內存又大又便宜 誰還需要用硬盤

一些高端數據庫已經了取消硬盤，直接把數據存在內存裏。

無論是家用電器裏微小的嵌入式控制器，還是企業級服務器，內存(RAM，隨機存取存儲器)都是其計算機系統必不可少的一個組成部分。RAM包括靜態(SRAM)和動態(DRAM)兩種形式，處理器工作時處理的數據就暫時存放在這裏。然而，隨着RAM的價格不斷下跌，在大容量的持久性存儲設備(硬盤)和RAM之間傳輸數據的傳統計算模式可能將不復存在。

RAM的價格會隨市場變化而出現暫時的波動，但從長期來看，其價格保持着平穩下降的趨勢。回溯到2000年，那時一個1G的內存售價約為1000美元(相當於那時候的800英鎊);而如今最低不到5美元(約5英鎊)。這樣低廉的價格為計算機的系統結構設計提供了諸多新思路。

傳統數據庫往往將數據存在硬盤上，然後在需要時把信息讀取到RAM中，再以某種方式對其進行處理。RAM與硬盤的存儲量通常會相差幾個數量級。一般提到RAM用的都是GB，而硬盤則用TB。不過，隨着RAM容量的增加，把更多的數據直接存入RAM，從而減少硬盤讀寫的次數，似乎是個提高效率的好方法。由於RAM的價格也在持續下跌，開始有人將整個數據庫從硬盤讀入內存中進行操作，之後再重新寫回持久存儲器中。而現在還有人乾脆不把數據庫再放回到持久存儲器中，而是直接存在易失性RAM裏。

內存的存取速度一般為納秒級的，而硬盤的尋道時間通常是毫秒級的，也就是説存儲器比硬盤的讀寫速度快了約一百萬倍。不過RAM的傳輸速度並沒有比磁盤快出那麼多：RAM一般每秒傳輸幾G，而速度快一些的磁盤也能達到每秒百M。但不管怎麼説，RAM的傳輸速度肯定是比磁盤高出一個數量級的。

隨着RAM的價格降低，一些高端企業和數據中心已經將單台服務器配上了幾TB大的存儲器。當然，除了需要很大的存儲量以外，要想將數據庫儲存在RAM上，還得跨越“持久性”這一個障礙。RAM是易失存儲器，每當電源關閉或者系統受到損害時，它的存儲的信息都會永久丟失。這對於那些想滿足“ACID”( 原子性Atomicity、一致性Consistency、隔離性Isolation、持久性durability)、力求可靠的數據庫來説確實是個不小的挑戰。

所幸，我們可以利用磁盤快照和日誌來彌補這個缺陷。就像我們會定期將磁盤上的數據庫備份一樣，一個內存數據庫也能進行復製備份。創建磁盤快照意味着要與其他讀取過程競爭資源，所以建立檢查點的頻率需要在性能和恢復能力之間進行權衡。而這個缺陷也可以用日誌來彌補，這種技術也被稱為“更新記錄”(journalling)。 日誌把數據備份發生的變化全部記錄下來，根據它就可以從早期的快照中恢復出後期的數據版本。但不管怎樣，只要數據庫是保存在非持久性存儲器上的，它的冗餘度就會降低。

我們也可以壓縮數據庫，來最大限度地利用 RAM的存儲空間，尤其是對於那些面向列的數據系統(以列的形式存儲表格)。相鄰的數據屬於同一種類型，表格中各列基本也是同一類型時，壓縮的效果相對較好。而且，當壓縮產生計算開銷時，按列儲存可以較好地應對龐大數據集帶來的複雜請求，這也就是大數據從業人員和數據科學家們對此充滿興趣的原因了。

放眼全球數據處理量最大的地方之——谷歌等公司已將數據庫的主體從硬盤轉移到RAM上，因為這樣可以保證以較快速度完成大量的搜索任務。但是真要在一個任務中用上超大量內存仍會遇到許多難題，因為僅憑一塊主板有限的空間只能容納一定數量的RAM，而且這麼多RAM分享一塊主板本身還會產生額外的延遲。

“後RAM”時代

但是到目前為止，我們很難説使用易失性內存進行數據處理是不是未來的主導方向，因為使用非易失性RAM(NVRAM)進行計算的競爭模式已經出現了。NVRAM的結構與現有硬盤的結構類似，這其中就有已為廣大用户所熟知的固態硬盤(SSD)。目前，固態硬盤主要是基於NAND閃存，這種存儲設備的讀寫速度遠比普通硬盤快，但同時也有它自身的缺陷。從原理上來説，閃存是通過保持電荷來存儲信息，它需要以較高的電壓完成寫入，而且會逐漸損耗。為了處理損耗問題，閃存使用了損耗平衡算法來控制讀寫，存在收益遞減問題。

上圖由前計算機科學教授John C McCallum繪製，在圖中我們可以發現，硬盤與RAM價格的下降速度非常接近。因為價格走低，SSD在數據中心和本地系統(on-premises)中被廣泛使用，但是該技術的未來發展形勢仍不明朗。今年二月，一篇關於谷歌公司6年以來SSD佈設情況的論文揭示：閃存驅動器遠不如硬盤驅動器可靠，因為它們會產生更多無法糾正的錯誤，儘管它們不需要頻繁更換。而且，與工業指標宣稱的不同，企業級的SSD實際上並不比個人用户使用的版本更可靠。

但是，其他形式的NVRAM也開始在市場出現。鐵電RAM((FRAM))曾經被視作RAM和移動設備中閃存的替代產品，但業界的注意力現在轉向了磁阻式RAM(MRAM)。MRAM的讀寫速度接近於易失性RAM，延遲時間約為50納秒。雖比DRAM的10納秒慢了一些，但是比起NAND閃存的毫秒級還是快上千倍。

不同於傳統的利用電荷儲存信息，MRAM通過不同的磁性取向來存儲信息，這主要基於一種叫作磁隧道結(MTJ)的薄膜結構。“旋轉切換”的MRAM已經被某些產品所使用，比如戴爾公司“EqualLogic”存儲陣列，但它目前只負責少部分的日誌記錄功能。

自旋力矩轉移MRAM(ST-MRAM)則採用一種更為複雜的結構，這樣可以為未來增加存儲密度留下空間。這款產品目前由Everspin公司出售，該公司最近剛剛在納斯達克上市。正在開發同類技術的其他公司還包括Crocus、鎂光(Micron)、高通、三星, 自旋轉移技術公司(Spin Transfer Technologies ，STT) 和東芝(Toshiba)。

與此同時，英特爾已經開始與鎂光公司合作，共同完成一款叫做“3D XPoint”的NVRAM。根據去年官方給出的消息來看，這是一款電阻式RAM(ReRAM)，屬於相變內存(PCM)中的一種。因其具有多層結構的特徵，為它命名時還特意增加了“3D”。英特爾公司曾宣稱，XPoint的讀寫速度與耐用性將是NAND閃存的1000倍，儲存密度會高達NAND閃存的10倍，但最近看來，這些宣稱性能要打個折扣。不管最後的實測表現到底如何，3D XPoint的定價估計將會在同等大小的閃存與DRAM之間。這樣的價格普通消費者和桌面用户應該不會接受，但在大規模存儲領域，它的性價比應該可以超過內存和SSD。

IBM也在開發它的相變內存。和英特爾的一樣，IBM的相變內存也以硫族化物玻璃作為主要的可擦寫光學媒質(rewritable optical media)材料。這種內存通過某種電設備將材料從非結晶態轉變成三種不同的結晶態。IBM稱他們的產品將在存儲密度上有所突破，這也將使其售價低於DRAM。

RAM行業的競爭將影響計算領域的方方面面。對於消費者來説，如果有一些針對台式機系統的存儲產品可以將內存由8G升至16G，那無疑將大大增加我們電腦日常的多任務處理速度，而那些對系統要求更高的應用，如高分辨率照片和視頻編輯，從中受益更大。

在超極本市場，SSD已經司空見慣。不斷增加的存儲量使其有望成為機械硬盤的替代品，正式“轉正”，不再是從前的“硬盤+SSD”。“三維堆疊NAND”(3D layered NAND)也叫做“垂直NAND” (V-NAND)，它的出現意味着新一代產品的到來。憑藉其出色的效能與更高的密度，其生產公司三星預測：到2020年該系列將會推出512G的消費級SSD，而其價格僅與今天1TB的硬盤相當。

對於中型企業與研究機構而言，只要軟件跟得上，那麼用上更快、更便宜、存儲量更大的RAM也就意味着他們內存數據庫的分析將更快速、更深入且更有見地。舉個例子，柱狀數據庫管理系統SAP HANA為用户提供了可用於多種雲或本地商業解決方案的平台，這使小型公司也能玩得起“大數據”。 此外，IBM和甲骨文(Oracle)這樣的超大企業也在使用類似的內存柱狀數據庫管理系統。

RAM還是影響技術普及化的因素之一。當技術變得越來越廉價且供應充足，組織規模的大小差別將不再顯得如此重要。而且，小型機構還可通過合作來彌補規模的劣勢。

最後來談談超級計算機。下一代超級計算機肯定都會盡其所能地配備更多內存。目前領跑世界的中國超級計算機“神威太湖之光”裝有1300T的DDR3型DRAM，而這相對於它每秒93千萬億次浮點運算(petaflops)的速度而言已經算是相當小。這也使得它耗電較低(只有15.3百萬瓦特)，但恐怕限制了整體性能。

超級計算機的生產者們都在衝着“萬萬億次浮點運算” 1000 petaflops)的目標努力着。繼“京”(K)之後，日本又將發佈“京二代”(post-K)超級計算機，它由日本理化學研究所(Riken research institution)和富士通合作設計，預計將於2020年正式開始運行。它將配備鎂光公司的多層堆疊式DRAM“混合式內存立方 ”(Hybrid Memory Cube) ，還有可能裝上“3D XPoint”NVRAM。

此外，歐盟資助的超級計算機項目“NEXTGenIO計劃”也在進行中。承擔該項目的愛丁堡超級計算中心(Edinburgh Supercomputing Centre)已經宣佈，他們的原型系統將於2022年面世。這款超級計算機也將使用3D XPoint技術，這是他們在“萬萬億次級”超級計算機研製中的一個重要階段。

美國的“萬萬億次”項目是奧巴馬提出的“國家戰略計算計劃(NSCI)”的一部分。該項目預計能在2023年前製造出2台全新的百萬兆次級超級計算機。雖然它們的架構設計還未最終確定，但因其注重實用性和能效，RAM必定是整個計算機的核心技術。