什麼是持久性記憶體？

在當今快速發展的資料環境中，企業不斷尋找創新的儲存解決方案，以增強功能，同時最大化成本。隨著企業創造更多資料，高密度、高效能的記憶體和儲存裝置對於管理所有資料和從中獲得更多價值至關重要。

其中一項進步是持久性記憶體，這項改變遊戲規則的技術代表儲存階層的新層級。這項技術於 2019 年問世，結合了揮發性記憶體的速度與傳統儲存裝置的資料保留。 

Intel Intel Optane 等持久記憶體的早期化身已停產，但其旨在解決的問題仍然存在。以下是持久性記憶體的功用，以及未來的研究可能帶來的趨勢。

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什麼是持久性記憶體？

持久性記憶體（PMEM）是固態、高效能的電腦記憶體，即使在電源關閉時也能保留資料。與隨機存取記憶體（RAM）等揮發性記憶體不同，當系統關機時，系統會遺失所有資料，持久性記憶體會保留資訊，從而加快資料存取速度，並提升系統重新開機時的效能。

持久性記憶體如何運作？

持久性記憶體技術建立在非揮發性記憶體（NVM）元件之上，該元件會持續儲存資料。上述的中央處理（CPU）可以直接存取這些資料，這意味著它可以避免傳統儲存裝置的延遲，如硬碟（HDD）或固態硬碟（SSD）。它還直接位於記憶體匯流排上，這與傳統系統記憶體一樣，它讓 PMEM 能夠存取資料。

持久性記憶體無縫整合到上述的記憶體階層中，位於揮發性記憶體和儲存裝置之間。Optane 以類似 RAM 的方式運作，但保留的資料卻像 SSD 一樣，在高速記憶體和耐用儲存裝置之間取得了差距。

PMEM 可以兩種模式運行，提供不同功能的存取：

• 記憶模式：伺服器使用 PREM 作為記憶體，DRAM 將管理最常存取的資料，而 PMEM 則提供記憶體容量，以支援大數據分析、虛擬化資料庫等。注意：在此模式下發生斷電時，資料不會儲存。
• 應用程式直接模式：不需要永久儲存的資料可以在 DRAM 上執行，而需要持續儲存的資料可以傳送到 PMEM。與其將 PMEM 作為 RAM 運作，它不像儲存設備運作。記憶體內資料庫、大數據工作負載和超高速儲存應用程式的命名空間或檔案系統，只要您想利用儲存裝置和處理器之間的快速連接，就能在 PMEM 上方設置，輕鬆來回寫入資料。

為何 RAM 不適合永續性儲存

雖然 RAM 提供快速的資料存取，但其揮發性使其不適合長期儲存。另一方面，持久性記憶體將 RAM 的速度與儲存裝置的非揮發性特性相結合，使其成為需要速度和資料耐久性的應用的理想選擇。

持久性記憶體的使用案例

從資料庫和分析平台到人工智慧和虛擬化，各種應用程式皆採用持久的記憶體技術。後者可能受益於技術的應用案例是需要超高速儲存應用的案例，例如： 

• SAP HANA 等記憶體內資料庫 SAP HANA
• Hadoop 等大數據工作負載
• 虛擬化：提升伺服器效能
• 基因體定序：快速存取資料可加速基因分析與研究
• 機器學習與 AI：快速存取訓練資料集的儲存裝置可加快訓練時間，進而開發更複雜的 AI 應用程式。
• IoT 資料處理：超高速儲存解決方案讓企業能夠擷取寶貴的深度資訊，並迅速回應IoT產生的事件。
• 網路安全的威脅分析
• 影片編輯和渲染：確保影片專案的流暢播放、編輯和渲染
• 遊戲：遊戲應用程式需要快速儲存，才能快速載入遊戲資產、材質和等級，透過縮短載入時間並確保順暢的遊戲體驗來提升遊戲體驗。

揮發性儲存與持久性記憶體之間的差異

RAM 代表的揮發性儲存系統在系統關機時遺失資料。相較之下，持久性記憶體可保留資訊，確保資料完整性與耐久性。這種基本差異在資料可靠性至關重要的企業環境中至關重要。

DRAM vs. 持久性記憶體

動態隨機存取記憶體（DRAM）速度快，但它是揮發性的，或“永久的”。DRAM 可能包含暫存器、緩衝和錯誤更正等功能，但即便有這種彈性，如果發生電源故障或伺服器當機，也會遺失資料。 

隨著 DRAM 已經成為伺服器成本的更大比例，持久性記憶體可將速度、彈性和容量與非揮發性相結合，這使其成為需要快速資料存取和保留的應用程式的理想選擇。而且，PMEM 比 DRAM 便宜許多。

SSD 和 HDD 與持久性記憶體的比較

SSD 和 HDD 等傳統儲存裝置提供耐久性，但資料存取速度相對較慢。持久的記憶體可以通過提供快速存取時間，同時保留資料，從而提高企業儲存解決方案的速度和可靠性來克服這一限制。此外，PMEM 與快閃記憶體不同，直接位於記憶體匯流排上。

PMEM 如何整合至現有架構中？

PMEM 代表了從傳統記憶體架構到分層記憶體架構的重要一步。關鍵差別在於 PMEM 直接位於記憶體匯流排上，但提供了增強的儲存功能。如此一來，幾乎就像儲存階層中全新的層級。

在傳統記憶體架構中，您將擁有單一的 DRAM 集區。不過，PMEM 允許 1：4 分層記憶體架構。PMEM 可作為 DRAM 層下的容量層，並可作為快速快取層。這讓 DRAM 能夠處理效能，但記憶體容量比 DRAM 要多。DRAM 上出現了常用資料，PMEM 上出現了常用資料。

然而，使用案例很重要。將所有 SSD 和 HDD 換成 PMEM 並不具有成本效益。但是，在不耗費 DRAM 成本的情況下，實現最佳效能和容量是（短暫）的勝利。

儲存級記憶體（SCM）呢？

儲存級記憶體（SCM）是一個涵蓋各種非揮發性記憶體技術的統稱，包括持久性記憶體。作為 SCM 的子集，持久性記憶體提供高速、非揮發性的資料儲存，使其成為現代企業架構中的重要元件。

NVMe 與 PMEM

非揮發性記憶體（NVMe）和持久性記憶體是互補技術。NVMe 加速 CPU 與儲存裝置之間的資料傳輸，而 PMEM 則透過提供快速、持久的資料存取來增強整體系統效能。

持久性記憶體的優勢

將持久性記憶體整合到企業系統中，可能會帶來多項優勢，包括： 

• 增強效能
• 降低延遲
• 多功能性，具有不同的操作模式，可存取兩種不同的功能
• 改善擴充性
• 非揮發性可確保資料持續存取，即使在意外斷電、當機或系統停機時也一樣。持久的記憶體技術有助於實現無縫的資料持久性，確保關鍵資訊即使在停電或系統故障時也能得到保護。
• 提升整體擁有成本（TCO與負擔能力。如前所述，它也更大，不會大幅增加成本。一般的 RAM DIMM 尺寸包含 16、32、64、128 和 256GB，但成本會隨著尺寸而大幅增加。有了 PMEM，容量從 128GB 開始，然後增加到 256GB 和 512GB。每台伺服器中的每台 512GB 設備中，就有六台能夠提供每台處理器三台，從而增加高達 6TB 的記憶體容量。雖然 RAM 作為快取，PMEM 作為 RAM，但兩個通訊端會是 6TB 的 RAM。
• 加密附加元件為記憶體內的資料提供更佳的安全性

透過持久性記憶體提升效能

透過將資料存取延遲降至最低，持久性記憶體可大幅提升應用程式效能。複雜的運算、大規模的資料處理和即時分析都受益於持久記憶體技術所實現的快速資料擷取。

持久性記憶體與資料持久性

在企業環境中，資料持久性是關鍵所在，不中斷存取關鍵資訊是最重要的。持久的記憶體保證資料保留，使企業能夠在系統故障後迅速復原，並確保持續運作。 

持久性記憶體是否可擴充？

是的，持久性記憶體具有高度的擴展性。企業可透過增加更持久的記憶體模組來擴充儲存容量，以適應不斷增長的資料需求。 

持久性記憶體的潛在缺點

雖然持久性記憶體提供了許多優勢，但需要考慮的事項如下： 

• 相容性問題
• 與傳統儲存相比，成本更高
• 容量有限選項 

持久性記憶體是否昂貴？

例如，當需要更多系統記憶體時，PMEM 在策略上是最佳的使用方式，因為它比 NVMe SSD 和 3D NAND SSD 更昂貴。

持久的記憶體模組比傳統儲存方案如 HDD 或 SSD 更昂貴。然而，成本差異可能因為效能提升和資料可靠性提升而降低。 

持久性記憶體是否會被重開？

Intel 的 Optane 產品線已停產，但研究可能會繼續進一步發展，以替代持久性記憶體，如記憶體分層。

結論

持久性記憶體代表了企業級儲存裝置的典範轉變，根據速度和可靠性，提供全新層級的潛力。結合揮發性記憶體與傳統儲存裝置的最佳功能，使其成為退役前的突破性技術。

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