而只是一个中间阶段。”Reger表示,随着时间的推移,闪存技术将成为历史。我们需要另外探索一组新的技术,以得到一个存储层次结构中的新存储层。

在Reger看来,理想的存储层次结构应当为——从一种类型跨越到另一种类型时,访问速度应成数量级的跃升。时间上来看,相比于其他竞争者(如HP的Memristor技术),PCM(相变存储Phase Change Memory)才是最能够代表下一代存储趋势的技术。

富士通首席技术官Dr Joseph Reger

闪存仅仅是我们发展内存存储体系结构的一个中间站——富士通首席技术官Joseph Reger博士近日提出了这个观点。


SandForce SSD控制芯片

值得注意的是,如果闪存最终被诸如相变内存和其他存储技术所替代,那么如SandForce和Anobit这些专注于闪存存储技术的科技创业公司将陷入困境。他们的技术解决了目前闪存存储面临的一些问题,但如果闪存技术被淘汰那他们的技术也将不再具有价值。

此外,尽管现在所有的闪存阵列都代表顶尖的优化技术并且会蓬勃发展一段时间,但现今它们存在着大规模共享的问题。如果我们面对庞大规模的SAN和NAS组成的数据仓库时,闪存存储并不是这些应用的最佳选择。

PCM才是未来?

1960年,美国发明家Stanford Ovshinsky博士发现了一些玻璃在相变时电阻也会发生变化,而这种电阻变化是可逆的;几年后,他又发现一些材料在表现为不同的相时,对激光的反射率也有不同。这些发现意味着人们可以通过电流或者激光来测出物质的相,也带来了存储设备开发的新思路——这就是相变内存。

现在相变存储器的通用设计是把一层GST夹在顶端电极与底端电极之间,并且由底端电极延伸出的加热电阻接触GST层。电流注入加热电阻与GST的连接点时,产生的热量会引起相变,相变后的材料性质由电流、电压和时间决定,可以用较强的电流写入,用较弱的电流读取。

这种存储装置有许多优势。它的使用寿命达到1000万次写入周期,远远高于企业级闪存芯片的3万次;它可以存储的最小单位是1位,这也是人们用来计量数据的最小单位。它不像内存那样需要持续的电流供应才不会丢失数据,读取和写入的速度远远超过闪存,而带宽却能够与内存媲美。无论怎么看,它都像是人们想要的那种存储设备。

但是,目前依然还有困扰着相变存储器发展的问题:它的每个存储单元只能存储一位,成本不低而容量不高,目前只是小规模地适用于手机上,还不适合用于计算机。

全闪存阵列

未来依然是混合的存储介质

Reger正在关注一种即将到来的新的存储体系架构和类似用途的数据库。如何对待数据访问成为了我们的挑战。不需要使用以磁盘访问为基础的技术思想,例如分页,内存数据库可能在此方面更加智能。

在不远的将来,我们可以简单的信任我们放入服务器中的内存,因为一切都可以在内存中?试想当拥有2TB的内存时,这对于内存管理和存储管理又意味着什么?

如果一切都被重写,并重新策划与数据存储器管理的工作。有效的存储层将只有一个?或内存的某种形式?

他估计闪存的能效要比传统硬盘高3个数量级,这意味着在IOPS/瓦上高出2个数量级,PCM则要高出更多。但即便如此,在未来10年中传统硬盘仍然不会消失。

目前,数据存储并不意味着数据存储在内存中,未来会不会有改变?毕竟,存储的发明是为了克服内存大小的限制。如果内存的大小的限制被打破那么还会有人需要存储吗?

Reger认为,未来的系统架构将会以数据为方向而不是内存和存储,但就目前来看还是遥不可及的。他认为,未来几年闪存并不会在数据中心内完全替代传统存储。但可能会占据很大的比例。并用在某些重要的环境。例如需要很高的IOPS(Input/Output Operations Per Second)或要求高效能源的地方。

 NAND工艺和时间对照表

再来看看目前的闪存,像Nimbus、Violin和华为赛门铁克等厂商全闪存阵列产品的目的是为磁盘密集型I/O应用提供服务。闪存的控制芯片经过软件优化。当然,硬盘存储控制器也会做软件优化。但是,这两个代码堆将带来全闪存阵列和硬盘驱动器阵列的管理问题。比如这意味着需要某种位于闪存阵列和硬盘阵列的之上的抽象层,每个类型的存储细节在堆栈中是隐藏的。

海量的固态数据存储

对于闪存未来,我们的看法是,全闪存阵列的优势将带来闪存阵列的操作和管理以及磁盘阵列的操作和管理之间的矛盾。每一次制程的减小和单元级位数的增加都会带来闪存耐用性、速度和错误处理的新问题。但这有益于大规模闪存阵列未来的发展,大到足以容纳整个应用程序及其数据在内存之中。

例如阵列中有一个潜在硬盘驱动器结构,由于没有要求写入数据和读取数据,这将带来一个新的矛盾。此外由于这些数据是非重要性的内容,还需要将内容复制到磁盘吗?也许答案是肯定的,因为闪存和固态存储将替代在线存储,磁盘则作为近线存储和离线的存储库。磁盘的成本优势是无与伦比的。

大型闪存阵列开启了内存架构的大门,这将坚定未来会有一种技术取代闪存,无论是那种。没有永久不变的技术,闪存技术为固态存储和非易失性技术奠定了基础,并在未来有可能彻底改变我们处理、管理和保护大量数据的方式。


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