SAP HANA如何使用非易失性內存

什么是非易失性內存（NVM）

我們在學校學習計算機基礎時，教材上會寫著一個基礎知識：硬盤上的數據在計算機關機后還可以保存，而內存里的數據在斷電后就丟失了—這就是易失的含義。近幾年，出現了一種新型的內存技術—非易失性內存。

非易失性內存（non-volatilememory，簡稱NVM）結合了傳統的動態(tài)隨機內存（DRAM）和閃存存儲（NAND）的特性。由于這項技術還在起步期，所以命名上有些混亂：如非易失性隨機存儲器（non-volatile RAM，簡稱NVRAM），持久性內存（persistentmemory，簡稱PMEM）或存儲級內存（storage class memory，簡稱SCM）。

但無論非易失性內存被叫做什么，都是指的與DRAM相反，在掉電后不丟失數據，讀寫性能相近，價格略低的新型存儲技術。這種技術有兩種不同的使用方式，一種方式是連接PCI-E或SATA作為外存使用，也就是固態(tài)磁盤，此時的NVM相當于更快的閃存盤。另一種方式是，與傳統DRAM混合，或完全替代DRAM插在內存槽位，作為計算機的內存使用。

非易失性內存有STT-RAM、PCM、RRAM等基于不同原理的技術方向。這些方案在訪問延遲、密度等關鍵性能指標上各有優(yōu)劣，其中3D XPoint內存技術是目前比較成熟的方案，并且已經實現了產品的商業(yè)化。

3D XPoint? Optane（傲騰）是由英特爾和美光開發(fā)的一種非易失性內存。由于具備以下四點優(yōu)勢，3DXpoint被看做是存儲產業(yè)的一個顛覆者：

• 比NAND閃存快1000倍；
• 成本只有DRAM內存的一半；
• 使用壽命是NAND的1000倍；
• 密度是傳統存儲的10倍；

英特爾認為，這樣的性能可以讓用戶根據不同的需求來選擇新的存儲系統組合，如可以組成DRAM / 3DXPoint / NAND的三級存儲方案，或者是3DXPoint代替DRAM和NAND，亦或是DRAM / 3D XPoint的兩級方案，甚至也可以是3DXPoint / NAND方案。

SAP HANA如何使用NVM

2017年在奧蘭多舉行的SAP Sapphire NOW大會上，英特爾首次現場展示了其 DIMM 外形的NVM解決方案，并和SAP聯合宣布將創(chuàng)新的3D XPoint內存技術整合到SAP HANA中，使得SAP HANA成為業(yè)界首批使用這種新式內存的企業(yè)級產品。

在去年發(fā)布的HANA2 SPS03版本中，HANA已經在軟件層面提供了對NVM的支持。SAP HANA使用NVM內存最重要的原因是，它可以像DRAM一樣進行字節(jié)尋址，并且可以被CPU視為RAM，從而提供快速的讀寫性能。它的時延特點也非常接近DRAM。具體來看，NVM作為計算機內存的一部分，專用于存放列存儲表的主數據段（Main data），通常這部分存儲占全表90-95％的數據。同時，表的DELTA數據段（Delta data）會繼續(xù)存儲在DRAM內存中（用于盡可能快的讀寫相對少量的數據）。而對于行存儲表和用于計算的內存，仍然會使用傳統的DRAM內存。同時，在HANA架構中依然有數據持久層，數據仍會被寫入磁盤（可能是SSD或傳統磁盤）上。

使用NVM的HANA架構

NVM特性既可以對整個HANA數據庫生效，也可以選擇性的對一些數據對象啟用，例如可以指定某些表、表分區(qū)，或表的特定列啟用持久內存，以便滿足特定的數據規(guī)劃需求。

對于一些寫操作密集的場景，如高并發(fā)、大壓力的OLTP應用，之前可能會被認為并不適合HANA。但在現在我們可以嘗試配置NVM固態(tài)硬盤以提升日志卷的IOPS性能，以避免出現日志卷的寫入性能瓶頸。

什么時候可以在HANA上使用NVM

由于HANA一體機的特點，使用最新的NVM內存需要的是整個軟硬件業(yè)界的共同努力。目前SAP HANA數據庫（HANA2 SPS03）已經實現了對NVM的支持，SUSE LinuxEnterprise Server（SLES）的新版本（SLES 12 SP4， SLES 15）也已經在操作系統層面提供了對NVM的支持。

但是，目前英特爾至強處理器只支持將3D XPoint作為磁盤方式使用。而支持3DXPoint內存方式，也就是3D XPoint DIMM的新至強處理器（CascadeLake）的服務器將會在不久之后大量上市。所以我們暫時還沒有在HANA服務器中見到使用新一代的內存技術的產品。好消息是，SAP、英特爾及各家HANA的硬件合作伙伴已經開始測試使用這一最新內存技術的產品，NVMDIMM在HANA服務器上的出現并不遙遠。

NVM為HANA帶來的優(yōu)勢

隨著人工智能、5G、自動駕駛和虛擬現實的發(fā)展，企業(yè)生成的數據越來越多，在HANA中需要承載的數據規(guī)模也越來越大。在系統重啟后，保存在NVM內存中的主數據段仍在內存中，無需重新從磁盤加載，這極大加快了HANA的啟動時間，并且降低計劃內與計劃外系統停機時間。對于已經擁有大數據量的HANA用戶來說，原先重啟之后需要等待的漫長數據加載時間，現在可以極大的縮短了。

由于技術的不同，單條NVM內存的容量會比傳統DRAM大很多。因此，對于有海量數據存儲要求的用戶，將數據存儲在內存中的可能性也相應變大，也就會有更多的用戶能享受到HANA內存計算技術帶來的性能提升。并且，同樣大小的NVM成本比DRAM有顯著的降低，還能夠節(jié)省用戶硬件投資的TCO。

隨著非易失性內存相關的軟硬件技術的快速演進和成熟，在今后的計算機架構中，磁盤的作用和價值會越來越小，甚至被完全取代。完全基于內存尋址設計、優(yōu)化的HANA會逐步顯示出更強大的活力，發(fā)揮全內存計算的優(yōu)勢，成為一種全場景的通用數據平臺。

作者：毛銘琪 SAP資深售前架構師