新型存儲介質對數據管理的影響

新型存儲介質概述

相變存儲器(PCM)是一類運用物質的可逆性相位改變來儲存信息的新型非易失性存儲器設備，相變存儲器 PCM 融合了閃存、RAM以及非易失性存儲器的優點。幾種存儲介質的指標對比如下[1]：

PCM有以下特性：

1.非易失性：?與NOR閃存和NAND閃存一樣,PCM 是非易失(Non-volatile)的存儲介質,這就使得 PCM 可以不需要像RAM一樣使用電池來維持信息。

2. 讀取速度高：?和DRAM一樣,相變存儲技術尤以隨機訪問性能高而見長”它可直接從存儲器執行代碼。PCM的讀取延遲比閃存縮短1到2個數量級,而讀取帶寬可與DRAM媲美，而NAND閃存隨機存儲時間長達幾十微秒,無法進行直接代碼讀取。

3. 寫入/擦除速度高：?與DRAM或EEPROM一樣,PCM具有位可變性(bit alterability)，而閃存卻需要一個獨立的擦除步驟來更改信息，將信息存儲在位可變性存儲器中,只需在1和0之間進行轉換，不需要獨立的擦除步驟，而且由于相變存儲材料的晶化速度一般在 50ns 以下,因此PCM 擁有很高的寫入速度,顯著超越閃存的寫入速度。

4. 字節可尋址：?類似于 DRAM,PCM 也具有字節可尋址的特性,這使得 PCM 和 DRAM 一樣。相變存儲器的低延時和位可變性不僅使它在設計參考中固件(Firmware)代碼的直接執行上盡顯優勢,而且已經被廣泛研究用來作為 DRAM 的替代品。

5. 寫壽命長：?PCM 寫壽命已經達到了 次,遠超過閃存的 次,隨著技術進步 PCM 的寫壽命正在接近硬盤的寫壽命( ),一定程度上解決了閃存取代硬盤過程中因耐寫能力嚴重不足帶來的缺陷,可以保證存儲器更高的可靠性。

6. 低能耗：?PCM 基于微型存儲單元的相變存儲數據,沒有機械轉動裝置并具有低電壓的特性(0.2V-0.4V),同時由于相變存儲器的非易失性,保存代碼或數據也不需要刷新電流,所以無論是相比傳統硬盤還是閃存或者DRAM,PCM都更加節能,是理想的下一代綠色存儲器。

7. 技術提升潛力大（存儲密度高）：?因為Flash存儲是用電荷存儲原理,存儲單元體積是無法無限制縮小的,所以這在很大程度上限制了 Flash的存儲密度的提升,使得 Flash 介質無法遵循存儲密度的摩爾定律提升。PCM 技術升級面臨的主要挑戰是開關元器件的升級,由于 PCM 通過 GST 材料的相變導致微電路的電阻值不同來表示數據位,可使用 CMOS 工藝進行加工,只需增加數次掩模工藝,所需電壓(0.2V-0.4V）,這保證了PCM的元器件可以做到更小。隨著硫系薄膜材料的狀態控制方法的研究和改進,PCM耐讀寫能力和寫入速度預計在近期內會有大幅提升。隨著光刻等技術的應用,PCM的單位存儲成本和寫入性能方面的優勢將會更加顯著。根據研究結果,相變材料如GST薄膜,對5nm的節點也具有穩定性,其單元之間不會相互影響這一特性保證了PCM可以按照摩爾定律發展。

PCM對數據管理的影響

目前基于PCM的數據庫優化主要集中在：存儲架構、索引性能、日志管理、事務并發方面.

1. 首先在存儲架構方面，目前學術界針對PCM的應用主要探討四種存儲架構[2]，分別是RAM+FLASH,RAM+PCM,SCM+FLASH,PCM。在第二種架構中，PCM作為二級存儲設備，在第三種架構中，PCM作為內存使用，第四種架構中PCM既作為內存，又作為二級存儲。

2. 在索引性能方面，研究主要集中在分析傳統主存索引在PCM中的弊端，針對PCM讀寫不對稱特性，從索引節點空間利用率和索引結構設計出發設計PCM友好的tree結構[7]。

3. 在日志管理方面，由于PCM的非易失性，研究主要集中在設計一種無日志的數據庫架構[6]。

4. 在事務并發方面，一方面是從事務層面的并發研究，具體就是事務并發協議的研究；另一方面是物理層面的并發研究，具體就是物理頁面的并發訪問研究。當前研究方面主要針對主存數據庫下的并發控制技術，在大內存環境下，針對PCM設計新的樂觀和悲觀的并發控制協議，減少了事務并發過程中的鎖沖突[3][4]。

在后續的文章中，我們將分別對PCM對數據庫存儲架構、索引性能、日志管理和事務管理進行綜述，并探討PCM、閃存等非易失存儲對NoSQL數據庫數據管理的影響。

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參考文獻

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Peiquan Jin, Zhangling Wu, et al. A Page-Based Storage Framework for Phase Change Memory, Proc.of International Conference on Massive Storage Systems and Technology[J], 2017.

Joy Arulraj, Justin J. Levandoski, Umar Farooq Minhas, Per-?ke Larson:BzTree: A High-Performance Latch-free Range Index for Non-Volatile Memory, Volume 11, Number 5, January 2018

Larson P ?, Blanas S, Diaconu C, et al. High-performance concurrency control mechanisms for main-memory databases [J]. Proc. of the International Conference on Very Large Data Bases Endowment, 2011, 5(4): 298-309.

Mihnea Andrei, Christian Lemke, Günter Radestock, et al. SAP HANA Adoption of Non-Volatile Memory[J]. Proc. of the International Conference on Very Large Data Bases Endowment, 2016.

Shen Gao, Jianliang Xu, Theo H?rder, et al. PCMLogging: Optimizing Transaction Logging and Recovery Performance with PCM. Proc. of IEEE Trans. Knowl. Data Eng. 27(12): 3332-3346 (2015)

Lu Li, Peiquan Jin, Chengcheng Yang, Zhangling Wu, Lihua Yue: Optimizing B+-Tree for PCM-Based Hybrid Memory. Proc.of International Conference on Extending Database Technology, 2016: 662-663

本文轉載自微信公眾號【Nosql漫談】。

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