英特爾傲騰(Optane)內(nèi)存面世

內(nèi)存對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)始終是一種稀缺資源，上到大型計(jì)算機(jī)、高性能計(jì)算機(jī)，小到智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備。數(shù)十年前業(yè)已成型的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)架構(gòu)，確立了計(jì)算和存儲(chǔ)兩者間的關(guān)系。更具體一些，負(fù)責(zé)實(shí)質(zhì)計(jì)算的CPU中ALU單元只會(huì)從固定的位置(寄存器)獲取數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果也只會(huì)存在固定位置，而CPU的控制單元(CU)根據(jù)指令不斷地將數(shù)據(jù)放入或取出，完成了整個(gè)計(jì)算的過(guò)程。實(shí)際情況略復(fù)雜一些，CU所讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)還包括了地址信息，這樣它才知道數(shù)據(jù)從何出來(lái)或向何處去。和同樣起到緩沖作用、但以減低接口壓力的Buffer不同，Cache是加速內(nèi)存數(shù)據(jù)存取，經(jīng)過(guò)Cache一級(jí)一級(jí)的映射和預(yù)取，內(nèi)存逐漸接近并匹配千倍于其速度的ALU，計(jì)算的瓶頸隨之打破。在整個(gè)映射過(guò)程中，內(nèi)存中數(shù)據(jù)的地址，并未因映射而改變。

英特爾傲騰(Optane)內(nèi)存產(chǎn)品

從硬盤(pán)到傲騰

雖然中文都是一樣的“內(nèi)存”，但是Memory、RAM和DRAM卻是截然不同的含義。馮·諾依曼架構(gòu)的內(nèi)存是Memory，數(shù)據(jù)能通過(guò)地址索引存儲(chǔ)在上面就可以，而RAM則是落地到計(jì)算設(shè)備(計(jì)算機(jī)、手機(jī)等)的Memory技術(shù)類型，具體的產(chǎn)品是DRAM，對(duì)應(yīng)關(guān)系如同外存 --> 光盤(pán) --> DVD一樣。即便已經(jīng)是相對(duì)最便宜的類型，DRAM價(jià)格仍然高達(dá)10美元/GB，是主流外存設(shè)備HDD有著100倍以上的價(jià)格差距。更致命的是，DRAM是典型的易失性半導(dǎo)體，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是斷電就會(huì)丟失數(shù)據(jù)，不僅需要在通電狀態(tài)下不斷刷新數(shù)據(jù)(通過(guò)讀操作完成)，而且每次加電，都需要重新從外存加載數(shù)據(jù)，說(shuō)白了就是從更慢的硬盤(pán)上讀取系統(tǒng)、應(yīng)用和數(shù)據(jù)，這就是為什么硬盤(pán)的速度對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間的影響最大最直接了。

與內(nèi)存相對(duì)應(yīng)，外存是容量更大，同時(shí)不以內(nèi)存地址映射表形式保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，HDD(硬盤(pán))可謂是我們最熟悉，并且仍然是最主流的外存產(chǎn)品，其存儲(chǔ)邏輯已變?yōu)榉謪^(qū)表索引扇區(qū)的形式，SSD在存儲(chǔ)邏輯上與HDD并無(wú)差異，而物理介質(zhì)上的存儲(chǔ)邏輯有別，另外就是相應(yīng)延遲更短、數(shù)據(jù)持續(xù)傳輸帶寬更高。

對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它并不“認(rèn)得”外存，OS(操作系統(tǒng))起到了很好的“翻譯”作用，將系統(tǒng)發(fā)出的內(nèi)存訪問(wèn)需求轉(zhuǎn)化為硬盤(pán)讀寫(xiě)操作，DOS(Disk Operating System，磁盤(pán)操作系統(tǒng))就是這么來(lái)的。計(jì)算機(jī)并不知道數(shù)據(jù)真實(shí)存儲(chǔ)在何處，而OS知道，當(dāng)要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)不再內(nèi)存中時(shí)，OS會(huì)臨時(shí)將其從外存中調(diào)入，這個(gè)速度只有直接訪問(wèn)就能獲得數(shù)據(jù)的千分之一，在獲得該數(shù)據(jù)前計(jì)算機(jī)只能等待，所有時(shí)間被浪費(fèi)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的OS或驅(qū)動(dòng)程序，可以預(yù)判計(jì)算機(jī)將要求的下一個(gè)數(shù)據(jù)，從而提前將其裝入內(nèi)存。至于為什么OS不把所有數(shù)據(jù)都裝入內(nèi)存，以減少數(shù)據(jù)等待時(shí)間，這還不都是容量不夠、價(jià)格高企造成的么。使用高性能SSD能解決從外存獲取數(shù)據(jù)速度的問(wèn)題么?這里先留給懸念，稍后詳細(xì)解讀。

新的思路

技術(shù)已經(jīng)發(fā)布一年多的3D Xpoint，終于以O(shè)ptane(傲騰)的產(chǎn)品形式落地了，姑且不論面向企業(yè)級(jí)高性能存儲(chǔ)市場(chǎng)的Optane SSD和暫未推出的Optane DIMM，先來(lái)說(shuō)說(shuō)解決PC外存性能不足問(wèn)題的第三種產(chǎn)品形式Optane Memory。

Optane Memory是夾在內(nèi)存(DRAM)和外存(HDD)中的“勸架人”，又是OS處理數(shù)據(jù)訪問(wèn)需求的好幫手，它情商頗高，三頭都喜歡它，內(nèi)存和外存都愿意與它交換數(shù)據(jù)，OS對(duì)它管理外存的能力非常放心。而在Optane Memory誕生之前，內(nèi)存總是埋怨外存“太肉”，而外存則抱怨內(nèi)存對(duì)它呼來(lái)喚去都快累死了，OS經(jīng)常里外不是人。

Optane Memory憑什么讓大家都喜歡它?這還要從它的身世說(shuō)起。今天的計(jì)算機(jī)，特別是PC核心的性能瓶頸已經(jīng)從CPU、內(nèi)存轉(zhuǎn)移到外存，更高頻率的CPU、更大容量的內(nèi)存，只能解決有限的數(shù)據(jù)問(wèn)題，一旦牽扯到更大量的數(shù)據(jù)，就必須和慢吞吞的外存打交道。甚至在越來(lái)越多的實(shí)際應(yīng)用中，更大的內(nèi)存拖累了PC的性能體驗(yàn)。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)OS獲知有4GB內(nèi)存時(shí)，它會(huì)調(diào)用較少的2GB數(shù)據(jù)，100MB/s讀寫(xiě)性能的HDD需用時(shí)20秒;而當(dāng)內(nèi)存增至8GB，OS會(huì)允許調(diào)入6GB數(shù)據(jù)，需讀取數(shù)據(jù)60秒，PC等待時(shí)間變長(zhǎng)、體驗(yàn)變差。好在這只是個(gè)比方，現(xiàn)實(shí)中的OS沒(méi)有那么不濟(jì)，可以在數(shù)據(jù)部分調(diào)入內(nèi)存后就允許CPU還是工作，極端情況下已經(jīng)處理的數(shù)據(jù)回寫(xiě)與讀取數(shù)據(jù)的沖突才更令人撓頭。

Optane Memory恰好出現(xiàn)在這個(gè)位置。它本質(zhì)上是一種緩存，在英特爾RST(Rapid Storage Technology)驅(qū)動(dòng)幫助下，它可以協(xié)助OS將HDD上的頻繁訪問(wèn)數(shù)據(jù)預(yù)讀到自己內(nèi)部，等待OS隨時(shí)發(fā)號(hào)將數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存的施令。Optane Memory采用了全新的存儲(chǔ)介質(zhì)，響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)別、速度是GB/s級(jí)別，均比高性能SSD高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，以接近甚至達(dá)到DRAM的水平，可謂一呼即應(yīng)。目前Optane Memory模塊已推出16GB和32GB兩種容量，能夠輕易做到兩倍于主流電腦DRAM容量的水平，再也不用擔(dān)心512MB或1GB的TurboMemory模塊上所出現(xiàn)的數(shù)據(jù)量不夠內(nèi)存用的問(wèn)題，對(duì)DRAM來(lái)說(shuō)，由它所供給的數(shù)據(jù)可謂源源不絕。同時(shí)，Optane Memory與DRAM的特性相同，支持多任務(wù)并行操作，在不斷喂飽DRAM的同時(shí)還能從HDD繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)回HDD，這個(gè)能力可謂是HDD技術(shù)發(fā)展幾十年來(lái)夢(mèng)寐以求的能力。對(duì)HDD來(lái)說(shuō)，Optane Memory既遷就了它的低速、“同意”用時(shí)間換總量，又擋住了嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)和小數(shù)據(jù)頻繁讀寫(xiě)，對(duì)延長(zhǎng)壽命、降低功耗頗有貢獻(xiàn)。

新性能指標(biāo)

如今，對(duì)尋求性能的PC來(lái)說(shuō)，配備SSD是相當(dāng)不錯(cuò)的選擇，但與此同時(shí)，容量和價(jià)格的問(wèn)題困擾著它完全取代HDD，在預(yù)算允許的情況下，SSD+HDD的雙盤(pán)方案成為可能。然而，從整體PC配備的硬盤(pán)情況來(lái)看，雙盤(pán)的比例恰恰最低，從金錢(qián)到管理，成本問(wèn)題是最大的障礙;使用集成NAND模塊為HDD加速的SSHD產(chǎn)品配備率也不高，產(chǎn)品選擇少、性能提升有限等因素是主要制約。對(duì)更多用戶來(lái)說(shuō)，單盤(pán)仍然是主要選擇，而其中單HDD攜容量和成本優(yōu)勢(shì)占據(jù)85%的份額。

Optane Memory很有可能改變這一市場(chǎng)格局，甚至成為實(shí)質(zhì)拉動(dòng)存儲(chǔ)性能上新臺(tái)階的推手。在SSD價(jià)格不跌反漲的當(dāng)下，Optane Memory可以讓數(shù)TB容量的數(shù)據(jù)達(dá)到甚至超越SSD的性能表現(xiàn)，同價(jià)格情況下，SSD只有100GB量級(jí)的容量。回到剛才留下的包袱，除了局促的容量難以令SSD發(fā)揮出最佳性能，SSD在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)邏輯中仍舊是外存設(shè)備，其上存儲(chǔ)的是文件，但是Optane Memory在RST的幫助下，已經(jīng)將HDD上的文件整理為內(nèi)存直接可用的數(shù)據(jù)塊，在系統(tǒng)調(diào)用時(shí)直接減少了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程，對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)響應(yīng)更快至DRAM水平。

更具意義的部分在于，Optane Memory性能是如此出色，竟還被OS當(dāng)作硬盤(pán)使用。當(dāng)開(kāi)啟虛擬內(nèi)存功能時(shí)，內(nèi)存鏡像要暫存至HDD，這個(gè)功能雖緩解了系統(tǒng)內(nèi)存不足問(wèn)題，但HDD太慢，動(dòng)輒過(guò)GB虛擬內(nèi)存頁(yè)的讀寫(xiě)交換過(guò)程嚴(yán)重影響體驗(yàn)。Optane Memory在此時(shí)變身為影子HDD，帶來(lái)數(shù)十倍的速度提升，變相增加了系統(tǒng)內(nèi)存容量，形成了類似Xeon平臺(tái)+Optane SSD才能做到的內(nèi)存池(Memory Pool)特性，即DRAM+Optane Memory(虛擬內(nèi)存形式)。這也可以解釋為何在實(shí)際測(cè)試中，4GB內(nèi)存+16GB Optane Memory的系統(tǒng)比配備8GB內(nèi)存的HDD系統(tǒng)性能更為出色了。

如今，主流PC的內(nèi)存容量不過(guò)8GB-16GB，數(shù)百元的Optane Memory就能帶來(lái)數(shù)千元內(nèi)存才能做到的32GB-64GB內(nèi)存性能和應(yīng)用能力，更有本職工作 -- 加速HDD，真可謂以小博大的經(jīng)典呀。