2017年1月4日,英特爾正式解禁了最新的第七代智能酷睿處理器家族全系新品,加上早前NVIDIA推出的GTX 10系獨顯,電腦產(chǎn)品硬件迎來又一次全面更新。從我們的測試以及網(wǎng)絡(luò)上普通用戶相繼發(fā)出的個人測試結(jié)果來看,英特爾第七代酷睿處理器相對于第六代處理器而言,在跑分性能上提升幅度并不大。不過這并不是說第七代酷睿就是徹頭徹尾的“擠牙膏”一代。
其實相對于紙面跑分性能的表現(xiàn),英特爾在第七代酷睿平臺底層上做了較大幅度的優(yōu)化,包括架構(gòu)、指令集等方面。因此我們其實可以這樣認為:雖然Kabylake與Skylake同樣都使用了14nm工藝制程,跑分差異也并不大,但Kabylake是更為先進的14nm工藝制程,整體的能效比更為出色。
不過,相對于處理器性能而言,筆者對于與七代酷睿同行而來的“Optane內(nèi)存”更感興趣。同時,筆者個人認為第七代酷睿與200系芯片組最大的驚喜,也來自于對Optane的支持。
在2017年1月4日的發(fā)布會上,英特爾正式公布了Optane的中文名稱——閃騰。那么Optane到底是什么?它的基本技術(shù)原理是怎樣的?相對于以往的存儲介質(zhì)來說有哪些優(yōu)勢呢?
接下來,筆者將用最容易被大家理解的語言,來揭開Optane的秘密。
打破NAND瓶頸 存儲進入3D時代
其實早在2015年8月份的舊金山IDF 15上,英特爾就公布了Optane。但當(dāng)時并未強調(diào)Optane,而是以O(shè)ptane的核心技術(shù)3D Xpoint為主要切入點來向媒體以及用戶做出展示的,因此要想搞懂Optane是什么,首先要明白Optane核心的3D Xpoint技術(shù)是什么?
我們都知道,以往PC體驗主要受制于處理器性能,尤其在奔騰、賽揚時代最為明顯。而到了酷睿時代,隨著處理器性能不斷飛躍,影響PC整體體驗的瓶頸從處理器逐漸轉(zhuǎn)向內(nèi)存、硬盤這樣的存儲介質(zhì)。這就是為什么老處理器平臺機器加個內(nèi)存條、換塊固態(tài)硬盤就能再戰(zhàn)五年的主要原因。
硬盤性能成為時下PC性能體驗的主要瓶頸
因此,如今電腦性能的提升,已經(jīng)從以往的“升級處理器”轉(zhuǎn)向了“升級內(nèi)存與硬盤”。
不過,即便是同等規(guī)格下的內(nèi)存與硬盤也存在性能上的高低差異,想要進一步突破瓶頸,就需要推出更加先進的存儲技術(shù)。Optane所使用的3D Xpoint技術(shù),就是為此而生。
時下,內(nèi)存與固態(tài)硬盤所使用的都是NAND閃存,想要在此基礎(chǔ)上去不斷提升性能變得越來越困難,所以需要全新的閃存技術(shù)來實現(xiàn)性能的突破,3D Xpoint就是針對NAND閃存瓶頸而打造的全新技術(shù)。總結(jié)為一句話就是:NAND閃存性能提升難以突破之后,3D Xpoint的出現(xiàn)為性能再次飛躍帶來了可能。
NAND閃存性能突破已現(xiàn)瓶頸
那么3D Xpoint技術(shù)的原理是什么呢?為什么能夠完成NAND閃存所不能完成的任務(wù)呢?
首先要明白的是,3D Xpoint是一種改變傳統(tǒng)閃存架構(gòu)的技術(shù),本質(zhì)上并不是一種單純通過提升閃存存取速度來達到性能提升的技術(shù)。這就像處理器性能提升過程中,除了暴力拉升主頻之外,對底層架構(gòu)優(yōu)化也能夠達到性能提升一樣,3D Xpoint技術(shù)就是一種全新的閃存架構(gòu)技術(shù)。
那么有朋友就要問了,3D Xpoint架構(gòu)與傳統(tǒng)的NAND閃存架構(gòu)有何不同呢?
這里我們不妨以比喻的方式來進行說明,這樣會更好理解。
首先我們假設(shè)有一個占地20000平米土地的小鎮(zhèn),鎮(zhèn)子里起先有2000個人。在3D Xpoint出現(xiàn)之前,鎮(zhèn)子里的人都住在平房里,那么這時候每個人所攤的面積只有20000÷2000=10平米。大家可以想像一下10平米的空間得是有多擠。
面對這種狀況,小鎮(zhèn)領(lǐng)導(dǎo)班子經(jīng)過研究請來了一位設(shè)計師和一個施工隊,力求解決小鎮(zhèn)居民們現(xiàn)在這種擁擠的狀況。于是設(shè)計師設(shè)計出了一幢足夠容納2000人的大樓,而施工隊則將原本的平房都推到,迅速蓋起了設(shè)計師設(shè)計出的大樓。這幢大樓的占地面積必然要比原本的大片平房占地面積小很多,但卻容納了原有的2000人。
3D Xpoint技術(shù)就是一種先進的3D存儲技術(shù)
說到這里相信大家已經(jīng)明白了吧?沒錯!3D Xpoint就像它的名字“3D”一樣,是一種立體化的閃存架構(gòu)。3D Xpoint技術(shù)其實就是將原本平面化的NAND閃存結(jié)構(gòu)變成了立體結(jié)構(gòu),在這樣的立體結(jié)構(gòu)里,存儲容量不再單純受芯片平面面積大小的影響,因此同樣的芯片面積上可以容納更大的數(shù)據(jù)吞吐量。
此外,領(lǐng)導(dǎo)班子請來的這位設(shè)計師和施工隊,就是這項技術(shù)的設(shè)計者和開發(fā)者——英特爾與鎂光。所以我們也就明白了,英特爾推出的基于3D Xpoint技術(shù)的Optane內(nèi)存與Optane固態(tài)硬盤,實質(zhì)上就是全新的3D存儲介質(zhì)。
引入新架構(gòu) 數(shù)據(jù)吞吐更高效
3D Xpoint是一種立體化的存儲技術(shù),它看起來與同為3D設(shè)計的TLC NAND技術(shù)相似,但其實本質(zhì)卻不同,3D Xpoint并不單純是NAND,而是一種新的存儲介質(zhì),并且是一種新的非易失性存儲技術(shù)。從架構(gòu)設(shè)計上看,它與FlashTec NVRAM加速卡有些近似,用RAM作為緩存,提高訪問速度,同時用NAND作為存儲介質(zhì)。因此,3D Xpoint在速度上有優(yōu)勢,同時又具有非易失性存儲的優(yōu)點。
然而看到這里可能懂行的朋友就會說了,“這不就是之前各家都推過的3D內(nèi)存嗎?有啥可吹的?”
雖說3D Xpoint同樣是一種3D閃存,但此3D并非彼3D,二者之間還是有較大差異的。我們還是以比喻的方式來說明。
普通3D閃存是一層地建一層平房,之后通過多層地面堆疊構(gòu)成3D閃存,但本質(zhì)上房子還是平房。而3D Xpoint是在一層地上就建了很多幢大樓,并且蓋完大樓還能堆很多層地,然后再建大樓,與平房比起來,自然是樓房單位面積內(nèi)的容量更大,孰優(yōu)孰劣顯而易見。
那么英特爾的3D Xpoint技術(shù)在架構(gòu)方面有怎樣的特性呢?為什么能夠被稱為革命性的架構(gòu)轉(zhuǎn)變呢?
其一,高效的交叉陣列結(jié)構(gòu)。
3D Xpoint讓存儲變得立體化,那么在立體化的空間里排布存儲單元就與在平面里排布有所不同。基于3D Xpoint技術(shù)的存儲介質(zhì)中,通過垂直導(dǎo)線連接著多達1280億個密集排列存儲單元,每個存儲單元存儲一位數(shù)據(jù),立體化讓結(jié)構(gòu)變得更加緊湊,而借助這種緊湊的結(jié)構(gòu)就可以獲得高性能和高密度位。
這么說可能大家不太明白,我們還是以比喻的方式對上面一段文字做個解釋:設(shè)計師英特爾先生在設(shè)計好小鎮(zhèn)大樓之后,覺得如果還是按照傳統(tǒng)的走廊式設(shè)計,那么住在這幢大樓里的2000人串門會很不方便。于是英特爾先生瞬間被哆啦A夢附體,給每個房間都裝了無數(shù)個任意門,而這些任意門可以讓大樓里的居民們直通樓里的任何一個房間,這樣的話有人想串門時就會方便、高效的多了。
開了任意門之后,“串門”就方便多了
這就是3D Xpoint技術(shù)的交叉陣列結(jié)構(gòu)。它可以讓大樓里(存儲介質(zhì))的每一個居民(存儲單元里的一位數(shù)據(jù))之間的聯(lián)系變得更加緊密高效,數(shù)據(jù)的吞吐變得迅捷自由,交叉陣列結(jié)構(gòu)的高效性就在這里。
其二,存儲單元可堆疊。
交叉陣列結(jié)構(gòu)讓數(shù)據(jù)的吞吐變得迅捷、高效,然而如果數(shù)據(jù)容量無法得到保證的話,這種高效吞吐又會失去意義。在單個文件容量越來越大的今天,存儲介質(zhì)在提升速度之外,當(dāng)然還要重視容量的提升。因此,3D Xpoint技術(shù)還允許存儲單元被堆疊到多個層中,這樣就可以有效提升存儲介質(zhì)的容量。
目前,現(xiàn)有的技術(shù)可以使集成兩個存儲層的單個芯片存儲128Gb數(shù)據(jù),而未來,通過改進光刻技術(shù)、增加存儲層的數(shù)量,其系統(tǒng)容量可以獲得進一步的提升。
那么“存儲單元堆疊”是啥意思呢?接下來我們再以比喻的方式為大家進行解讀:
允許存儲單元堆疊,就可以在有限的面積內(nèi)增大存儲容量。所以我們回到英特爾先生設(shè)計的大樓所在的這個小鎮(zhèn)子中來。
在當(dāng)初英特爾先生設(shè)計大樓時,小鎮(zhèn)常住居民只有2000人,于是設(shè)計一幢大樓就可以容納下這些人,但小鎮(zhèn)的實際面積有20000平米,一幢大樓占地面積顯然不可能有20000平米這么多,這樣如果只蓋一幢大樓的話,那么其它“土地”就完全浪費了。因此英特爾先生開始考慮是不是要把剩余的土地利用起來,以求利益的最大化。
于是,英特爾先生與鎂光施工隊一合計!就又在這20000平米的土地上蓋了更多的房子,然而土地都被用來蓋房子了,小鎮(zhèn)里的道路問題怎么解決呢?頗富想象力的英特爾先生并未采用傳統(tǒng)的地面道路建設(shè)方案,而是把每一幢大樓通過任意門相互打通,使新加入的居民和老居民之間能夠任意進出每一幢大樓的每一個房間。
給小鎮(zhèn)建設(shè)更多的“樓房”來提升容量
這就是存儲單元堆疊與交叉陣列結(jié)構(gòu)同時存在于3D Xpoint技術(shù)里的原由,不僅每一幢樓里的住戶們之間能夠自由“串門”,樓與樓之間的住戶們同樣可以自由“串門”。技術(shù)呈現(xiàn)出來的效果就是:既能夠擴大存儲容量,又能夠通過交叉陣列結(jié)構(gòu)提升數(shù)據(jù)吞吐速度。
加入新模塊 高效又長壽
其實明眼人都能看得出來,之前我們所說的交叉陣列結(jié)構(gòu)與存儲單元堆疊都是為了小鎮(zhèn)“住戶”來考慮的,小鎮(zhèn)住戶的身份其實就是數(shù)據(jù)存儲。但內(nèi)存與硬盤不只是涉及到“存儲”這個概念,訪問與讀取也是很重要的。存儲快了,但是訪問、讀取慢了的話,內(nèi)存、硬盤性能還是上不去,蓋那么多大樓、開那么多任意門豈不是白白浪費了?
·引入選擇器提升效率 延長壽命
所以英特爾在3D Xpoint技術(shù)中又引入了選擇器。
我們知道,在NAND閃存中,數(shù)據(jù)是以位(bit)的方式保存在Memory Cell中,一個Cell存儲一個bit,這些Cell或8個或16個為單位,連成bit line,而這些line組合起來會構(gòu)成Page,NAND閃存就是以頁為單位讀寫數(shù)據(jù),以塊為單位擦除數(shù)據(jù),同時按照這樣的組織方式形成三類地址:Block Address、Page Address以及Column Address。對于NAND閃存來講,地址和命令只能在I/O上傳遞,數(shù)據(jù)寬度只有8位。
3D Xpoint中的選擇器就是為了解決這些瓶頸而被“請”來的。我們先看看其原理:
存儲單元通過改變發(fā)送至每個選擇器的電壓,來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問、寫入或讀取,相對于NADN閃存通過尋址方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問、寫入、讀取或擦除的方式,3D Xpoint效率更高。此外這樣做的好處不僅消除了對晶體管的需求,同時也在提高存儲容量時能夠降低成本。因此3D Xpoint是一項既能夠提高存儲介質(zhì)速度、性能的技術(shù),同時又是一項能夠降低存儲介質(zhì)成本的技術(shù)。
不明白?沒關(guān)系,我們還是以比喻的方式對此進行說明:
設(shè)計師英特爾先生與鎂光施工隊在小鎮(zhèn)上的開發(fā),讓原本只有20000平米的小鎮(zhèn)擁有了一個高樓連著高樓的超大規(guī)模住宅區(qū),目測一下似乎住個200000人也不成問題了。但尷尬的是,這個小鎮(zhèn)原本的常住居民只有2000人,那另外那些空著的房子怎么辦呢?
于是英特爾先生與鎂光施工隊狼狽為……呃,再次合作,合伙拓展旅游事業(yè)。他們將空置的房間改成旅館,租給來來往往路過這個鎮(zhèn)子的游客。但是游客們都想住在采光好、視野好的房子里,所以時間久了這些房間就會因過度使用而出現(xiàn)問題。
合理分配延長存儲單元使用壽命
面對這樣的尷尬,英特爾先生和鎂光施工隊又想出一個游客管理辦法:讓游客們輪流使用所有房間。這樣就不會出現(xiàn)一個采光好、視野好的房子經(jīng)常被光顧,卻因過度使用而損壞甚至垮塌的悲劇。
說到這里可能大家明白了,選擇器的主要作用就在于,它可以合理有效的調(diào)控數(shù)據(jù)存儲位置,并且讓數(shù)據(jù)不單單只呆在一個地方,通過這種動態(tài)、隨機的分配機制,可以讓存儲單元有更高的有效利用率,同時也能夠讓訪問、寫入、讀取、擦除變得更高效,此外整個存儲介質(zhì)的壽命也會變得更長。
如果說交叉陣列結(jié)構(gòu)是為數(shù)據(jù)蓋了一棟大房子,而存儲單元堆疊讓這棟大房子更具規(guī)模,那么選擇器在其中所起的作用,就是合理有效的調(diào)動這片大規(guī)模房屋中的數(shù)據(jù),讓它們變得更易訪問、更快速的讀寫。
引入快速切換單元 提升效率
然而,面對超大量的數(shù)據(jù)吞吐,如果僅憑借選擇器的話,效率還是有所掣肘,畢竟“一個人”的力量是有限的,一個選擇器也無法解決所有問題。因此3D Xpoint中還引入了“快速切換單元”。通過快速切換單元,選擇器就像開了掛一樣,其高效性就會被徹底激發(fā)出來。
我們還是先來了解一下基本的原理:
基于3D Xpoint技術(shù)所打造的存儲介質(zhì),會憑借更為小尺寸的存儲單元,快速切換選擇器、低延遲交叉點陣列以及快速寫入算法,讓每一個成員始終處于高效的工作狀態(tài)中,而避免有的忙有的閑這樣的情況發(fā)生。在這種情況下,存儲單元能夠以高于目前所有非易失性存儲技術(shù)的速度切換其狀態(tài)。這是3D Xpoint技術(shù)提升存儲性能的秘訣所在。
還是沒看懂?別急,來來來,讓我們再回到小鎮(zhèn)中來。
其實很多人從來沒有見過英特爾先生和鎂光施工隊這樣的蓋房子方法,于是慕名而來參觀的游客越來越多,同時也想體驗一下小鎮(zhèn)的生活。這雖然是好事,但人一多,就造成了接待處經(jīng)常排長隊的現(xiàn)象,不僅給小鎮(zhèn)的形象帶來了影響,同時也讓游客們抱怨不已。
針對這種情況,設(shè)計師英特爾先生決定培養(yǎng)一批專業(yè)管理員,讓他們了解小鎮(zhèn)大樓里每一個房間的位置以及情況。經(jīng)過培訓(xùn)的管理員們被安排在了每一棟大樓的門口,當(dāng)有游客到了之后,這些管理員會一對一輕車熟路的將他們領(lǐng)到相應(yīng)位置的空房間里住下,這樣就緩解了接待處的壓力,讓效率得到提升。
對于海量數(shù)據(jù)吞吐而言,省略尋址過程是提升效率的重要手段
而這些管理員,其實就是快速切換單元,它們能夠?qū)?shù)據(jù)合理、快速的分配到?jīng)]有人住的房間,省略了中間一一排查尋址的過程,自然而然也就能夠提升數(shù)據(jù)吞吐的速度了。
從之前的解讀中我們可以看出,基于3D Xpoint技術(shù)的Optane內(nèi)存與Optane固態(tài)硬盤,實質(zhì)上就是近年來所出現(xiàn)的3D閃存技術(shù)。然而英特爾的高明之處在于,3D Xpoint技術(shù)是以“3D+3D”的方式來最大限度提升效率與性能,普通的3D存儲技術(shù)則是“2D+3D”的方式,二者孰優(yōu)孰劣,差異在哪兒,顯而易見了吧?
那么英特爾的Optane內(nèi)存與Optane硬盤實際表現(xiàn)到底怎樣呢?我們什么時候才能使用到Optane呢?怎樣的硬件配置才支持Optane呢?
首先,Optane在最初公布之時,主要是要推廣Optane固態(tài)硬盤。而隨著第七代酷睿平臺的公布,英特爾也增加了Optane內(nèi)存。
其次,Optane內(nèi)存將在2017年第二季度正式出貨,而Optane固態(tài)硬盤的出貨時間尚未公布。Optane內(nèi)存型號為Intel Optane Memory 8000P系列,擁有16GB與32GB兩種容量規(guī)格。Optane中文名為“閃騰”,搭載Optane的電腦會有專屬的“Optane貼標”。
第三,Optane內(nèi)存與硬盤都是通過M.2接口來進行數(shù)據(jù)傳輸。
第四,只有英特爾200系芯片組主板以及英特爾第七代酷睿處理器才支持Optane內(nèi)存,非200系主板或者200系主板卻并未搭載第七代酷睿這些情況,是不支持Optane內(nèi)存的。所以想要體驗Optane內(nèi)存,就必須要同時升級200系主板與第七代酷睿。
最后,Optane內(nèi)存目前的實際用途其實就是溝通系統(tǒng)內(nèi)存與SSD或HDD之間的緩存,也可以理解為用內(nèi)存的速度干硬盤的事。
接下來我們再看看英特爾官方公布的一些數(shù)據(jù):
首先,我們之前也說了,Optane是由英特爾與鎂光聯(lián)合開發(fā)的全新閃存標準,是一種非易失性存儲技術(shù),結(jié)合了DRAM內(nèi)存的高速度與NAND閃存的數(shù)據(jù)保持性,壽命更長。
其次,Optane內(nèi)存可以與系統(tǒng)內(nèi)存、HDD、SSD共存,它的主要作用是提升HDD/SSD速度,以及系統(tǒng)響應(yīng)速度,包括系統(tǒng)啟動速度、應(yīng)用載入速度等,可以看作是內(nèi)存、硬盤之外的一種高速輔助存儲介質(zhì)。
第三,在性能方面,官方公布的數(shù)據(jù)為:理論速度是目前NAND閃存的1000倍,耐用性也達到1000倍,支持NVMe,有M.2 2241與M.2 2280兩種規(guī)格。
讀寫性能方面,32GB版本最高讀取速度為1600MB/s,寫入速度500MB/s;4K隨機讀取部分為300K IOPS,4K隨機寫入是120K IOPS。16GB版本讀取為1400MB/s,寫入最高為300MB/s;4K隨機讀取為285K IOPS,4K隨機寫入是70K IOPS。
不過究竟實際性能如何,我們也要等到2017年第二季度出貨之后才能看到了。此外,Optane初代產(chǎn)品性能可能會有所保留,但未來潛力巨大,4K隨機讀取性能峰值或可達到464300 IOPS,是其現(xiàn)有企業(yè)級SSD P3700的五倍還多,對電腦體驗提升相當(dāng)可觀,值得期待。