Intel大師帶你架設AI底層：持久記憶體架構服務實作

內容簡介

有記憶體的極速，有M.2 SSD的非揮發性，
持久性記憶體打破現有架構，是量子電腦真正出現之前的最偉大發明！

Intel作者群帶你進入持久化記憶體的世界

　　分層記憶體架構是現代電腦的基石，從CPU之內的L1、L2、L3快取以降，一直到DDR4/5的主記憶體，速度從快到慢，但真正阻礙電腦速度的最大瓶頸，就是下一層的非揮發性儲存了。雖然PCIE Gen4的M.2 SSD已達到7000MB/s的驚人讀取速度，但和處理器內的記憶體來說還是有1000倍以上的差距。為了彌補這個鴻溝，Intel推出了全新的記憶體架構，再揮發性記憶體子系統和發揮發性儲存系統之間，新增了一個新的層次，既能滿足高速的記憶體資料傳輸，又能保有可儲存性的優點，這個稱之為3D-XPoint的技術，再度造成了整個電腦系統的世代革命。當電腦的主架構發生了天翻地覆的改變時，應用程式、伺服器、資料庫、大數據、人工智慧當然也出現了必需性的變化。在設計巨量資料的服務系統時，傳統針對記憶體斤斤計較的場景不再出現，取代的是大量運用新的持久性記憶體架構來降低系統I/O的頻寬。這對新一代的雲端運算資料中心的影響更是巨大。包括了虛擬機、容器、進而對於應用程式如軟體開發、資料庫、NoSQL、SAP/Hana，Hadoop/Spark也產生了巨大的影響。

　　本書是國內第一本中文說明這種新型應用的書籍，閱讀本書之後，對大型系統的運維已不再是TB級而達到PB的記憶體等級了，想想一個巨型的系統服務不需要水平擴充(Scale-out)r而是可以垂直擴充(Scale-up)，這完全打破了我們從前的概念，本書將是你在進入量子電腦世代來臨前最迫切需要獲得的知識。

本書特色

　　1.在英特爾公司任職的多位專家們齊聚一堂，共同創作了這本持久化記憶體的實戰書籍。

　　2.仔細講解、深入淺出，搭配圖表輔助說明，好看好讀好吸收。

　　3.台灣第一本詳細解說持久記憶體的電腦書，讓你迅速精進，保持業界頂峰的地位。

名人推薦

　　「借助英特爾傲騰持久記憶體，我們在記憶體--儲存子系統中創建了一個新層次，這使整個產業都會受益。持久記憶體基於革命性的英特爾3D-XPoint 技術，將傳統記憶體的速度與容量和持久性結合在一起。」──阿爾珀·伊爾克巴哈（Alper Ilkbahar），英特爾公司資料平台事業部副總裁、記憶體和儲存產品事業部總經理

作者介紹

作者簡介

李志明

　　英特爾資料中心集團平臺架構師、首席工程師。長期從事伺服器系統的硬體架構和設計開發工作，近年來致力於計算和存儲技術在資料中心的應用，解決新興業務挑戰。

吳國安

　　英特爾持久記憶體產品工程部經理，在IA架構、性能優化、軟體協同硬體開發方面有多年工作經驗。目前主要支援客戶應用英特爾資料中心級持久記憶體，進行軟體發展和應用適配，提供IA架構上的客戶方案技術諮詢和支援。

李翔

　　就職於英特爾資料中心部門，主要從事持久記憶體的研發與調試，深入參與持久記憶體初代產品的調試與驗證及未來產品的設計與規劃，對持久記憶體的架構與應用有深入的理解。

01 持久記憶體的需求
1.1 持久記憶體的產生
1.2 非揮發性儲存媒體
1.3 持久記憶體模組

02 持久記憶體的架構
2.1 記憶體資料持久化
2.2 持久記憶體硬體架構
2.3 持久記憶體及主機端的軔體架構
2.4 持久記憶體的安全考慮
2.5 持久記憶體的可靠性、可用性和可維護性
2.6 持久記憶體的管理
2.7 持久記憶體的性能

03 作業系統實現
3.1 Linux 持久記憶體核心驅動實現
3.2 Linux 持久記憶體虛擬化實現
3.3 Windows 持久記憶體驅動實現
3.4 持久記憶體管理工具

04 持久記憶體的程式設計和開發函數庫
4.1 持久記憶體SNIA 程式設計模型
4.2 存取方式
4.3 持久記憶體程式設計的挑戰
4.4 PMDK 程式設計函數庫
4.5 持久記憶體和PMDK 的應用

05 持久記憶體性能最佳化
5.1 與持久記憶體相關的配置選項和性能特點
5.2 持久記憶體的相關性能評測與基礎性能表現
5.3 常用性能最佳化方式與方法
5.4 性能監控與最佳化調整工具

06 持久記憶體在資料庫中的應用
6.1 Redis 概況
6.2 使用持久記憶體擴展Redis 記憶體容量
6.3 使用持久記憶體的持久化特性提升Redis 性能
6.4 RocksDB 概述及性能特性
6.5 RocksDB 的LSM 索引樹
6.6 利用持久記憶體最佳化RocksDB 性能

07 持久記憶體在巨量資料中的應用
7.1 持久記憶體在巨量資料分析和人工智慧中的應用概述
7.2 持久記憶體在巨量資料計算方面的加速方案
7.3 持久記憶體在巨量資料儲存中的應用
7.4 持久記憶體在Analytics Zoo 中的應用

08 持久記憶體在其他領域中的應用
8.1 持久記憶體的應用方式及可解決的問題
8.2 持久記憶體在推薦系統中的應用
8.3 持久記憶體在快取系統中的應用
8.4 持久記憶體在高性能計算中的應用
8.5 持久記憶體在虛擬雲端主機中的應用
8.6 持久記憶體的應用展望

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序

　　動態隨機存取記憶體是電腦系統的核心部件，用來暫時保存計算所需的資料和中間結果。動態隨機存取記憶體的存取延遲時間遠遠小於硬碟甚至固態硬碟，微處理器需要先把存取的資料從硬碟讀取到記憶體中，然後在記憶體中直接對資料進行處理，最後再將資料寫回硬碟中。如果大部分資料都不在記憶體中，那麼程式的性能將受限於硬碟的讀取速度；同時，為了防止意外斷電造成的資料遺失或資料完整性被破壞，資料需要以阻塞的方式頻繁寫入硬碟，減少程式併發性並降低性能。

　　持久記憶體的出現可以從根本上解決上述問題，常用的資料可以常駐在持久記憶體中，微處理器可以直接存取及處理，不需要頻繁地向磁碟寫入。持久記憶體最先在儲存等場景獲得廣泛關注，2019 年英特爾發佈的傲騰持久記憶體把該技術的應用進一步拓展到雲端運算的各個細分領域。

　　●為什麼寫作本書

　　持久記憶體技術是記憶體領域革命性的技術，從根本上改變了記憶體和儲存裝置的界限。持久記憶體技術對產業界和學術界產生了深遠影響，涉及電腦微架構、系統硬體、軔體、作業系統、開發函數庫和應用軟體等許多領域。我們在推動持久記憶體在網際網路產業應用時發現，即使資深電腦產業從業者也需要花費幾個月閱讀大量的文獻並進行大量的實踐，才能充分掌握持久記憶體技術的核心概念並將其應用到自身的領域中。儘管國外的學術會議陸續有相關的研究發表，且發佈了持久記憶體程式設計庫的英文線上書籍，但仍然缺乏對持久記憶體系統性的介紹和應用實踐的複習，而且中文的資源基本處於空白狀態。與此相對的是，華人世界的雲端運算使用者和廠商對該技術的興趣非常高，一些早期應用原型甚至處於世界的前列。基於此，我們萌發了系統性地複習持久記憶體技術和應用實踐的想法，以推動持久記憶體應用技術在華人世界更快、更廣泛的傳播，促進更多的創新。

　　●關於本書作者

　　本書作者均就職於英特爾公司，從事持久記憶體的開發、驗證和應用等前端工作，具備豐富的理論知識和第一線實戰經驗，並與相關產業合作夥伴具有密切的合作。

第1 章由胡寅瑋負責，桂丙武參與編寫；第2 章由李翔負責，周瑜鋒、李軍、李志明參與編寫；第3 章由杜凡負責，任磊、楊偉參與編寫；第4 章由吳國安編寫；第5 章由束文輝編寫；第6 章由斯佩峰負責，吳國安、周雨馨參與編寫；第7 章由徐鋮負責，張建、杜煒、雙琳娜、劉獻陽等參與編寫；第8 章由李志明編寫。全書由李志明統稿。

　　●本書主要內容

　　本書共包括8 章，可以分為三部分：

　　■ 架構基礎。第 1 章介紹持久記憶體產生的背景及技術的分類；第 2 章介紹持久記憶體的硬體、軔體架構和性能。

　　■ 軟體、程式設計和最佳化。第 3 章介紹作業系統和虛擬化下的驅動實現；第4 章介紹程式設計模型和開發函數庫；第5 章介紹性能最佳化方法和工具。

　　■ 應用實踐。第 6 章介紹資料庫應用；第 7 章介紹巨量資料應用；第 8章介紹其他領域的應用。第6 章、第7 章中的案例多數由本書作者開發，第8 章中的案例來自公開文獻或經合作夥伴授權發佈。

李志明

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