شكرا للذاكرة: كيف تغير الذاكرة الرخيصة الحوسبة

توجد

ذاكرة Micron DRAM المبكرة بسعة 1 ميغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي (ذاكرة الوصول العشوائي ، ذاكرة الوصول العشوائي) في أي نظام كمبيوتر ، من وحدات تحكم صغيرة مدمجة إلى الخوادم الصناعية. يتم تخزين البيانات في SRAM (RAM ثابتة) أو DRAM (RAM ديناميكي) أثناء عمل المعالج معهم. مع انخفاض أسعار ذاكرة الوصول العشوائي ، قد يختفي نموذج نقل البيانات بين ذاكرة الوصول العشوائي وموقع التخزين الدائم.

تتأثر ذاكرة الوصول العشوائي بشكل كبير بتقلبات السوق ، ولكن على المدى الطويل تنخفض قيمتها. في عام 2000 ، كلفت جيجابايت من الذاكرة أكثر من 1000 دولار ، والآن تكلف 5 دولارات فقط. هذا يسمح لنا بتخيل بنية نظام مختلفة تمامًا.

عادة ما يتم تخزين قواعد البيانات على أقراص ، حيث يتم قراءة المعلومات الضرورية في الذاكرة ، إذا لزم الأمر ، ثم معالجتها. يُعتقد عمومًا أن حجم الذاكرة في النظام أصغر بعدة مراتب من حجم الأقراص - على سبيل المثال ، غيغابايت مقابل تيرابايت. ولكن مع زيادة الذاكرة يصبح أكثر كفاءة لتحميل المزيد من البيانات في الذاكرة ، مما يقلل من عدد القراءات والكتابة. مع انخفاض تكلفة ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ، يصبح من الممكن تحميل قاعدة البيانات بأكملها في الذاكرة ، وتنفيذ العمليات عليها وكتابتها مرة أخرى. لقد وصلنا الآن إلى النقطة التي لا يتم فيها إعادة كتابة بعض قواعد البيانات إلى القرص ، وتعلقها باستمرار في الذاكرة.


رقاقة ميغابت من Carl Zeiss


حتى عام 1975 ، كانت ذاكرة الوصول العشوائي ذاكرة أساسية مغناطيسية تم


مسح رقاقة EPROM بسعة 4 ميجابايت باستخدام الأشعة فوق البنفسجية المرسلة من خلال نافذة يتم قياس


مجموعة من

سرعات الوصول إلى ذاكرة DRAM الحديثة بالنانو ثانية ، ويتم قياس أوقات الوصول إلى القرص بالمللي ثانية - على سبيل المثال. ، الذاكرة أسرع مليون مرة. سرعة نقل البيانات في الذاكرة ، بالطبع ، ليست أسرع مليون مرة - هذه هي غيغابايت في الثانية مقابل عدة مئات ميغا بايت في الثانية للصلب السريع - ولكن على الأقل تتجاوز سرعة ذاكرة الوصول العشوائي سرعة محركات الأقراص بترتيب من الحجم.

في العالم الحقيقي ، الاختلافات ليست خطيرة للغاية ، ولكن قراءة البيانات من قرص في ذاكرة الوصول العشوائي وكتابتها مرة أخرى تمثل اختناقًا خطيرًا ، وكذلك مجالًا لظهور الأخطاء. يؤدي اختفاء هذه الخطوة إلى تبسيط التعليمات وزيادة البساطة والكفاءة.

مع انخفاض أسعار ذاكرة الوصول العشوائي في الشركات الكبيرة ومراكز البيانات ، أصبح من الشائع توفير خوادم بسعة تيرابايت من الذاكرة. ولكن بصرف النظر عن الحجم ، فإن قاعدة البيانات في الذاكرة عادة لا تريد الاحتفاظ بها لأسباب موثوقية. ذاكرة الوصول العشوائي تفقد المحتوى عندما يكون انقطاع التيار الكهربائي أو النظام للخطر. تتم مواجهة هذه المشاكل عند محاولة الامتثال لمعيار موثوقية قاعدة بيانات ACID (الذرية ، الاتساق ، العزلة ، المتانة - الذرية ، التماسك ، العزلة ، المتانة).

يمكن تجنب المشاكل مع المدلى بها والسجلات. تمامًا كما يمكنك عمل نسخ احتياطية لقاعدة البيانات من الأقراص ، يمكن نسخ قواعد البيانات في الذاكرة إلى التخزين. يمنع إنشاء الجبيرة العمليات الأخرى من قراءة البيانات ، وبالتالي فإن تكرار نقاط التوقف هو حل وسط بين السرعة والموثوقية. وهذا ، بدوره ، يمكن تخفيفه عن طريق تسجيل المعاملات ، أو عن طريق التسجيل ، وتسجيل تغييرات البيانات بحيث يمكن إعادة إنشاء حالة لاحقة من نسخة سابقة. ولكن مع ذلك ، عندما تكون قاعدة البيانات في الذاكرة تمامًا ، يتم فقد نسبة معينة من التكرار.



تسمح لك برامج إدارة قواعد البيانات في الذاكرة (IMDBS) بإنشاء أنظمة هجينة توجد فيها بعض جداول قواعد البيانات في الذاكرة ويوجد البعض الآخر على القرص. هذا أفضل من التخزين المؤقت ، وهو مناسب في الحالات التي يكون فيها من غير المجدي الاحتفاظ بقاعدة البيانات بأكملها في الذاكرة.

يمكن ضغط قواعد البيانات ، خاصة على الأنظمة ذات الأعمدة التي تخزن الجداول كمجموعات من الأعمدة بدلاً من الصفوف. تفضل معظم تقنيات الضغط أن تكون البيانات المجاورة من نفس النوع ، وتحتوي الأعمدة في الجداول دائمًا على بيانات من نفس النوع. وعلى الرغم من أن الضغط يتضمن زيادة الحمل على الحوسبة ، فإن تخزين الأعمدة مناسب تمامًا للاستعلامات المعقدة في مجموعات البيانات الكبيرة جدًا - وهذا هو سبب اهتمام مستخدمي البيانات الضخمة والعلماء بها .

على نطاق واسع ، تحولت شركات مثل Google إلى ذاكرة الوصول العشوائي بحيث تتم معالجة عدد كبير من استعلامات البحث بسرعة مقبولة. هناك أيضًا مشاكل في توفير الوصول إلى كميات كبيرة من الذاكرة ، نظرًا لأن كمية ذاكرة الوصول العشوائي المتصلة بلوحة أم واحدة محدودة ، ويؤدي تنظيم الوصول المشترك إلى تأخيرات إضافية.

الحياة بعد ذاكرة الوصول العشوائي

ولكن لا يمكنك ضمان أن العمل مع البيانات في الذاكرة هو مستقبل معالجة البيانات. طريقة بديلة هي استخدام ذاكرة الوصول العشوائي غير المتطايرة (ذاكرة الوصول العشوائي غير المتطايرة ، NVRAM) ، المألوفة للمستخدمين في شكل SSDs ، تقدم بنية متوافقة مع أنظمة القرص. وهي تعمل الآن على ذاكرة فلاش NAND ، والتي توفر سرعات قراءة وكتابة عالية مقارنة بمحركات الأقراص الصلبة الميكانيكية. ولكن لديها مشاكلها الخاصة. تتطلب ذاكرة الفلاش جهدًا مرتفعًا نسبيًا لتسجيل البيانات ، وتتدهور تدريجيًا ، والتي يتم استدعاء الخوارزميات الخاصة لمكافحتها ، مما يؤدي إلى تباطؤ تدريجي في التشغيل.


تكلفة الذاكرة والتخزين بمرور الوقت (دولار لكل ميجابايت)

كما ترى من الرسم البياني ، مع مرور الوقت ، تنخفض تكلفة محركات الأقراص تقريبًا نفس تكلفة ذاكرة الوصول العشوائي. أدى انخفاض تكلفة محركات الأقراص الصلبة إلى توزيعها في مراكز البيانات وأماكن العمل ، ولكن حتى الآن ليس من الواضح ما هو مستقبل هذه التكنولوجيا. خلصت دراسة من Google نشرت في فبراير 2016 ، استنادًا إلى ست سنوات من الاستخدام ، إلى أن الذاكرة المحمولة أقل موثوقية بكثير من محركات الأقراص الصلبة - على سبيل المثال ، تنتج أخطاء فادحة - على الرغم من أنها تتطلب بدائل أكثر ندرة. ولا تختلف محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة للاستخدام المشترك في الجودة عن خيارات المستهلك.

لكن أنواع جديدة من NVRAM تظهر بالفعل. كان من المفترض أن تكون ذاكرة الوصول العشوائي (FRAM) كبديل لذاكرة الوصول العشوائي ومحركات أقراص الفلاش في الأجهزة المحمولة ، ولكن الآن تحول الانتباه إلى ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية (MRAM). من حيث السرعة ، تقترب من ذاكرة الوصول العشوائي ، ويبلغ التأخير في الوصول إليها 50 نانو ثانية - وهي أبطأ من 10 نانوثانية في DRAM ، ولكن أسرع 1000 مرة من الميكروثانية في NAND.


مخطط MRAM

يخزن MRAM المعلومات باستخدام الاتجاه المغناطيسي بدلاً من الشحنة الكهربائية ، وذلك باستخدام هيكل الأغشية الرقيقة وتقاطع النفق المغناطيسي. يتم استخدام MRAM بالفعل في منتجات مثل صفيفات التخزين EqualLogic من Dell ، ولكن حتى الآن فقط للتدوين.

يستخدم Spin Transfer MRAM (ST-MRAM) بنية أكثر تعقيدًا من المحتمل أن تسمح بزيادة الكثافة. الآن تطلقها Everspin في السوق ، والتي تم إصدارها مؤخرًا على NASDAQ تحت الرمز MRAM. الشركات الأخرى التي تستكشف هذه الفرصة هي Crocus و Micron و Qualcomm و Samsung و Spin Transfer Technologies (STT) و Toshiba.


ذاكرة 3D XPoint


اثنين رقاقة 3D XPoint 128 GB


مخطط إنتل / ميكرون 3D XPoint


مقارنة معدلات

وفي الوقت نفسه ، تعمل Intel مع Micron على نوع من NVRAM يُسمى 3D XPoint (يُنطق "crosspoint"). تم نشر هذا الشكل من ذاكرة تغيير الطور (PCM) ، المعروفة باسم ذاكرة الوصول العشوائي المقاومة (ReRAM) ، لأول مرة في عام 2015. "3D" يعني إمكانية بناء الذاكرة متعددة الطبقات. تعتقد إنتل أن XPoint يمكن أن تعمل أسرع 1000 مرة من NAND وأن تكون أكثر سعة 10 مرات ، على الرغم من أن هذه الادعاءات قد انخفضت قليلاً. من المتوقع أن يكون السعر بين الفلاش والذاكرة. ولهذا السبب ، من غير المرجح أن تتجذر في المنازل ، ولكن على نطاق واسع يمكن أن تحل محل RAM و SSD.

تعمل IBM أيضًا على ذاكرة تغيير الطور. مثل Intel ، تعتمد تقنيتها على زجاج chalcogenide المستخدم في الوسائط البصرية القابلة لإعادة الكتابة. باستخدام الكهرباء لتحويل المواد من حالة غير متبلور إلى واحدة من البلورات الثلاثة ، تفتخر الشركة باختراق في القدرات التي ستجعل الذاكرة أقل تكلفة من الذاكرة العشوائية.

سيؤثر سباق RAM على جميع مستويات تطوير الكمبيوتر. ستؤدي زيادة الذاكرة من 8 إلى 16 جيجا بايت على أجهزة سطح المكتب للمستخدم النهائي إلى تسريع المهام المتعددة وزيادة كفاءة البرامج التي تتطلب الذاكرة.

في أجهزة Ultrabooks ، تعد محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة هي القاعدة بالفعل ، والقدرات المتزايدة تجعلها بالفعل مرشحة لاستبدال محركات الأقراص الثابتة. الجيل القادم من NAND ثلاثي الأبعاد(V-NAND ، عموديًا) يعد بكفاءة أكبر وكثافة تسجيل. تتوقع شركة Samsung أنه بحلول عام 2020 سيكون هناك 512 جيجابايت SSDs للمستخدمين النهائيين بسعر المسمار تيرابايت اليوم.

بالنسبة للشركات المتوسطة الحجم والمؤسسات الأكاديمية ، فإن ذاكرة الوصول العشوائي الأرخص تعني تحليلات أفضل للبيانات الموجودة في الذاكرة - إذا استمر البرنامج في ذلك. SAP HANA هي قاعدة بيانات داخل الذاكرة ، وهي منصة للاستخدام الواسع للحلول السحابية والحلول الداخلية ، والتي تسمح للشركات الصغيرة بالعمل مع البيانات الضخمة. لدى IBM و Oracle قواعد بيانات مماثلة.

تقوم ذاكرة الوصول العشوائي بإضفاء الطابع الديمقراطي على التكنولوجيا - تصبح التكنولوجيا أرخص ، ويتم محو الفرق بين المنظمات الكبيرة والصغيرة.


مركز بيانات Google مع خوادم مخصصة


Sequoia Supercomputer



Supercomputer Sunway TaihuLight ، أسرع كمبيوتر في العالم ، 93


Titan Petaflops ، أسرع


مركز بيانات للحواسيب العملاقة EcoPod HP في الولايات المتحدة أخيرًا

وليس آخرًا ، فإن النقطة هي الحاجة إلى ذاكرة الكمبيوتر العملاق. تحتوي أسرع Sunway TaihuLight SC الصينية اليوم على 1300 تيرابايت من ذاكرة DDR3 DRAM ، وهي صغيرة نسبيًا لسرعتها التي تبلغ 93 بيتافلوب (عمليات كوادريليون نقطة عائمة في الثانية). على وجه الخصوص ، وبسبب هذا ، فإن استهلاكها للطاقة يبلغ 15.3 ميجاوات فقط ، ولكن هذا قد يصبح عاملاً مقيدًا.

الآن يسعى الجميع إلى البادئة exaflops ، أو 1000 بيتافلوبس. سيكون الكمبيوتر الياباني بعد K ، الذي طوره Riken و Fujitsu ، جاهزًا بحلول عام 2020 وسيتضمن مكعب الذاكرة الهجين من Micron ، وتنفيذ متعدد الطبقات لذاكرة DRAM ، وربما أيضًا استخدام 3D XPoint NVRAM. يهدف المشروع الأوروبي NEXTGenIO في مركز الحواسيب العملاقة في إدنبرة إلى تحقيق exaflops بحلول عام 2022 ، باستخدام 3D XPoint أيضًا.

في الولايات المتحدة ، من المقرر أن يقدم مشروع الحوسبة Exascale ، الذي تم تطويره كجزء من مبادرة NSCI ، جهازي كمبيوتر فائقين بسرعة مماثلة بحلول عام 2023. لا تزال بنيتها قيد التطوير ، ولكن نظرًا لأن السرعة وكفاءة الطاقة أولوية ، فستلعب ذاكرة الوصول العشوائي دورًا مركزيًا فيها.

Source: https://habr.com/ru/post/ar398373/