[實用新型]基于非易失性內存的全系統斷電恢復設備

有效

• 申請號: 201220201877.3
• 申請日: 2012-05-08
• 公開（公告）號: CN202584103U
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 李驚雷;黃鵬
• 申請（專利權）人: 無錫云動科技發展有限公司
• 主分類號: G06F11/14
• 分類號: G06F11/14;G06F11/30
• 代理公司: 無錫華源專利事務所 32228
• 代理人: 孫力堅

技術領域

本實用新型涉及計算機的斷電保護技術，更具體地說，涉及一種基于非易失性內存的全系統斷電恢復設備。

背景技術

隨著云計算（Cloud?Computing）和“大數據”（Big?Data）的應用規模、深度的不斷發展，in-memory?operation（駐留內存操作）對于計算、存儲、和網絡系統的性能和可靠性要求越來越高。用戶面臨的信息量成指數趨勢增長，對于已有信息分析要求的精度和廣度不斷深化，傳統的需要在內存和外置硬盤存儲系統之間進行頻繁傳遞數據的運算模式嚴重影響著系統的響應速度和相應的用戶體驗。因為在CPU和主內存（Main?Memory）之間數據的延遲時間在納秒級，而CPU與外置內存之間的延遲時間在毫秒級。二者之間的差別在數以百萬級別（order=6）或更高。頻發性的CPU與外設之間的數據交換容易阻塞對其他外設提供服務能力，也迫使在CPU中運行的程序處于阻斷式（Blocking）工作狀態，造成性能下降和資源浪費。

服務器系統、存儲控制器、云計算主機、網絡加速器、以及消費型計算設備等產品的應用程序中，駐留內存操作日趨流行。以常見的Oracle類數據庫應用服務器為例，緩存和表格數據都要求盡可能地駐留主內存。目前服務器上的主內存已經比較容易達到數百GB，高端領域里面內存達到1TB或者更高。駐留內存方案通過消除I/O瓶頸來實現系統和應用的更高帶寬和最小化延遲。

大量內存意味著更多的過去必須存在于磁盤上的數據可以完全加載到主內存中，這些變化影響到系統設計的邊界條件。這里面一個主要的影響是駐留內存中數據的恢復時間。以一個512GB大小的DDR內存為例，如果這些數據完全從一個典型得到高端硬盤系統讀入到DDR中，即便是硬盤存儲系統帶寬資源全部為這個待恢復的內存系統服務，以400MB/s傳輸速度計算這些數據的恢復時間需要512GB/（400MB/s）=22分鐘。這對于中高端應用而言是一個非常高的成本。很多情況下電源丟失，如一個機柜或一個機房的電源丟失，其影響往往是數十臺或者數百臺服務器中數據，恢復這些數據需要幾個小時或者數天，這種影響非常巨大甚至是災難性的。另一個影響是如何保證數據的一致性。更多的數據駐留于內存，內存是易失性的，其中的數據并不總是保存于非易失性的硬盤中。在電源丟失情況下，那些沒有保留在硬盤中的或者在其他系統中沒有備份的數據從易失性的DDR中丟失，造成數據的丟失。目前有多種技術，如定期的Checkpoint來消除因為部分數據丟失而造成的系統信息非一致性問題。但這些方案有一定程度地造成系統設計的復雜性和成本消耗，包括降低部分性能來實現的。

理想的駐留內存設計包括兩個方面，一是減少甚至消除不必要的Checkpoint或其他冗余數據備份方案，第二方面是在丟失電源恢復后從本地快速或瞬間恢復數據。從本地恢復數據消除了對后臺存儲系統造成的傳遞瓶頸問題，快速恢復將整個系統宕機時間最小化。

下面簡單介紹一下當前應對短暫性電源丟失的常見方案。

應對掉電的硬件方案包括不間斷電源（UPS）。UPS采用大量的鉛酸蓄電池來保證全系統能持續工作，UPS的供電時間一般設計在小時量級。UPS體積笨重，占用空間。UPS的生產、維護和廢棄處理也不符合當前的綠色環保主題。在大型數據中心，UPS失效往往造成數以百計的機器同時宕機和數據丟失；分布式UPS在每個服務器附近配備一個小型的UPS電池，該方案減少了這種突發性大規模數據丟失和宕機的概率，但分布式設計造成了系統復雜性提高和更高的維護成本。

很多RAID控制器常常采用一種電池供電的NVRAM方案。這種NVRAM中的電池常用可充放電的鋰離子電池。當主電源丟失時，鋰電池為DRAM供電。這種方案一般可以提供小時量級的時間段。鋰離子電池一般可以達到數百小時的充放電次數。短暫的供電能力、有限的壽命決定了這種方案不能大規模應用。

存儲類內存（SCM：storage?class?memory）技術是近幾年業界開始關注的技術。這種內存在掉電情況下仍然保持著存于其內的數據狀態，是一種非易失性存儲技術。目前為止PCM（相變內存）是比較有前途的一種技術。但PCM的成熟需要很多年的努力，PCM的物理特性尤其是當中的某些明顯劣勢決定了PCM不能完全取代當前的DRAM技術。這些劣勢包括PCM的寫操作需要很高的能量，需要相應的管理機制實現磨損平衡，更重要的是PCM雖然比硬盤、NAND?Flash的速度快，但與DRAM相比仍然有明顯差距。

實用新型內容