現(xiàn)在，一些高端數(shù)據(jù)庫已經(jīng)了取消硬盤，直接把數(shù)據(jù)存在內(nèi)存里，不知道硬盤還能活多久。
無論是家用電器里微小的嵌入式控制器，還是企業(yè)級服務(wù)器，內(nèi)存（RAM，隨機(jī)存取存儲器）都是其計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必不可少的一個(gè)組成部分。RAM包括靜態(tài)（SRAM）和動(dòng)態(tài)（DRAM）兩種形式，處理器工作時(shí)處理的數(shù)據(jù)就暫時(shí)存放在這里。然而，隨著RAM的價(jià)格不斷下跌，在大容量的持久性存儲設(shè)備（硬盤）和RAM之間傳輸數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)計(jì)算模式可能將不復(fù)存在。
RAM的價(jià)格會(huì)隨市場變化而出現(xiàn)暫時(shí)的波動(dòng)，但從長期來看，其價(jià)格保持著平穩(wěn)下降的趨勢?；厮莸?000年，那時(shí)一個(gè)1G的內(nèi)存售價(jià)約為1000美元（相當(dāng)于那時(shí)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(jià)格為計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了諸多新思路。
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫往往將數(shù)據(jù)存在硬盤上，然后在需要時(shí)把信息讀取到RAM中，再以某種方式對其進(jìn)行處理。RAM與硬盤的存儲量通常會(huì)相差幾個(gè)數(shù)量級。一般提到RAM用的都是GB，而硬盤則用TB。不過，隨著RAM容量的增加，把更多的數(shù)據(jù)直接存入RAM，從而減少硬盤讀寫的次數(shù)，似乎是個(gè)提高效率的好方法。由于RAM的價(jià)格也在持續(xù)下跌，開始有人將整個(gè)數(shù)據(jù)庫從硬盤讀入內(nèi)存中進(jìn)行操作，之后再重新寫回持久存儲器中。而現(xiàn)在還有人干脆不把數(shù)據(jù)庫再放回到持久存儲器中，而是直接存在易失性RAM里。
內(nèi)存的存取速度一般為納秒級的，而硬盤的尋道時(shí)間通常是毫秒級的，也就是說存儲器比硬盤的讀寫速度快了約一百萬倍。不過RAM的傳輸速度并沒有比磁盤快出那么多：RAM一般每秒傳輸幾G，而速度快一些的磁盤也能達(dá)到每秒百M(fèi)。但不管怎么說，RAM的傳輸速度肯定是比磁盤高出一個(gè)數(shù)量級的。
隨著RAM的價(jià)格降低，一些高端企業(yè)和數(shù)據(jù)中心已經(jīng)將單臺服務(wù)器配上了幾TB大的存儲器。當(dāng)然，除了需要很大的存儲量以外，要想將數(shù)據(jù)庫儲存在RAM上，還得跨越“持久性”這一個(gè)障礙。RAM是易失存儲器，每當(dāng)電源關(guān)閉或者系統(tǒng)受到損害時(shí)，它的存儲的信息都會(huì)永久丟失。這對于那些想滿足“ACID”（ 原子性Atomicity、一致性Consistency、隔離性Isolation、持久性durability）、力求可靠的數(shù)據(jù)庫來說確實(shí)是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。
所幸，我們可以利用磁盤快照和日志來彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。就像我們會(huì)定期將磁盤上的數(shù)據(jù)庫備份一樣，一個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫也能進(jìn)行復(fù)制備份。創(chuàng)建磁盤快照意味著要與其他讀取過程競爭資源，所以建立檢查點(diǎn)的頻率需要在性能和恢復(fù)能力之間進(jìn)行權(quán)衡。而這個(gè)缺陷也可以用日志來彌補(bǔ)，這種技術(shù)也被稱為“更新記錄”（journalling）。 日志把數(shù)據(jù)備份發(fā)生的變化全部記錄下來，根據(jù)它就可以從早期的快照中恢復(fù)出后期的數(shù)據(jù)版本。但不管怎樣，只要數(shù)據(jù)庫是保存在非持久性存儲器上的，它的冗余度就會(huì)降低。
我們也可以壓縮數(shù)據(jù)庫，來最大限度地利用 RAM的存儲空間，尤其是對于那些面向列的數(shù)據(jù)系統(tǒng)（以列的形式存儲表格）。相鄰的數(shù)據(jù)屬于同一種類型，表格中各列基本也是同一類型時(shí)，壓縮的效果相對較好。而且，當(dāng)壓縮產(chǎn)生計(jì)算開銷時(shí)，按列儲存可以較好地應(yīng)對龐大數(shù)據(jù)集帶來的復(fù)雜請求，這也就是大數(shù)據(jù)從業(yè)人員和數(shù)據(jù)科學(xué)家們對此充滿興趣的原因了。
放眼全球數(shù)據(jù)處理量最大的地方之——谷歌等公司已將數(shù)據(jù)庫的主體從硬盤轉(zhuǎn)移到RAM上，因?yàn)檫@樣可以保證以較快速度完成大量的搜索任務(wù)。但是真要在一個(gè)任務(wù)中用上超大量內(nèi)存仍會(huì)遇到許多難題，因?yàn)閮H憑一塊主板有限的空間只能容納一定數(shù)量的RAM，而且這么多RAM分享一塊主板本身還會(huì)產(chǎn)生額外的延遲。
“后RAM”時(shí)代
但是到目前為止，我們很難說使用易失性內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是不是未來的主導(dǎo)方向，因?yàn)槭褂梅且资訰AM（NVRAM）進(jìn)行計(jì)算的競爭模式已經(jīng)出現(xiàn)了。NVRAM的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有硬盤的結(jié)構(gòu)類似，這其中就有已為廣大用戶所熟知的固態(tài)硬盤（SSD）。目前，固態(tài)硬盤主要是基于NAND閃存，這種存儲設(shè)備的讀寫速度遠(yuǎn)比普通硬盤快，但同時(shí)也有它自身的缺陷。從原理上來說，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(huì)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(jì)算機(jī)科學(xué)教授John C McCallum繪制，在圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，硬盤與RAM價(jià)格的下降速度非常接近。因?yàn)閮r(jià)格走低，SSD在數(shù)據(jù)中心和本地系統(tǒng)（on-premises）中被廣泛使用，但是該技術(shù)的未來發(fā)展形勢仍不明朗。今年二月，一篇關(guān)于谷歌公司6年以來SSD布設(shè)情況的論文揭示：閃存驅(qū)動(dòng)器遠(yuǎn)不如硬盤驅(qū)動(dòng)器可靠，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生更多無法糾正的錯(cuò)誤，盡管它們不需要頻繁更換。而且，與工業(yè)指標(biāo)宣稱的不同，企業(yè)級的SSD實(shí)際上并不比個(gè)人用戶使用的版本更可靠。
但是，其他形式的NVRAM也開始在市場出現(xiàn)。鐵電RAM（(FRAM)）曾經(jīng)被視作RAM和移動(dòng)設(shè)備中閃存的替代產(chǎn)品，但業(yè)界的注意力現(xiàn)在轉(zhuǎn)向了磁阻式RAM(MRAM)。MRAM的讀寫速度接近于易失性RAM，延遲時(shí)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。
不同于傳統(tǒng)的利用電荷儲存信息，MRAM通過不同的磁性取向來存儲信息，這主要基于一種叫作磁隧道結(jié)（MTJ）的薄膜結(jié)構(gòu)?！靶D(zhuǎn)切換”的MRAM已經(jīng)被某些產(chǎn)品所使用，比如戴爾公司“EqualLogic”存儲陣列，但它目前只負(fù)責(zé)少部分的日志記錄功能。
自旋力矩轉(zhuǎn)移MRAM（ST-MRAM）則采用一種更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這樣可以為未來增加存儲密度留下空間。這款產(chǎn)品目前由Everspin公司出售，該公司最近剛剛在納斯達(dá)克上市。正在開發(fā)同類技術(shù)的其他公司還包括Crocus、鎂光（Micron）、高通、三星, 自旋轉(zhuǎn)移技術(shù)公司(Spin Transfer Technologies ，STT) 和東芝（Toshiba）。
與此同時(shí)，英特爾已經(jīng)開始與鎂光公司合作，共同完成一款叫做“3D XPoint”的NVRAM。根據(jù)去年官方給出的消息來看，這是一款電阻式RAM（ReRAM），屬于相變內(nèi)存（PCM）中的一種。因其具有多層結(jié)構(gòu)的特征，為它命名時(shí)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(huì)高達(dá)NAND閃存的10倍，但最近看來，這些宣稱性能要打個(gè)折扣。不管最后的實(shí)測表現(xiàn)到底如何，3D XPoint的定價(jià)估計(jì)將會(huì)在同等大小的閃存與DRAM之間。這樣的價(jià)格普通消費(fèi)者和桌面用戶應(yīng)該不會(huì)接受，但在大規(guī)模存儲領(lǐng)域，它的性價(jià)比應(yīng)該可以超過內(nèi)存和SSD。
IBM也在開發(fā)它的相變內(nèi)存。和英特爾的一樣，IBM的相變內(nèi)存也以硫族化物玻璃作為主要的可擦寫光學(xué)媒質(zhì)（rewritable optical media）材料。這種內(nèi)存通過某種電設(shè)備將材料從非結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變成三種不同的結(jié)晶態(tài)。IBM稱他們的產(chǎn)品將在存儲密度上有所突破，這也將使其售價(jià)低于DRAM。
RAM行業(yè)的競爭將影響計(jì)算領(lǐng)域的方方面面。對于消費(fèi)者來說，如果有一些針對臺式機(jī)系統(tǒng)的存儲產(chǎn)品可以將內(nèi)存由8G升至16G，那無疑將大大增加我們電腦日常的多任務(wù)處理速度，而那些對系統(tǒng)要求更高的應(yīng)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(jīng)司空見慣。不斷增加的存儲量使其有望成為機(jī)械硬盤的替代品，正式“轉(zhuǎn)正”，不再是從前的“硬盤+SSD”?！叭S堆疊NAND”（3D layered NAND）也叫做“垂直NAND” (V-NAND)，它的出現(xiàn)意味著新一代產(chǎn)品的到來。憑借其出色的效能與更高的密度，其生產(chǎn)公司三星預(yù)測：到2020年該系列將會(huì)推出512G的消費(fèi)級SSD，而其價(jià)格僅與今天1TB的硬盤相當(dāng)。
對于中型企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)而言，只要軟件跟得上，那么用上更快、更便宜、存儲量更大的RAM也就意味著他們內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的分析將更快速、更深入且更有見地。舉個(gè)例子，柱狀數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SAP HANA為用戶提供了可用于多種云或本地商業(yè)解決方案的平臺，這使小型公司也能玩得起“大數(shù)據(jù)”。此外，IBM和甲骨文（Oracle）這樣的超大企業(yè)也在使用類似的內(nèi)存柱狀數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。
RAM還是影響技術(shù)普及化的因素之一。當(dāng)技術(shù)變得越來越廉價(jià)且供應(yīng)充足，組織規(guī)模的大小差別將不再顯得如此重要。而且，小型機(jī)構(gòu)還可通過合作來彌補(bǔ)規(guī)模的劣勢。
最后來談?wù)劤売?jì)算機(jī)。下一代超級計(jì)算機(jī)肯定都會(huì)盡其所能地配備更多內(nèi)存。目前領(lǐng)跑世界的中國超級計(jì)算機(jī)“神威太湖之光”裝有1300T的DDR3型DRAM，而這相對于它每秒93千萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算（petaflops）的速度而言已經(jīng)算是相當(dāng)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(jì)算機(jī)的生產(chǎn)者們都在沖著“萬萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算” 1000 petaflops）的目標(biāo)努力著。繼“京”（K）之后，日本又將發(fā)布“京二代”（post-K）超級計(jì)算機(jī)，它由日本理化學(xué)研究所（Riken research institution）和富士通合作設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)將于2020年正式開始運(yùn)行。它將配備鎂光公司的多層堆疊式DRAM“混合式內(nèi)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(jì)算機(jī)項(xiàng)目“NEXTGenIO計(jì)劃”也在進(jìn)行中。承擔(dān)該項(xiàng)目的愛丁堡超級計(jì)算中心（Edinburgh Supercomputing Centre）已經(jīng)宣布，他們的原型系統(tǒng)將于2022年面世。這款超級計(jì)算機(jī)也將使用3D XPoint技術(shù)，這是他們在“萬萬億次級”超級計(jì)算機(jī)研制中的一個(gè)重要階段。
美國的“萬萬億次”項(xiàng)目是奧巴馬提出的“國家戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃(NSCI)”的一部分。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)能在2023年前制造出2臺全新的百萬兆次級超級計(jì)算機(jī)。雖然它們的架構(gòu)設(shè)計(jì)還未最終確定，但因其注重實(shí)用性和能效，RAM必定是整個(gè)計(jì)算機(jī)的核心技術(shù)。
