SAP HANA如何使用非易失性内存

什么是非易失性内存（NVM）

我们在学校学习计算机基础时，教材上会写着一个基础知识：硬盘上的数据在计算机关机后还可以保存，而内存里的数据在断电后就丢失了—这就是易失的含义。近几年，出现了一种新型的内存技术—非易失性内存。

非易失性内存（non-volatilememory，简称NVM）结合了传统的动态随机内存（DRAM）和闪存存储（NAND）的特性。由于这项技术还在起步期，所以命名上有些混乱：如非易失性随机存储器（non-volatile RAM，简称NVRAM），持久性内存（persistentmemory，简称PMEM）或存储级内存（storage class memory，简称SCM）。

但无论非易失性内存被叫做什么，都是指的与DRAM相反，在掉电后不丢失数据，读写性能相近，价格略低的新型存储技术。这种技术有两种不同的使用方式，一种方式是连接PCI-E或SATA作为外存使用，也就是固态磁盘，此时的NVM相当于更快的闪存盘。另一种方式是，与传统DRAM混合，或完全替代DRAM插在内存槽位，作为计算机的内存使用。

非易失性内存有STT-RAM、PCM、RRAM等基于不同原理的技术方向。这些方案在访问延迟、密度等关键性能指标上各有优劣，其中3D XPoint内存技术是目前比较成熟的方案，并且已经实现了产品的商业化。

3D XPoint™ Optane（傲腾）是由英特尔和美光开发的一种非易失性内存。由于具备以下四点优势，3DXpoint被看做是存储产业的一个颠覆者：

• 比NAND闪存快1000倍；
• 成本只有DRAM内存的一半；
• 使用寿命是NAND的1000倍；
• 密度是传统存储的10倍；

英特尔认为，这样的性能可以让用户根据不同的需求来选择新的存储系统组合，如可以组成DRAM / 3DXPoint / NAND的三级存储方案，或者是3DXPoint代替DRAM和NAND，亦或是DRAM / 3D XPoint的两级方案，甚至也可以是3DXPoint / NAND方案。

SAP HANA如何使用NVM

2017年在奥兰多举行的SAP Sapphire NOW大会上，英特尔首次现场展示了其 DIMM 外形的NVM解决方案，并和SAP联合宣布将创新的3D XPoint内存技术整合到SAP HANA中，使得SAP HANA成为业界首批使用这种新式内存的企业级产品。

在去年发布的HANA2 SPS03版本中，HANA已经在软件层面提供了对NVM的支持。SAP HANA使用NVM内存最重要的原因是，它可以像DRAM一样进行字节寻址，并且可以被CPU视为RAM，从而提供快速的读写性能。它的时延特点也非常接近DRAM。具体来看，NVM作为计算机内存的一部分，专用于存放列存储表的主数据段（Main data），通常这部分存储占全表90-95％的数据。同时，表的DELTA数据段（Delta data）会继续存储在DRAM内存中（用于尽可能快的读写相对少量的数据）。而对于行存储表和用于计算的内存，仍然会使用传统的DRAM内存。同时，在HANA架构中依然有数据持久层，数据仍会被写入磁盘（可能是SSD或传统磁盘）上。

使用NVM的HANA架构

NVM特性既可以对整个HANA数据库生效，也可以选择性的对一些数据对象启用，例如可以指定某些表、表分区，或表的特定列启用持久内存，以便满足特定的数据规划需求。

对于一些写操作密集的场景，如高并发、大压力的OLTP应用，之前可能会被认为并不适合HANA。但在现在我们可以尝试配置NVM固态硬盘以提升日志卷的IOPS性能，以避免出现日志卷的写入性能瓶颈。

什么时候可以在HANA上使用NVM

由于HANA一体机的特点，使用最新的NVM内存需要的是整个软硬件业界的共同努力。目前SAP HANA数据库（HANA2 SPS03）已经实现了对NVM的支持，SUSE LinuxEnterprise Server（SLES）的新版本（SLES 12 SP4， SLES 15）也已经在操作系统层面提供了对NVM的支持。

但是，目前英特尔至强处理器只支持将3D XPoint作为磁盘方式使用。而支持3DXPoint内存方式，也就是3D XPoint DIMM的新至强处理器（CascadeLake）的服务器将会在不久之后大量上市。所以我们暂时还没有在HANA服务器中见到使用新一代的内存技术的产品。好消息是，SAP、英特尔及各家HANA的硬件合作伙伴已经开始测试使用这一最新内存技术的产品，NVMDIMM在HANA服务器上的出现并不遥远。

NVM为HANA带来的优势

随着人工智能、5G、自动驾驶和虚拟现实的发展，企业生成的数据越来越多，在HANA中需要承载的数据规模也越来越大。在系统重启后，保存在NVM内存中的主数据段仍在内存中，无需重新从磁盘加载，这极大加快了HANA的启动时间，并且降低计划内与计划外系统停机时间。对于已经拥有大数据量的HANA用户来说，原先重启之后需要等待的漫长数据加载时间，现在可以极大的缩短了。

由于技术的不同，单条NVM内存的容量会比传统DRAM大很多。因此，对于有海量数据存储要求的用户，将数据存储在内存中的可能性也相应变大，也就会有更多的用户能享受到HANA内存计算技术带来的性能提升。并且，同样大小的NVM成本比DRAM有显著的降低，还能够节省用户硬件投资的TCO。

随着非易失性内存相关的软硬件技术的快速演进和成熟，在今后的计算机架构中，磁盘的作用和价值会越来越小，甚至被完全取代。完全基于内存寻址设计、优化的HANA会逐步显示出更强大的活力，发挥全内存计算的优势，成为一种全场景的通用数据平台。

作者：毛铭琪 SAP资深售前架构师