NVM file system trends and future directions

Trends

目的

为了使内存/存储堆栈更高效，有必要合并不同的堆栈层，以减少数据复制和移动。而我们研究 NVM 的目的就在于我们想让内存/存储堆栈具有以下特点：

1. 低延迟
2. 高密度
3. 低开销
4. 高可扩展性
5. 可靠性
6. 耐用性

虽然目前没有一种存储技术可以提供以上全部的特性，但是 NVM 可以缩小内存与存储之间的距离。在这个观点的驱动下，人们致力于创建标准、接口、功能和编程模型等，以使操作系统、编程语言和应用程序能够有效地采用和使用 NVM。

工具和标准

1. ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)：
   从6.0版本开始，加入了对 NVDIMM 的固件接口的支持。ACPI 与 UEFI 知乎专栏

2. The JEDEC Byte Addressable Energy Backed Interface：
   目的是为简化 BIOS 和 PM 的访问，具体做法是向 OS 提供了一个简化的接口。

3. Linux PMEM 驱动：
   Linux PMEM 基于 BRD(Block RAM Driver)，BRD 设计之初是为了支持 NVMDIMM。PMEM 在 Linux Kernel 4.1 之后加入。PMEM 使用系统保留的内存寻址范围，PMEM 允许用户模拟持久内存，因此无论内存是否是非易失内存，都可以创建并挂载文件系统。目前，PMEM 驱动程序正在更新，以支持 ACPI NFIT 的特性。
   同时 PMEM 也支持把非易失内存模拟为块设备，作为块设备管理非易失内存，可以避免坏块等内存错误导致的系统崩溃等问题，同时块设备的原子性也可以得到保证。

4. DAX(Direct Access)：
   DAX 的思想与 XIP (eXecute In Place)十分类似，DAX 的核心思想是绕过 Linux 的 page cache，尽可能避免页面副本带来的额外开销，通过 DAX，应用软件可以直接通过 mmap 访问 PM，为了支持 DAX，文件系统和块驱动程序必须实现组成 DAX 接口的几个函数，从而允许内核执行特定的操作，比如使用页帧号分配页。

体系结构支持和一些限制

对 PM 的体系结构支持目前还存在缺失，一个例子是当前处理器的有限的物理寻址能力，对于 TB 甚至 PB 级别的 PM，显然超出了当前处理器的寻址能力，目前的处理方法是把 PM region 映射到 CPU 的物理地址空间，但是由此带来的影响目前尚不清楚：这种方式增加了 TLB 和 cache 的 miss，增加了内存归零和复制大量内存的开销，显然内存的扩展是处理器设计所需要考虑的一个重要内容。

处理器的 cache 并未针对 PM 做出优化，而目前的一些 barrier 原语以及 cache flush 操作虽然有助于 PM 的处理(个人感觉体现在数据一致性和持久性上面)，但是由于其昂贵的开销导致了性能缺陷，我所理解文中的意思应该是因为这些操作大多是序列化操作，我们知道一些强序列的指令在 CPU 中是有可能让整个流水线停顿的，因此会带来很大的性能缺陷。而且当 cache line 刷新的时候，通常不保证直接接写回 NVM，关于这部分可以查看体系结构中 store buffer 等内容(不要脸的放上自己写的内