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如果硬盘能达到内存的速度,那操作系统的设计是否会有变化?
来源:趣头条[APP]发布时间:2019年01月04日

鉴于好多同学问14年至今(17年12月)的工业成品,这里简单回答一下。

学术界的工作很多:

与DRAM的混合存储加速部分in-memory的数据库加速特殊的数据结构,比如B-Tree

具体工作可以看In-Memory Big Data Management and Processing: A Survey中NVM那一小节

工业界变化不大,关注Everspin的发展就好,目前官网的主打产品是

有了1Gb的芯片,标准和DDR4兼容。

去年上市,今年跌破发行价,发展很挫吧,我觉得原因还是没需求。存储大厂挤牙膏,没有到用MRAM的时候,因为目前的SSD还是2GB/s徘徊,虽然接口是NVMe,但本质还是传统SSD,等SSD发展到接近内存速度的量级,大概会有资本支持MRAM发展吧?

其它应用领域不热,比如卫星上面的防辐照的存储芯片——市场不大。

手机上也没出现低功耗的芯片,大概存储芯片浪费的那点电不值当吧。

操作系统也当然没有改变啦,几十年的传统岂是说变就变的。计算机行业就这样,先占了山头的有话语权,后来者就算技术上领先没钱每用户也是没啥卵用。典型的例子比如体系结构里的经典对垒,RISC vs CISC。

目前来看就当一脑洞吧,学术上感兴趣的可以翻翻文章。NVRAM这东西,等工业界有需求有市场了,才会迎来真正的发展。

----------------------------原答案----------------------------

翻了前几页答案,为什么大部分答主都在纠结开机速度啊!!我就问一个问题:内存,甚至CPU里的存储器都是Non-volatile了,这意味着你系统里所有的进程状态、内核状态都不会再断电后丢失,那你开\关机干嘛?吧

----------------------------正经答题----------------------------

首先,这类存储器真实存在,即大容量,快速,非易失存储,代表有STT-MRAMMagnetoresistive random-access memory,memristor忆阻器,Phase-change Memory相变化内存

Everspin公司已经开始供货其二代MRAM了,上图

特性不多说,反正是Non-Volatile的前提下,都DDR3兼容了。用到上G大小MRAM的日子,我看不远了。

这种新型存储器对OS的会造成哪些影响?学术界的讨论已经很普遍了,发表在2011,HotOS上的一篇文章几乎就是以这个为标题的Operating system implications of fast, cheap, non-volatile memory文章链接:static.usenix.org/event/hotos11/tech/final_files/Bailey.pdf下面我会以这篇文章为主,附一些自己的看法为方便讨论,把新型存储都称为NVRAM

1.存储体系架构

引入NVRAM的方案:

A.传统方案B.最直观的替换磁盘:用NVRAM替换SSD,如果纯粹以读写速度来衡量的话,领先现在高速SSD两个数量级,当然外设控制芯片要跟得上C.NVRAM和普通RAM共享存储空间:有点异构存储的意思,比如NUMA,灵活性好D.全NVRAM:彻底替换,CPU看到的全是NVRAM

2.虚拟存储

我认为哈,虚存技术就是两级存储架构的桥梁。

先来说说虚存技术本身。

OS Kernel通过页表把虚拟空间映射到物理页,Kernel以页为单位映射地址空间\管理物理内存,物理页不够用的时候就把一部分页暂时存到交换空间,下次要用到这部分页的时候再换进内存。

虚存出现在80年代,当时无论是硬件\OS设计师还是底层程序员都对仔细操作段选择子这件事情相当烦躁了。于是出现了更为规整的分页机制,这下可好,程序员眼里寻址空间一下子达到了4个G(当时机器的内存也就几十M),而且还有页为单位的映射管理机制,内存管理简洁了许多。

更重要的是,swap空间使得虚拟内存使得内存从表面上看具有了两级存储的优势,因为那部分换出去的页它们长长久久地存在外存中啊。

为什么会出现两级存储模型?

这是因为它们两个之间特性互补:

NVRAM的出现已经让两级存储成为鸡肋,快速,大容量,非易失的特点集于一身。

我们来看看为什么要采取分页:

用户看起来相对较大的内存空间——交换,虚拟化(内存不够大,非易失)以页为粒度进行存储分配和保护(分页方便管理)

交换肯定是不需要了,管理还是要有,但牵扯到外存\文件系统,具体来讲,NVRAM对虚存的影响:1.不需要页的交换:NVRAM本身就是快速,非易失的2.页的粒度需要调整:还需要页来进行存储管理,比如分配,保护,存储空间的规划等,应尽量减小存储分片,减小页表结构的开销3.主存和外存的保护机制:主存一般由页表组织,页为单位进行保护——硬件MMU;外存即是我们所说的文件系统,以文件为单位进行保护——OS;主存和外存合并到一起,这两种保护机制势必需要统一4.名字空间:每个进程有一张页目录,我们成为地址空间;文件系统也有一张统一的名字空间;这两个空间需要统一么?

3.对OS运行的影响如今系统加载(booting)这种事情现在是司空见惯的,但用了MRAM后,如果激进点想,在NVRAM上的整个系统是不需要开关机的,像我开头说过的那样。最多可能内核需要重启,应用完全不需要重启(当然是在不出错的情况下),power down之类的事件完全不会导致系统运行状态丢失,只相当于暂停了一会儿。当然,掉电恢复后,对于一些设备(比如网络,IO)驱动可能需要经过初始化。系统的一部分可以有目的地power down,比如为了省电,可以把CPU给关掉,但IO设备和NVRAM之间仍然可以进行DMA传输,这对能耗而言是很有意义的。

4.对应用的影响

应用的状态只有安装和执行:届时应用可以一直执行态,即便是挂起以后也可以一直持久地保留在NVRAM里,如果内存足够用,还需要退出这一说么?这有点类似于现在的移动应用,比如IOS的应用会一直挂起在后台,虽然不一定运行,但保存着运行状态,提到前台一样可以接着走程序出错:检查点机制必不可少,可以利用回滚恢复到历史状态应用的更新:应用一直是运行态,这下如何更新?系统可以从检查点更新,需要支持增量更新,再大胆设想一下,可以以某个检查点生出两个分支,一个新的一个旧的,其中一个叫master,哈哈是可以像git那样啊,多有意思

5.对系统特性的影响

非常可靠:系统崩溃随意啊,反正分分钟恢复安全隐患变多:系统状态power down后还在,好嘛你插个XX设备把我的密码分分钟读走了。易失性这个东西有时候对安全还是有好处的可移植性变差:文件系统跟内存一起管理,名字空间怎么办?权限怎么办?要移植你的文件系统要别的电脑都据悉本地文件系统的状态

对OS影响讨论到这里。

对工业界的影响:

1. 鉴于计算机系统界固有的惰性,比如UNIX类OS从70年代诞生以来就没太大变化,再比如微软,intel当年称霸就是凭借其向前兼容。想凭借NVRAM对计算机系统结构带来大的冲击,至少在未来短期内,不太可能。

2. 嵌入式会是最先涉足的领域,因为嵌入式平台灵活,易裁剪,而且控制器上跑的程序都是长期性的,这与NVRAM提供的特性一致,而且凭借NVRAM较低的能耗,嵌入式会是NVRAM最为繁荣的应用场景。目前Everspin公司已经向空客提供飞控的MRAM。

3. 手机端也会有应用出现,因为手机上的程序也大多是长期驻守内存的,而且NVRAM能耗低,高通就在把NVRAM加到片上系统中,让SOC,NVRAM随时断电,只让基带芯片接受数据,这样一来对手机续航算是一个大大的提升。未来两到三年,我预测应该会有配备MRAM的移动设备出现。

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