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至强秘笈 | 英特尔® 傲腾™ 持久内存:重构计算系统的“社区图书馆”

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精彩导读:
与DRAM内存相比,英特尔® 傲腾™ 持久内存不但提供相近的性能,还具备更高的容量和性价比,且有非易失性、按字节寻址等独到优势;快手在推荐系统存储升级中借它降低TCO达30%,将故障恢复用时缩短达百倍;

宁德时代MES系统利用它将落盘速度提升到原来的6.2倍,将系统重启耗时从数十分钟缩短至5-10分钟。

传统上,在一个计算系统中,贴近计算的数据(热数据)和远离计算的数据(温、冷数据)被分别“安置”在易失性的处理器缓存和DRAM内存,以及拥有数据持久性的固态盘和硬盘中。在全球数据规模呈几何级增长的背景下,在所有用户都急切盼望重构存储介质或设备之间的层级关系,以提升数据处理效率之际,这个传统的内存-存储架构正变得十分脆弱。问题到底出在哪里了呢?如图一所示,如果我们把系统读写、处理数据的过程比作资料书籍的查询或调阅,处理器内的寄存器和高速缓存就像是家中的书桌和书柜,书桌上摆着的数据无疑唾手可得,可只有几页纸或几本书的容纳量;书柜里的资料书籍数量更多些,但取用的耗时也略长一些。

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图一 用书的存放和查找做例子,来理解不同存储层级的特点
到了DRAM内存这一级,情况就会发生一些变化,因为它已不再是处理器硅片上集成的存储部件了,但又是其他存储部件或设备中距离处理器最近的,因此更像是离家较近的社区图书馆,收藏的书籍或资料要比家里丰富得多,但要去找书查资料,就得出家门(延时更长)、携带量也受限(数据传输性能也低一些)。转遍了社区图书馆,所需的书或资料还没找到的话,就不得不长途跋涉前往固态盘和硬盘了。这两种存储设备或介质与处理器内的寄存器、缓存,还有刚刚提及的内存更加不同,它们就好比大型的城市级甚至是国家级的图书馆,存放的数据资料可谓浩如烟海,但更倾向于容量的设计目标也使得它们在性能表现上有更多牺牲,因此拜访一次的耗时不菲且能取回的数据量更为受限。

上述的类比,就是传统内存-存储架构的形象体现,如果要有更精确的印象,不妨看看表一基于不同存储层级的真实性能和延时数据所做的比较。从中我们不难发现,醒目的性能鸿沟或者说缺口正夹在DRAM内存和固态盘/硬盘之间,其差距足有千倍以上。

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表一 不同存储介质的延时速度类比
由此,要理解内存计算或内存数据库技术的缘起,也就是件自然而然的事儿了——毕竟处理器硅片上寸土寸金,功耗上也有更多限制,因此大幅扩展缓存容量的设计,往往会因此让步给增添全新计算单元或集成更多周边组件的想法,而尽可能扩展内存容量,并将更多热数据存入其中就成了加速数据分析和处理的有效途径,同时也是在成本上更容易让人承受的法子。这就像自家的房子不可能为了容纳超大的书桌和书房而动辄盖成数百或上千平米之大,但把离家最近的社区图书馆扩建一下,则是更加实惠、也利人利已的做法。然而,计划再好,也经常赶不上变化。随着移动互联网和互联网时代的到来,也随着海量数据处理技术的成熟,DRAM内存在容量和成本上也开始不敷应用。以现在很多APP背后常用的推荐系统为例:其核心的分布式索引系统为了应对高并发需求,通常需要基于内存数据库构建,而且对于承载这个数据库的内存的容量要求也越来越高,过去上百或几百GB就能满足,现在则恨不能以TB起步。然而要构建这样的内存系统,DRAM内存普遍单条128GB的容量是很难实现的,而且即使计算系统提供了更多内存通道和更多内存插槽,DRAM内存高昂的价格,也会让人望而却步。

因此,不论是最终用户,还是IT厂商,都认为在DRAM内存和固态盘/硬盘之间亟需开发一种全新的存储部件或设备,来解决DRAM内存在容量和成本上面临的两难局面,并满足更大内存数据库的构建需求。

英特尔® 傲腾™ 持久内存就是英特尔针对上述需求推出的创新产品,其创新的3D XPoint™ 存储介质,与先进的内存控制器和其它软硬件技术相结合,使其在性能上接近DRAM内存,在容量上又能有数倍的提升。它的出现,如图三所示,填补了内存与传统存储间的缺口,也颠覆了传统的内存-存储架构。用它来扩建扮演社区图书馆角色的内存系统,不但容量上更易达标(单条容量可达512GB),造价也能较易承受。

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图三 英特尔® 傲腾™ 持久内存填补DRAM内存与固态盘/硬盘之间的缺口
选用英特尔® 傲腾™ 持久内存,还有两个附带收获,即可按字节寻址和数据持久性。前者针对的是固态盘和硬盘常用的按块读写机制,这种机制就如同去图书馆借书时,必须要把放置着目标书籍的书架上的所有书都背回家再做分拣,而按字节寻址则能精准定位目标书籍的位置,并仅仅将其借出拿走。数据持久性则是对DRAM内存先天不足的补全,即在断电后依然能保留数据,这就让大体量的内存数据库在计算系统出现计划内或计划外停机时,重启及恢复服务的速度大大加快,毕竟中间节省了把数百GB,甚至是TB级数据从固态盘或硬盘上读回内存的耗时。英特尔® 傲腾™ 持久内存这种种应用优势,绝非纸上谈兵。以互联网行业的快手为例,它就用英特尔® 傲腾™ 持久内存升级了推荐系统的存储系统,在满足性能要求之余,使其TCO降低了30%,故障恢复用时也获得高达百倍的缩短[1]

再以正积极推进制造业数字化和智能化转型的宁德时代为例,其基于内存数据库的制造执行系统(MES)导入英特尔® 傲腾™ 持久内存后,数据落盘速度提升到原来的6.2倍,系统重启的耗时也从原来的数十分钟缩短至5-10分钟[2],这就让该系统能够以更优的效率响应生产的实时数据处理需求,并为产能的快速扩展提供更可靠的保障。

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图四 宁德时代MES Data Merge性能采用英特尔® 傲腾™ 持久内存前后的性能对比

[1]  如欲了解快手案例的更多细节,请访问:https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/architecture-and-technology/kuaishou-recommendation-system-and-redis-services-storage-upgrade.html

[2]  如欲了解宁德时代案例的更多细节,请访问:

https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/customer-spotlight/stories/catl-customer-story.html

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