模糊記憶體與 SSD 界線，初探 NVMe SCM 如何催化新興科技
儲存級記憶體（Storage Class Memory, SCM）概念雖然早在 2008 年就已被 IBM 等廠商提出，但 2019 年才可說是 SCM 元年。
儲存級記憶體 SCM 是一種介於 DRAM 與 NAND Flash 之間的技術概念。應用上大致可分為儲存及記憶體兩種形式。是作為底層儲存裝置，或混合 SSD 使用，另一種則用於輔助 DRAM 來提供加速存取的效果。簡單來講，SCM 就是 DRAM 與 SSD 的中介，一種高速讀寫的非揮發性記憶體技術，用來改善系統整體 I/O 效能。
在理想中，它是一種速度能與 DRAM 媲美，但成本逼近傳統硬碟的新型儲存技術。當然目前大概只有讀取速度能與 DRAM 比肩，寫入速度仍有差距，且在 SSD 的單位成本已逼近傳統硬碟的境況下，SCM 還沒有足夠的性價比做為底層儲存裝置。
且實際上，還有諸多被指望成為 SCM 的技術尚未決出勝負，包括相變化記憶體（PCM）、磁性記憶體（MRAM）、電阻式記憶體（RRAM）等，但達到商品化的，目前市面上僅有少數大廠如英特爾與美光合作的 3D XPoint 及三星的 Z-NAND 技術。
SCM 彌補落差
而這些技術的目標及潛力都在於能弭平 DRAM 與 SSD 讀寫速度的鴻溝。理論上，現代資訊系統由於內裝置性能的落差徒增不少功耗，資料往返所耗費的時間，成為整體性能的短板，所以在處理器與記憶體之間設有暫存器及快取等，而引入 SCM 做為記憶體緩衝或 SSD 快取，也都是為了解決這樣的問題。
▲ 儲存單元比較。（Source：科技新報）
當然記憶體內處理（In-memory Computing）才是更理想的方案，其將儲存設備間資料交換與運算的過程，改成直接從記憶體存取資料，和以傳統硬碟構成的資料儲存架構相比，能更快速地回傳結果，特別適合需要大量即時資料分析的應用環境，而 SCM 的問世朝此邁出了相當大的一步。
當然 SCM 離完全取代 SSD 仍需一段時日，不過已先重燃了分層儲存架構應用。近年來在 SSD 成本越來越低的情況下，原先自動分層儲存技術（Auto-Tiering）所提供的效能就不再那麼引人關注。但如今由 DRAM、SCM、SSD 所構成的新分層儲存架構，將在兼具成本效益下，進一步改善系統性能。
由 SCM 及 DRAM 架構出的統一尋址空間，等同於擴大伺服器的緩存規模。尤其是在 SCM 結合 SSD 標準 NVM Express（NVMe）後，能更進一步降低延遲。所以除了硬體進展之外，NVMe 的發展也備受矚目。在 2017 年英特爾所推出的 NVMe SCM 產品獲得相當大的成功。基於與晶片組及處理器直接點對點傳輸的 PCIe 介面的 NVMe，可說是現今要發揮 SCM 概念的必然設計。
NVMe 形成生態
且 NVMe 早已不僅僅是單純的邏輯裝置介面標準，更逐漸擴展成一套生態系統，細分出了 NVMe-MI（NVMe Management Interface ）以及 NVMe-oF（NVMe over Fabrics）等協定。
▲ NVMe 生態架構。（Source：NVM Express 官網）
其中 NVMe 作為主要標準，規範了 Host 對儲存裝置的讀寫、存取以及資源管理等功能，而 NVMe-MI 則能透過 SMBus/I2C 及 MCTP 等進行帶外管理。NVMe-oF 則是一種基於 NVMe 的網路協定，支援如 FC（Fibre Channel）、RoCE（RDMA over Converged Ethernet）、iWARP（Internet Wide-area RDMA Protocol）與 InfiniBand 等網路環境，展現出應用在更廣泛系統的潛力。
使用 NVMe-oF 架構，將能替分散式系統帶來更低延遲，擴大記憶體內處理，且 NVMe 不僅僅是邏輯上的協議接口，更是一種可擴充指令標準。這些技術特點受到機器學習（Machine Learning）工程師的青睞，以之建構出更高性能、更深入的神經網路。在機器學習的過程中，計算處理和儲存之間需要反覆的交換大量數據，且對延遲的要求也非常高。
甚至可以說，機器學習應用是現在 NVMe SCM 最能展現成本效益的方式。對 AI 加速器的需求，帶動了對新興記憶體的研究。尤其在現今 GPU 計算力發展遙遙領先之下，其他零組件的協調性成為新興科技發展的短板。還有高速、低延遲等特性，也相當完美的符合諸如 5G 通訊等技術需求，NVMe SCM 因此成為催生新興科技的關鍵。
新興科技共識
所以將 NVMe SCM 納入系統可以說已成為趨勢，令許多廠商趨之若鶩。Dell EMC、IBM、Hitachi、HPE、Fujitsu 與華為等大廠近年來也都紛紛推出了相關的高階企業儲存解決方案。伺服器市場已被快速改變，由擴展規模轉為追求低延遲，全快閃的產品出貨已壓過混合陣列。各家廠商甚至也藉此推出了基於 AI 的雲端化管理系統，透過 NVMe SCM 來有效減輕維運負擔。
總而言之，NVMe SCM 不僅是單一硬體產品的進步，更影響了大數據、人工智慧、5G、雲端生態等技術，促進了業界對於傳輸規範共識的同時，對現今的資訊系統架構帶來變革。當此技術越趨於成熟，就能更快的催化出新興科技。雖然還有一段相當長的路要走，但或可如此譬喻，NVMe SCM 將會是記憶體的終局之戰。
First XPoint, then Z-NAND: Oh dear, server-makers. SCM is happening
Escaping the DRAM price trap: Storage Class Memory, what it is and why it matters
Enabling Fast, Flexible and Scalable Storage with NVMe and SCM
（首圖來源：英特爾）