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解剖英特尔傲腾 打通快慢设备的新内存架构
2017-04-18 08:01:02来源:a&s智慧城市
[摘要] 简而言之，Optane具有堪比内存（DRAM）的性能，而容量向NAND靠拢。
英特尔(Intel)的傲腾(Optane)内存已经上市一段时间，分别推出了Optane SSD抢攻企业市场和Optane Memory主打消费市场，据悉针对高端个人市场的Optane SSD也即将上市。就在傲腾开始跟着供应链出货之时，英特尔针对这项技术再做出了解释，首先声明它并不是闪存，而是比主流NAND还要有前景的新内存技术。
Optane的技术原理
2015年英特尔发布了3D XPoint技术，今年初该技术被定名为Optane；美光则将其命名为QuantX。3月28日正式发布中文名为“傲腾”。
从技术原理角度来看，3D XPoint或者说Optane与NAND/NOR等Flash完全不同，而更接近于内存，延迟、耐擦写性、介质速度等几个关键指标也优于NAND几个数量级。简而言之，Optane具有堪比内存（DRAM）的性能，而容量向NAND靠拢。
当然，与3D XPoint具有类似特性的技术并不在少数，它们被统称为NVRAM，但是无论是FeRAM（铁电）、MRAM（磁阻）、PRAM（相变）还是Millipede Memory（千足虫）、NanoRAM（碳纳米管），距离产品化乃至商品化都还有相当的距离，而Optane已经华丽登场 。
不过，在正式普及Optane之前，英特尔要面临的挑战并不少，自身的产能爬坡和市场的接受度都是不小的问题。好在相比其他NVM或NVRAM的竞争者，根植PC市场四十余年的 英特尔 ，有着巨大的平台及生态优势，Optane Memory就是一款革命性产品。
解决传统硬盘速度瓶颈
硬盘的存取速度一直是计算产业的挑战。尽管发展已逾数十年，但冯·诺依曼1946年提出的计算机体系架构，仍是现在乃至可见的未来，计算机所遵循的基本架构体系：存储和计算。CPU是大家所熟悉的计算核心，但是并非冯·诺依曼体系中的计算核心，按照大学计算机原理课老师所说，CPU非常笨，它只会做“1+1”这一件事，而且只会从A、B寄存器取数、结果放到C寄存器，冯·诺依曼体系中的计算是指ALU（数逻运算单元）而存储是寄存器。当然，这是最狭义的冯·诺依曼体系理解，不过也从侧面说出了计算和存储相依相存的特殊关系。
计算和存储的关系相依相存（来源：英特尔）
速度快当然是王道，但是非常遗憾，半导体技术发展到今天，仍然不能解决容量和性能的根本矛盾，考虑到成本和实现因素，最终的产品都是性能向成本的妥协。对于计算机来说，高速和低俗设备之间，对获取数据方面的摩擦一直没有停止过，解决这种数据冲突的方式也在革新。
以速度最快的ALU为例，与之进行数据交换的寄存器有着相同速度的寄存器，除去在相邻周期里循环存取的时间周期不算，两者实际上是同频同步工作的。寄存器有着动辄数GHz的运行速度，只能集成在离ALU最近的地方，但代价是成本高昂、容量以字节为单位精打细算，这就是为什么如AVX 2.0中的256位指令/数据寄存器，英特尔更壕一些，直接放入256位长，而AMD抠门些，旗舰的Ryzen 7 1800X只有128位寄存器，256位数据需要两个周期读入和写出，性能折损极大。
当然，处理器厂商们早已注意到这个问题，早在数年前就大肆引入Cache结构作为从寄存器到内存的梯级缓冲，用数量和逐渐提高的速度解决计算单元从内存获取数据的性能落差。L1、L2、L3 Cache容量通常为数十KB、数百KB和数MB，对应容量提升一个级别，速度也降低一个级别，以匹配慢速的GB级别内存。为了保证速度，Cache通常会采用SRAM（静态内存）制作，而内存虽然用了DRAM速度低了不少，但当年正是DRAM的出现，让配有64KB内存的PC有机会诞生，要知道同容量的SRAM当时价格超过2500美元，而第一台PC的不过1999美元。
类似的情况也出现在“存储”设备上，虽然以硬盘（HDD）为代表的存储设备已经是外设“矬子里面的将军”，但是它和PC系统之间的性能落差仍然很大，其性能包括了带宽和响应延迟等两个维度的速度。于是另一种缓存，Buffer出现了。别看中文都是“缓存”，但是在计算机词汇中，Cache和Buffer是两个不同世界的速度，相比多采用SRAM的Cache，Buffer多使用廉价的DRAM以缓解I/O接口两侧的速度不匹配，最常见的情形是Buffer容量作为HDD的重要参数标识产品档次。无论是哪种缓冲，都能在响应时间和带宽上同时匹配两端性能，两端都认为对方迁就了自己的性能水准，而没有察觉到缓冲的加入，此现象就叫透明。
容量与性能的分歧
经过多级缓冲，DRAM的速度已经远远落后于CPU，但即便如此，它仍远远高于主流的存储设备。更具体点说，单通道DDR4-2400内存带宽已近20GB/s、延迟为30ns左右，而容量已突破10TB的HDD，对应的性能水准只略微增长到150MB/s~200MB/s带宽，延迟则停留在3~4ms（接口）+7~8ms（平均寻道）的10年前水平，明显不能满足当下电脑系统的需求。于是这才有了近几年最有效的升级已经从增加内存变为了更换HDD为SSD。SSD综合性能较HDD已经有了质的飞跃，主流产品接口带宽突破1GB/s水平、延迟下降到μs量级，但与之伴随的就是10倍的价格差异。
无论是容量还是性能，对使用体验的影响都是显而易见的。在预算有限的前提下，考虑到时间可以换取性能而容量不行，更多数消费者都倾向于容量更大而非性能更高，这也就是为何仍有超过85%的台式电脑选择HDD作为唯一存储设备的原因。但凡预算宽裕一些，或者性能的需求稍占上风，双硬盘就成为更为理想的搭配。现实是很残酷的，艰难的预算增加，并不能带来如一的性能体验，频繁使用的数据固然可以手动放置到SSD中，但是相对较小的容量被占满后，越是大量的数据，越会深刻体会到“慢”的熬人，小容量SSD对此无能为力。
而Optane的问世，看似能够解决电脑与HDD性能落差、解决SSD与HDD容量落差这些根本性的问题。
不用NAND做介质的Optane SSD
虽然都叫做固态硬盘“SSD”，但是Optane SSD已经不再使用NAND做存储介质。无论是响应速度、IOPS还是吞吐速度，已经上市的DC P4800X都远超DC P3600/P3700系列，只是目前仅有采用PCI-E插卡形态的375GB这一款。
关于这款产品的性能表现，还有待获得样品后测试验证。而它所带来的计算机架构巨大变革，首先从服务器领域开始。除了常规的存储模式（冯·诺依曼架构中的Storge），Optane SSD还支持异常高大上的Memory Pool（内存池）模式。同时其读写和响应速度远超过当前主流的SSD，能轻易帮助内存容量突破TB，不仅分分钟解决服务器上内存容量不足的问题，而且从性能上比原有8通道DRAM更高。从中期来看，Optane的非易失性，还会在使用模式上挑战DRAM，待到Optane DIMM到来，断电后内存数据都不会丢失，于今天是完全不可实现却极度渴求的特性。
目前，通过英特尔Memory Drive Technology就能将Optane SSD映射为内存池，只是目前公布出来的只支持Xeon（至强）平台。面向高端个人市场的Optane SSD 900P不久就将面世，界面都是PCI-E 3.0 x4，插卡、M.2和U.2并发，是否支持内存池模式暂时不明。
作为缓存解决设备通信问题
和存储、内存模式完全不同，Optane Memory实质是一种缓存，与广泛分布在计算机中的Cache、Buffer的使用模式类似，即逻辑架构上类似，而其不同主要集中在电气层面。缓存存在的目的在于解决快慢两个设备间的通讯问题，否则快速设备会被迫与慢速设备同速运行，影响整体性能。和执行单流的Cache/Buffer相比，Optane Memory的缓冲任务复杂得多，系统写向存储（HDD、SSD等）的流并行性非常高，同时还具有非顺序地址、非并发等特点，因此一直以来，只能通过OS和存储设备直接对话完成，这也是PC换用SSD能带来如此大性能提升的原因。
早在2005年，英特尔就推出了基于其NAND技术的TurboMemory（迅盘），彼时调用的正是Windows Vista中的Superfetch特性实现了对硬盘的缓冲，微软称之为ReadyDrive。如今，十几年过去了，操作系统层面早已变得更为平滑，而TurboMemory却早已因为SSD的流行和自身的问题而湮没。
Optane Memory明显汲取了教训，其市场定位放低至SSD远未普及的台式电脑市场，仅配备1颗HDD机械硬盘的台式机仍占市场85%以上份额。从容量方面来说，无论是44美元的16GB还是77美元的32GB版本，都难以作为Win8/10的系统盘使用，势必与HDD组合使用。
在导入3D Xpoint技术后，Optane Memory的读写寿命不再是问题，100GB的数据写入量已折合3~6全盘写。介质和PCI-E 3.0接口的响应速度更快，本身速度也更高，再加上新版本的RST（Rapid Storage Technology，快速存储技术）的改进，仅使用16GB版本Optane Memory就能带来如系统启动时间、常用软件安装时间等主流应用30%~50%的时间缩短，无论是访问延时还是吞吐速度，其表现以接近PCI-E通道的高端SSD而高于SATA通道产品。
Optane的技术原理
2015年英特尔发布了3D XPoint技术，今年初该技术被定名为Optane；美光则将其命名为QuantX。3月28日正式发布中文名为“傲腾”。
从技术原理角度来看，3D XPoint或者说Optane与NAND/NOR等Flash完全不同，而更接近于内存，延迟、耐擦写性、介质速度等几个关键指标也优于NAND几个数量级。简而言之，Optane具有堪比内存（DRAM）的性能，而容量向NAND靠拢。
当然，与3D XPoint具有类似特性的技术并不在少数，它们被统称为NVRAM，但是无论是FeRAM（铁电）、MRAM（磁阻）、PRAM（相变）还是Millipede Memory（千足虫）、NanoRAM（碳纳米管），距离产品化乃至商品化都还有相当的距离，而Optane已经华丽登场 。
不过，在正式普及Optane之前，英特尔要面临的挑战并不少，自身的产能爬坡和市场的接受度都是不小的问题。好在相比其他NVM或NVRAM的竞争者，根植PC市场四十余年的 英特尔 ，有着巨大的平台及生态优势，Optane Memory就是一款革命性产品。
解决传统硬盘速度瓶颈
硬盘的存取速度一直是计算产业的挑战。尽管发展已逾数十年，但冯·诺依曼1946年提出的计算机体系架构，仍是现在乃至可见的未来，计算机所遵循的基本架构体系：存储和计算。CPU是大家所熟悉的计算核心，但是并非冯·诺依曼体系中的计算核心，按照大学计算机原理课老师所说，CPU非常笨，它只会做“1+1”这一件事，而且只会从A、B寄存器取数、结果放到C寄存器，冯·诺依曼体系中的计算是指ALU（数逻运算单元）而存储是寄存器。当然，这是最狭义的冯·诺依曼体系理解，不过也从侧面说出了计算和存储相依相存的特殊关系。
计算和存储的关系相依相存（来源：英特尔）
速度快当然是王道，但是非常遗憾，半导体技术发展到今天，仍然不能解决容量和性能的根本矛盾，考虑到成本和实现因素，最终的产品都是性能向成本的妥协。对于计算机来说，高速和低俗设备之间，对获取数据方面的摩擦一直没有停止过，解决这种数据冲突的方式也在革新。
以速度最快的ALU为例，与之进行数据交换的寄存器有着相同速度的寄存器，除去在相邻周期里循环存取的时间周期不算，两者实际上是同频同步工作的。寄存器有着动辄数GHz的运行速度，只能集成在离ALU最近的地方，但代价是成本高昂、容量以字节为单位精打细算，这就是为什么如AVX 2.0中的256位指令/数据寄存器，英特尔更壕一些，直接放入256位长，而AMD抠门些，旗舰的Ryzen 7 1800X只有128位寄存器，256位数据需要两个周期读入和写出，性能折损极大。
当然，处理器厂商们早已注意到这个问题，早在数年前就大肆引入Cache结构作为从寄存器到内存的梯级缓冲，用数量和逐渐提高的速度解决计算单元从内存获取数据的性能落差。L1、L2、L3 Cache容量通常为数十KB、数百KB和数MB，对应容量提升一个级别，速度也降低一个级别，以匹配慢速的GB级别内存。为了保证速度，Cache通常会采用SRAM（静态内存）制作，而内存虽然用了DRAM速度低了不少，但当年正是DRAM的出现，让配有64KB内存的PC有机会诞生，要知道同容量的SRAM当时价格超过2500美元，而第一台PC的不过1999美元。
类似的情况也出现在“存储”设备上，虽然以硬盘（HDD）为代表的存储设备已经是外设“矬子里面的将军”，但是它和PC系统之间的性能落差仍然很大，其性能包括了带宽和响应延迟等两个维度的速度。于是另一种缓存，Buffer出现了。别看中文都是“缓存”，但是在计算机词汇中，Cache和Buffer是两个不同世界的速度，相比多采用SRAM的Cache，Buffer多使用廉价的DRAM以缓解I/O接口两侧的速度不匹配，最常见的情形是Buffer容量作为HDD的重要参数标识产品档次。无论是哪种缓冲，都能在响应时间和带宽上同时匹配两端性能，两端都认为对方迁就了自己的性能水准，而没有察觉到缓冲的加入，此现象就叫透明。
容量与性能的分歧
经过多级缓冲，DRAM的速度已经远远落后于CPU，但即便如此，它仍远远高于主流的存储设备。更具体点说，单通道DDR4-2400内存带宽已近20GB/s、延迟为30ns左右，而容量已突破10TB的HDD，对应的性能水准只略微增长到150MB/s~200MB/s带宽，延迟则停留在3~4ms（接口）+7~8ms（平均寻道）的10年前水平，明显不能满足当下电脑系统的需求。于是这才有了近几年最有效的升级已经从增加内存变为了更换HDD为SSD。SSD综合性能较HDD已经有了质的飞跃，主流产品接口带宽突破1GB/s水平、延迟下降到μs量级，但与之伴随的就是10倍的价格差异。
无论是容量还是性能，对使用体验的影响都是显而易见的。在预算有限的前提下，考虑到时间可以换取性能而容量不行，更多数消费者都倾向于容量更大而非性能更高，这也就是为何仍有超过85%的台式电脑选择HDD作为唯一存储设备的原因。但凡预算宽裕一些，或者性能的需求稍占上风，双硬盘就成为更为理想的搭配。现实是很残酷的，艰难的预算增加，并不能带来如一的性能体验，频繁使用的数据固然可以手动放置到SSD中，但是相对较小的容量被占满后，越是大量的数据，越会深刻体会到“慢”的熬人，小容量SSD对此无能为力。
而Optane的问世，看似能够解决电脑与HDD性能落差、解决SSD与HDD容量落差这些根本性的问题。
不用NAND做介质的Optane SSD
虽然都叫做固态硬盘“SSD”，但是Optane SSD已经不再使用NAND做存储介质。无论是响应速度、IOPS还是吞吐速度，已经上市的DC P4800X都远超DC P3600/P3700系列，只是目前仅有采用PCI-E插卡形态的375GB这一款。
关于这款产品的性能表现，还有待获得样品后测试验证。而它所带来的计算机架构巨大变革，首先从服务器领域开始。除了常规的存储模式（冯·诺依曼架构中的Storge），Optane SSD还支持异常高大上的Memory Pool（内存池）模式。同时其读写和响应速度远超过当前主流的SSD，能轻易帮助内存容量突破TB，不仅分分钟解决服务器上内存容量不足的问题，而且从性能上比原有8通道DRAM更高。从中期来看，Optane的非易失性，还会在使用模式上挑战DRAM，待到Optane DIMM到来，断电后内存数据都不会丢失，于今天是完全不可实现却极度渴求的特性。
目前，通过英特尔Memory Drive Technology就能将Optane SSD映射为内存池，只是目前公布出来的只支持Xeon（至强）平台。面向高端个人市场的Optane SSD 900P不久就将面世，界面都是PCI-E 3.0 x4，插卡、M.2和U.2并发，是否支持内存池模式暂时不明。
作为缓存解决设备通信问题
和存储、内存模式完全不同，Optane Memory实质是一种缓存，与广泛分布在计算机中的Cache、Buffer的使用模式类似，即逻辑架构上类似，而其不同主要集中在电气层面。缓存存在的目的在于解决快慢两个设备间的通讯问题，否则快速设备会被迫与慢速设备同速运行，影响整体性能。和执行单流的Cache/Buffer相比，Optane Memory的缓冲任务复杂得多，系统写向存储（HDD、SSD等）的流并行性非常高，同时还具有非顺序地址、非并发等特点，因此一直以来，只能通过OS和存储设备直接对话完成，这也是PC换用SSD能带来如此大性能提升的原因。
早在2005年，英特尔就推出了基于其NAND技术的TurboMemory（迅盘），彼时调用的正是Windows Vista中的Superfetch特性实现了对硬盘的缓冲，微软称之为ReadyDrive。如今，十几年过去了，操作系统层面早已变得更为平滑，而TurboMemory却早已因为SSD的流行和自身的问题而湮没。
Optane Memory明显汲取了教训，其市场定位放低至SSD远未普及的台式电脑市场，仅配备1颗HDD机械硬盘的台式机仍占市场85%以上份额。从容量方面来说，无论是44美元的16GB还是77美元的32GB版本，都难以作为Win8/10的系统盘使用，势必与HDD组合使用。
在导入3D Xpoint技术后，Optane Memory的读写寿命不再是问题，100GB的数据写入量已折合3~6全盘写。介质和PCI-E 3.0接口的响应速度更快，本身速度也更高，再加上新版本的RST（Rapid Storage Technology，快速存储技术）的改进，仅使用16GB版本Optane Memory就能带来如系统启动时间、常用软件安装时间等主流应用30%~50%的时间缩短，无论是访问延时还是吞吐速度，其表现以接近PCI-E通道的高端SSD而高于SATA通道产品。
[责任编辑：Joy Teng]
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