COMPUTER HARD DISC & NEXT  

  GENERATION MEMORY & STORAGE ( PART-II)

   SANTI PADA CHAKRABORTY, Fellow of Institution of Engineers (India),  Superintending Engineer(Electrical) ,WBSEB

        (From before)  

     

  Memory Device গুলোর scalebility প্রযুক্তি শেষ সীমায় পোঁছে যাচ্ছে যার জন্য নুতন প্রযুক্তির দিকে নজর পড়ছে।বর্তমানে memory market এ DRAM ও Flash memory প্রাধান্য পাচ্ছে। High density, কম দাম ও উন্নত কাজের জন্য Nand flash র দিকে বেশী নজর পড়ছে। নুতন প্রযুক্তি আসছে বা আগামী ৫বছরে আসবে। এই প্রযুক্তিগুলোর বেশী scalebity, density, দ্রুত স্পিড ও সহ্যশক্তির জন্য জনপ্রিয় হবে।

   মুল Next generation memory technologiy হচ্ছে Resistive Random Access memory,(ReRAM), Phase Change Memory (PCM), Magneto resistive (MRAM), FeRAM ইত্যাদি। FeRAM, MRAM PCM commercially তৈরী হচ্ছে।  আগামী দিনে এদের চাহিদা বাড়বে। বেশী ব্যবহার হচ্ছে mobile phone, cache memory, enterprise storage, শিল্প ও অটোমোটিভ, mass storage ইত্যাদিতে। FeRAM automotive শিল্পে বেশী ব্যবহার হবে দ্রুত  operationর জন্য. ReRAM data storage applicationএ বেশী ব্যবহার হবে বেশী scalability র জন্য।. PCM  mobile phoneএ বেশী ব্যবহার আশা করা হচ্ছে।     

  মেমারী ডিভাইস, PRAM, MRAM বা ReRAM। এই অনুদ্বায়ী মেমারীগুলো দ্রুত sub-20nm node কে সহজে scale করে। প্রত্যেকের বাজার আছে: MRAM দ্রুততম, যা অনুদ্বায়ী DRAM এর পরিবর্ত।

PRAM ও ReRAM flash memory থেকে দ্রুত। এরা flash market এর প্রতিদন্দ্বী হয়েছে।

   গবেষকরা Phase change RAM, PRAM এর উপর পরীক্ষা করেছে এর অনুদ্বায়ীতা, দ্রুত speed ও বেশী scalebityর জন্য ও PRAM কে স্ট্যাণ্ডার্ড, আশাব্যাঞ্জক স্টোরেজ মেমারী ডিভাইস হিসাবে দেখছে।

  যেহেতু ReRAM operation এর speed কম ও সহ্যশক্তি সীমিত। কিন্তু এর ডাটা রক্ষা ও সাধারন cell structure সহজেই তৈরী করা যায়। এই সুবিধাগুলো

  APPLICATION:-ReRAM কে flash মেমারীর বিকল্প হওয়ার শক্ত প্রতিদ্বন্দী, NOR flash ও ডাটা স্টোরেজ এর মত applicationএ। যাইহোক, নুতন integration প্রযুক্তি ছাড়া ReRAM কে উন্নত করা বেশ বাধা পাবে। ReRAM তৈরীতে বেশ কম খরচ, এছাড়া এটা large scale integration co র কাছে আকর্ষনীয়। যদিও ReRAM বিশ্বস্ত, কম operation ভোল্টেজ ও random access NAND flash এর মত এর পাওয়ার খরচ বেশী কারন এর parallel কাজের cell সংখ্যা কম।  নুতন ReRAM প্রযুক্তি আশাব্যঞ্জক, গবেষকরা পরীক্ষা করছে কীভাবে 3D ReRAM এর bit density বেশী বাড়ান ।

    TECHNOLOGY COMPARISON:-PRAM, MRAM ও ReRAMএর মুল electrical property অনুদ্বায়ী মেমারী হিসাবে কাজ করতে পারবে যদি patterning,  thermal stability ও scalebity সমস্যা্র সমাধান করা যায়। PRAM এর অনুদ্বায়ীতা, random access, ও তুলনামুলক দ্রুত speed এর জন্য এটা code memory ও buffer memoryর উপযুক্ত।

  যদিও mature মেমারী যেমন NOR ও NAND flash বাজার দখল করছে, resistance মেমারী তৈরীর কম খরচ ও scalebility নির্মাতাদের আকৃষ্ট (compelling) করছে। PRAM এর scaling বাধা দুর করার রাস্তা খোঁজা হচ্ছে।

     Persistent মেমারী:- কিভাব স্থায়ী (Persistent) মেমারী সফ্টওয়্যার ব্যবস্থা পরিবর্তন করবে ।

   সাধারনত memory বাইট অ্যাড্রেসেবল, দ্রুত, ও স্টোরেজ ব্লকে সাজান, ধীরগতি ও অনুদ্বায়ী হয়। স্থায়ী (persistent) মেমারী বাইট অ্যাড্রেসেবল, স্পিড Dynamic RAM (DRAM)এর মত, এটা ফ্ল্যাশ (flash) ও disk এর মত অনুদ্বায়ী হবে এবং বেশী ক্ষমতা ও এনার্জি দক্ষ হবে।  

  গত দশকে NAND flash Solid State Drive (SSD) স্টোরেজ ব্যবস্থার বৈপ্লবিক পরিবর্তন ঘটিয়েছে। ক্ষমতা ও latency তে ম্যাগনেটিক ডিস্কের তুলনায় SSD  স্টোরেজ ব্যবস্থার পরিবর্তন করেছে। অনেক স্থায়ী মেমারী মডেল একই ভাবে মেমারী ব্যবস্থাকে (subsystem) অনুদ্বায়ী, (scaleble) বর্ধনশীল ও  ক্যাপাসিটি ১০গুন বাড়িয়ে DRAM এর ল্যাটেন্সী রক্ষা করছে, কমপক্ষে read এর ক্ষেত্রে।

   File system, database ও OS researcherরা এই প্রযুক্তিকে কাজে লাগাতে উদ্যোগ বাড়িয়েছে। স্টোরেজ ব্যবস্থায় byte addressability খুবই প্রয়োজন ফাইল সিস্টেম ও ডাটা বেসে। virtual মেমারী পরিচালনাতে স্থায়ী মেমারীর অনুদ্বায়ীতা কাজে লাগাতে উদ্যোগ দরকার।   

  যেমন যেমন স্থায়ী মেমারী প্রযুক্তি উন্নত হবে DRAM, ফ্ল্যাস ও ডিস্ক প্রযুক্তি অংশিক বা পুরো বদলান সম্ভব হবে।

FUTURE TREND:-গত দশকে গবেষকরা ReRAMএর উৎপাদন বাড়ান ও বিশ্বততা পরীক্ষা করেছে। এর জটিল কর্মপদ্ধতি (mechanism)-material scienceএর একটা আকর্ষনীয় বিষয়। খুব ভালভাবে বোঝা গেছে যে নিখুঁত মডেল simulation করলে physical ReRAM এর parameter ও property বোঝা যাবে। একটা বিষয় নিশ্চিত  যে ReRAM এর উৎপাদন খরচ ও বিশ্বাসযোগ্যতা বাজারে এর স্থান ঠিক করবে।

    WHAT PERSISTENT MEMORY OFFERS:- কিছু স্থায়ী মেমারির সুবিধা হচ্ছে এর physical মেমারী বেশী, byte granuality স্থায়ী ও সঙ্গে ডাটা durable লেটেন্সি কম।

  LARGER PHYSICAL MEMORY:-DRAM কে স্থায়ী মেমারী দিয়ে উন্নত করলে application ডিজাইনারর DRAM এর দুর্বলতা, বেশী দাম ও লেটেন্সি সমষ্যা দুর করতে পারবে। সবচেয়ে বড় direct dual in line memory module (DIMM)এ 32Gbyte DRAM থাকে। এই সাইজটার দাম 10গুন বেশী প্রতি gigabyteএ 8 gigabyte memoryর তুলনায়।  Logic board এ কম সংখ্যক DIMM slot থাকে ফলে একটা boardএ DRAM এর পরিমান কম। অংশত Moor law কে ধন্যবাদ, যেমন যেমন DRAM ডেন্সিটি বাড়ে খরচ কমে। স্থায়ী মেমারী মডেল সার্ভারে মেমারী বাড়াবার প্রতিশ্রুতি দিচ্ছে। কারন বেশী মেমারী applicationএ বেশী ডাটা স্টোর করা যাবে ও লাভ পাবে। স্থায়ী মেমারীর read latency কম সে জন্য যে কাজের read বেশী তা DRAM এ বেশী speedএ কাজ করতে পারবে।              

     LOW LATENCY DURABILITY :-Low latencyতে ডাটা দীর্ঘস্থায়ী করতে পারলে crash করার সময় ডাটা/work loss কমবে। Durable writeএর latency কমালে বিনিময়ের সংখ্যা কমবে ও write শক্ত (durable) করবে ও কাজের ক্ষতিও কমাবে।

 স্থায়ী মেমারীর উদ্ভব sleep ও hibernationএর ফাঁক কমিয়ে দেবে যা মোবাইল system এর এনার্জি বাঁচাবে।

  FILE SYSTEM:-File system applicationএ ডাটা স্থায়ী করতে ডিস্ক ও flash প্রযুক্তি ব্যবহার করেছে।  ফাইল সিস্টেম ডিজাইনাররা ডাটার জন্য স্থায়ী cache তৈরী করতে পারে যা মুলত ডিস্ক বা flash chip এ থাকে। কারন এই cache গুলো reboot এর সময় ডাটা ধরে রাখতে পারে, durability ও consistencyর জন্য। Cache  ডিস্ক বা flashএ write করার দরকার নেই।

  প্রচলিত ফাইল সিস্টেম low-latency ডিভাইসের উপর দক্ষভাবে operate করার জন্য ডিজাইন করা হয় নি। Flash ও ডিস্ক latency অনেক সফ্টওয়্যার খরচ cover করে।       

     Solid state drive (SSD) memory:-  Main stream এ computing ব্যবস্থায় Solid State Drive (SSD) এর প্রবেশ client-storage দৃশ্যকে বদলে দিয়েছে।

   হার্ডওয়্যার ইনটারফেস স্তরে Serial ATA (SATA) Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) কে কাজে লাগাচ্ছে কার্যকারিতা বাড়াতে। NVM Express (NVMe)এর পুরো সুবিধা পাওয়ার জন্য, সফ্টওয়্যর ইটারফেস PCIe SSDর কাযকারীতা সর্বোচ্চ করেছে। NVMe তৈরী করা হয়েছে NVM এর   কর্মক্ষমতা বাড়ার জন্য, ল্যাটেন্সি কম ও শক্তপোক্ত করার জন্য।

   স্টোরেজ সিস্টেম স্তরে গবেযকরা NAND flash মেমারী বনাম Hard Disk Driveএর প্রতি গিগাবাইটের দাম কমানর জন্য কাজ করছে। মেন স্ট্রীমের দামে SSDর কার্যকারিতা পেতে ক্যাসিং মেকানিসম দরকার যা মালটিপল মেগাবাইট স্পিড বাড়াতে পারে।

   NVM EXPRESS, a software interface for next decade:- NAND flash ভিত্তিক SSD র কার্যকারিতা HDD তুলনায় বৈপ্লবিক: ভাল client SSD 20,000 input/output অপারেশন দিতে পারে প্রতি সেকেণ্ডে, সেখানে HDDর সীমা 500 IOPS।

  একটা ক্লায়েন্ট (client) SSD কাগজে কলমে 1GBps read ক্ষমতা দিতে পারে। SATA v3.0 র সর্বোচ্চ স্পিড 600MBps। বেশী scaling করতে SATAর মাল্টিলেন সাপোর্ট চাই। এটা করতে হলে chipset ও connector বদলাতে হবে ও উপযুক্ত customised সফ্টওয়্যার লাগবে।

   বেশী স্পিডের ক্লায়েন্ট SSD PCIe যার স্পিড 1 GBps পর্যন্ত সাপোর্ট করে। প্রতি lane এ  সফ্টওয়্যার-transparent মাল্টিলেন সাপোর্ট বৃদ্ধি হয় (x2, x4, x8 ইত্যাদি)। 2011 সালের 2য় অর্দ্ধে serial ATA International Organisation (www.sata.in.org) একমত হয়েছে যে স্টেরেজের স্পিড SATA v3.0র থেকে বেশি দরকার হলে PCIeতে যেতে হবে।

  SATA-I/O ও PCI special Interest Group (PCI-SIG) connector ও form factor উদ্ভাবন করছে যা SATA অথবা PCIe ডিভাইসে যুক্ত করাকে সাপোর্ট করে। এটা সহজে বর্তমান ল্যাপটপের স্বল্প স্থানের মধ্যে ও all-in-one desktop ডিজাইনে প্রয়োগ করা যায়।

  Current software landscape:- বর্তমান সফ্টওয়্যার হচ্ছে register level প্রোগ্রামিং, interface Direct Memory Eccess(DMA) engine  ও data structure স্টোরেজ ড্রাইভার ও হার্ডওয়্যাররের মাঝামঝি। স্ট্যাণ্ডার্ড সফ্টওয়্যার interfaceএর ব্যবহার ইণ্ডাস্ট্রি বেশী গ্রহন করবে, স্ট্যাণ্ডার্ড OS স্টোরেজ ড্রাইভারকে booting এর গ্যারেন্টি দেয়।

  NVEর আগে, SATAর জন্য নির্দিষ্ট ছিল একমাত্র সফ্টওয়্যার interface স্ট্যাণ্ডার্ড  Advance Host Controller Interface (AHCI)। Serial attached SCSI(SAS) ডিভাইসের সারভারের সমস্ত সফ্টওয়্যার interface গুলো proprietary। Industry প্রযুক্তিগুলো AHCI কে ভাল চোখে দেখে না।  

   Refactor, reduce, recycle:-অনুদ্বায়ী স্টোরেজ প্রযুক্তি উদ্ভবের পর ব্যাণ্ডউইডথ বাড়বে ও ল্যাটেন্সি কমবে, কিন্তু পুরো ব্যবহার করতে স্টোরেজ সফ্টওয়্যার খরচ ও স্টোরেজ সফ্টওয়্যারও কমাতে হবে।

   1956 সালে IBM এর প্রথম হার্ডড্রাইভ প্রবর্তনের পর কম্পুউটার ব্যবস্থায় ডাটা স্টোর পদ্ধতিতে বৈপ্লবিক পরিবর্তন এনেছে। কিন্তু তখন থেকে অনেক পিছিয়ে থাকা স্টোরেজ ব্যবস্থার সঙ্গে কম্পুউটার সিস্টেমকে মেমারী, প্রসেসর ও নেটওয়র্কে কাজ করতে হয়। এই বাস্তব অবস্থা কম্পুউটার হার্ডওয়্যার, সিস্টেম সফ্টওয়্যার ও জটিল applicationকে বদলাতে হয়েছে। বিশেষ করে, দুর্বল storage hardware, software layer ও local ও remote file system, storage hardware driver, data base  ও virtual মেমারী ব্যবস্থার স্টোরেজ পরিচালনা।

  আগামী দ্রুত অনুদ্বায়ী মেমারী (NVM) যেমন Flash ও Phase Change Menory(PCM) স্টোরেজ দৃশ্যকে আমুল বদলে দিয়েছে।  স্টোরেজ সিস্টেমে স্টোরেজ সফ্টওয়্যারের latency ও পাওয়ার খরচ বেশী হবে অর্থাৎ খরচ কমাতে ঐ সিস্টেমগুলো পুনর্গঠন (reengineering) করতে হবে।

  বর্তমান ডিস্কভিত্তিক ব্যবস্থায় সফ্টওয়্যার সিস্টেম উন্নতির জন্য গুরত্বপুর্ন ভুমিকা পালন করে। উদাহরন স্বরূপ, যত্ন সহকারে স্টোরেজ access schedule করলে,  বুদ্ধিমত্তার সঙ্গে ডাটাবেস buffer pool পরিচালনা করলে I/O operationএর সংখ্যা ও দাম কমবে। সফ্টওয়্যার service replication, encryption, compression, transactional guarantee, proverance tacking ও thin provisioning দিতে পারে।

 

 কোড গুলো execute করতে সময় ও এনার্জি লাগে। 4-kbyte ডিস্কে access করতে হার্ডওয়্যারের তুলনায় সফ্টওয়্যরের দাম খুব কম, stock Linux সফ্টওয়্যর stack latency 0.3% ও এনার্জি 0.4%।

  NVM এই ভারসাম্য বদলেছে। ল্যাবে 4 Kbyte SSD মডেল access তৈরী করা হয়েছে। একই সফ্টওয়্যার 70% latency ও 87.75% এনার্জি দেয়। এর অর্থ এখনকার স্টোরেজ সফ্টওয়্যার stack গুলো নুতন স্টোরেজ প্রযুক্তির অনুপযুক্ত।

 NVM এর সবচেয়ে উত্তম ব্যবহারের জন্য হার্ডওয়্যার ও সফ্টওয়্যরের ভুমিকা  পুনর্বিবেচনা করা দরকার। আমরা 4 বছর fast NVMর জন্য হার্ডওয়্যার ও সফ্টওয়্যর ডিজাইন করতে নষ্ট করেছি এবং আমরা 3R চিহ্নিত করেছি যাতে NVM ব্যবহারযোগ্য প্রমানিত হয়েছে, অন্য সিস্টেম component এর ক্ষতি না করে।  Refactor স্টোরেজ হার্ডওয়্যার ও সফ্টওয়্যার বাধা দুর করতে, যেখানে সম্ভব দাম কমাতে ও component গুলোকে পুনর্ব্যবহার করতে সাহায্য করে।      

Plumbing  storage systems:-আধুনিক স্টোরেজ সিস্টেমে বিশেষ করে তাদের সফ্টওয়্যর অংশ জটিল ও বহুমুখি (diverse)। স্টোরেজ  সিস্টেম মেমারী স্মার্টফোনে কয়েক দশক gigabyte থেকে ডাটাসেন্টারে কয়েক দশক petabyte হতে পারে। অসংখ্য ফাইল সিস্টেম, remote access protocol ও scheme আছে বিশ্বাসযোগ্যতা, accessibilty ও কর্মক্ষমতা বাড়াতে।

 একটা কম্পুউটারে অপারেটিং সিস্টেমের I/O stack application কে স্থায়ী মেমারীতে access দেয়। ফাইল সিস্টেম ফাইলের নাম দেয় ও পরিচালনা করে এছাড়া এক বা বেশী ব্লকের স্টোরেজ পরিচালনা করে। ব্লক ডিভাইস local হার্ডড্রাইভ হতে পারে, local redundant array of indedent disks (RAID) বা storage area network (SAN) protocol মাধ্যমে পাওয়া remote ডিস্ক। OS এর ব্লক ডিভাইস ড্রাইভারের সঙ্গে(উচ্চ কার্যকরিতা সম্পন্ন RAID কার্ড বা accelerated SAN কার্ড) read ও write request পাঠায় স্টোরেজ ডিভাইস ডিস্ক, RAID বা দুরের ডিস্ককে।

  স্টোরেজ সিস্টেমের একটা শক্তি হচ্ছে এর modular ডিজাইন। Kernal module encrypion, compression ও replication করতে পারে।

 এই পদ্ধতির দর্বলতাও আছে। প্রথম এটা স্টোরেজ access এর সব কিছু পরিচালনা করতে O.S এর উপর নির্ভর করে। Kernal শুধু policy ঠিক করে না  ডিস্ক স্থানও বন্টন করে, permission check করে ও নিচের স্তরের হার্ডওয়্যার access পরিচালনা করে। Set করা ও সংযোগ বলবৎ করা অদক্ষ হতে পারে।

    STORAGE TECHNOLOGIES:-Spinning disk-এর খামতি হচ্ছে লেটেন্সী বেশী। ডিস্ক ড্রাইভ হার্ড ড্রাইভ কম্পুউটার ইতিহাসে প্রথম স্টোরেজ মিডিয়া, এর প্রতি bit এ খরচ কম, থাকবেও অনেকদিন। হার্ড ড্রাইভের প্রধান দর্বলতা এর latency বেশী। গড় latency 2 ms  থেকে 11ms। এরূপ ধীরগতি database র জন্য অসুবিধা। এটার পাওয়ার বেশী লাগে, লোডে 15w, 45mJ প্রতি random access I/O operation এ।

 Flash ভিত্তিক SSD:- SSD প্রথম ব্যবসায়িক ভিত্তিতে ব্যাপকভাবে গ্রহনযোগ্য হয়েছে। Flash ভিত্তিক SSD স্টোরেজ মোবাইল ডিভাইসে সর্বত্রগামী। SSD Storage ডিস্ক বদলে দিচ্ছে যেখানে দামের চেয়ে performace গুরুত্বপুর্ন।

   SSD random accessএ তাড়াতাড়ি ও দক্ষতার সঙ্গে কাজ করে। উন্নত SSD Fusion IO র ioDrive2 Duo read(write)latency 47 µs(15 µs) হয়। SSD parallel এ অনেক request handle করতে পার-প্রতি সেঃ কয়েক শত সহস্র random I/O operation (IOps)এ মাত্র 75 µJ প্রতি I/O তে লাগে, হার্ড ড্রাইভের তুলনায় 600x তফাৎ। উচ্চ পর্যায়ের SSD 1.5 থেকে 3GBPS পর্যন্ত হতে পারে।

 আরও অনেক নুতন প্রযুক্তি গবেষনার পর্যায়ে আছে ও আগামী দিনে নুতন প্রযুক্তি আসবে।

      (সমাপ্ত)    20.4.15