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改进PC架构:Optane加速成常态

改进PC架构:Optane加速成常态
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2017-8-4 16:27   -Aa +Aa

20173月,基于3D Xpoint技术的Optane(傲腾)已经正式发布,面向消费市场的OptaneMemory5月初正式开售,入门级产品价格不过379元,就能改进今天PC的架构,解决PC最大的性能提升瓶颈问题。


和每年一更新、每次幅度超过20%的处理器相比,同样是PC关键部件的存储却更新缓慢,甚至拖了整个系统性能的后腿,技术原理缺乏突破是其根本原因,如何破解这一难题,有人已经给出了答案。

相当长时间以来,PC性能的瓶颈是内存,它是承接所有CPU处理数据的关键节点,更大容量可以将更多的数据保持在速度较高的内存中,之所以有这样的需求,恰恰是因为容量数千倍于内存的外存——HDD性能太低,如果CPU所需数据每次都要从HDD中调取,那么再快的CPU也要有99.99%以上的时间处于等待缓慢硬盘的状态。

HDD的缓慢,与其特殊的机械结构和线性存储逻辑有关,因此就有了转速越高性能越高(单位时间经过磁头的数据更多)、道间与最大寻道时间差异极大(磁头道间移动距离不同)、碟片/磁头数量减少抵消单碟容量增加带来的性能改进(性能与磁头数×转速×单碟容量正相关)等一系列奇葩现象。特别是原本依靠单碟容量增加可以有序地提高性能,但是在成本和功耗等多因素影响下,HDD碟片数量23~4个磁头)快速缩减到11~2个磁头)、转速从恒定7200r/min5900r/min或可变转速改进,即便单碟容量艰难提升到2TB,是此前的4~5倍,而吞吐性能提升幅度不超过50%,而寻道或者在其他设备中可视作延迟的性能还有所下降,谁来破解存储性能上的矛盾?

SSD么?可以算一个已被广泛接受的解决方案,前提是不在意成本。另外,最近在华为手机上爆出的闪存特性(接口规格)差异致其性能迥异事件,让eMMCUFS等生僻词汇成为焦点。SSD同样基于Flash,但是Flash的性能和耐久性上下差别超过10倍,甚于手机使用的颗粒。特别是在成本驱动下,Flash厂商极有意愿导入更新的制程,而与此同时,Flash特殊的存储结构导致制程越高(线宽越小)而耐久性(擦写)越差,如闪存盘广泛使用的低耐久性TLC芯片,擦写次数在200~500次之间,而经过优化的高耐久性TLC,擦写次数也在2000次上下徘徊不前。


DRAM么?别开玩笑了!它是内存,虽然性能百倍于SSD,但是成本也是百倍呀!别忘了它还要使用专用接口,不仅系统配置的模块数量有限而且容量也非常有限,换言之有钱也买不到。更要命的是,存储结构与Flash截然不同的DRAM,作为外存使用有着致命的弱点,就是其掉电易失性,其数据保持100%依赖电力,而且还要以读代存——通过不间断的周期性读操作,给存储单元充电,以保持数据不丢失,因此它还要搭配内存控制器使用,结构更为复杂。

以上3种存储技术的原理已经稳定数十年没有大突破,令存储性能裹足不前,而结合DRAM的速度、Flash的非易失性和HDD的低成本,是长久以来科学家们寻求的突破方向。随着英特尔公布3D Xpoint技术,成为第一种可以规模量产的此类产品。其他技术,如FeRAM(铁电)、MRAM(磁阻)、PRAM(相变)还是Millipede Memory(千足虫)、NanoRAM(碳纳米管),都距离产品化乃至商品化还有相当的距离,而基于3D Xpoint技术的Optane(傲腾)已经在3月正式发布,面向消费市场的Optane Memory5月初正式开售,入门级产品价格不过379元,就能改进今天PC的架构,解决PC最大的性能提升瓶颈问题。

Optane有着卓越的性能和出色特性,其读写原理类似于DRAM,通过行、列地址交叉确定位置,而3D的立体构造,则可将不同“位”的数据存放于不同“楼层”,地址还是一个,却可以一次性定位获取多个字节(依层数而定)的数据,性能和存储密度都大幅度提高。由于Optane读写原理有别于Flash,因此没有令人头疼的耐久性问题,其寿命可与DRAM媲美,同时它还没有DRAM的易失性,可以像Flash一样无电长期保持数据。要说弱点,Optane还是有的,目前其成本仍然高于TLC Flash,但是随着英特尔和其合作伙伴Micron开始规模生产,再加上制程提高对成本的抑制作用,容量过1TBOptane SSD已经在今年发布的Road Map中。在消费级市场上,OptaneMemory的不足,则更多的是因为市场原因,即人为的刻意限制,如目前只有最新的200系列芯片组加上7代酷睿(不支持PentiumCeleron)可以使用、容量小(16GB32GB)、价格略高(16GB379元)和只开通PCI-E 3.0 x2模式等,使用更高规格完全没有技术障碍。


作为生力军,Optane当下要做的是教育市场,而距离占领市场还甚远。当年SSD进入市场时,DRAMHDD都已是极为成熟的产品,无论是显性的外观特征,还是隐性的性能表现,初代SSD既要兼容当时HDD的物理规格和接口,又要表现足够令人记忆深刻,因此并行推出了mSATA这样HDD难以涉足的领域,从而用又小又快教育了市场。今天Optane同样面临这样的教育工作,如今的它,从名字、外形规格到使用方式,都太像已经稀松平常的SSD了。改变传统观念要从专业——可发挥并认可价值和主流——改变习惯等两个方面入手,英特尔正是使用这种方式,首先推出了面向企业级用户的Optane SSD和面向入门级消费用户的OptaneMemory,前者主打大容量、高性能、低延时,后者解决存储瓶颈的实际问题。


虽然同为半导体+HDD的双硬盘组合,但是早早入市的SSDHDDCache实现全盘加速的解决方案如今已被束之高阁,Flash较高的延迟、难以满足超高频度读写的耐久性问题、全盘加速性能逊色于单SSD的现实以及全盘加速模式设置的复杂性,都令用户更倾向于将SSDHDD分开使用,这也极大地影响了跨盘使用的性能体验。Optane技术原理的不同,让用户完全不用担心延迟、耐久性和性能损失问题,再加上英特尔专门为Optane Memory推出了新版RSTRapid Storage Technology,快速存储技术)软件,确认开启加速系统自动完成设置,使其可用性、易用性大大提升。加速完成后,Optane MemoryHDD逻辑上将合并为单一驱动器,因此也不会对系统管理和用户使用习惯造成任何影响,全HDD容量可实现如Optane Memory性能的加速表现,可谓PC性能提升的神油!

相信有着这样的实际表现,Optane将很快普及到对性能和容量有着同时要求的领域,最先的收益者是还占市场份额85%以上的单HDD配置的台式电脑用户。对他们来说,比主机平均价格再额外投资10%,所得到的却是过去的解决方案多投资100%也做不到的。从这点来说,OptanePC架构改进的推动力是空前巨大的。


很快,Optane将进一步拓展其应用领域,除了台式电脑及其延伸的一体电脑、NUC等细分领域产品外,笔记本电脑及老平台也将有可能收益与它。不过话说回来,这还是要看英特尔推进Optane有多迫切,这是个市场问题。



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