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(dú)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(gè)人測試結(jié)果來看,英特爾第七代酷睿處理器相對(duì)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(shí)相對(duì)于紙面跑分性能的表現(xiàn),英特爾在第七代酷睿平臺(tái)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(shí)可以這樣認(rèn)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(jìn)的14nm工藝制程,整體的能效比更為出色。

不過,相對(duì)于處理器性能而言,筆者對(duì)于與七代酷睿同行而來的“Optane內(nèi)存”更感興趣。同時(shí),筆者個(gè)人認(rèn)為第七代酷睿與200系芯片組最大的驚喜,也來自于對(duì)Optane的支持。

在2017年1月4日的發(fā)布會(huì)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(duì)于以往的存儲(chǔ)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(chǔ)進(jìn)入3D時(shí)代

其實(shí)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(shí)并未強(qiáng)調(diào)Optane,而是以O(shè)ptane的核心技術(shù)3D Xpoint為主要切入點(diǎn)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(yàn)主要受制于處理器性能,尤其在奔騰、賽揚(yáng)時(shí)代最為明顯。而到了酷睿時(shí)代,隨著處理器性能不斷飛躍,影響PC整體體驗(yàn)的瓶頸從處理器逐漸轉(zhuǎn)向內(nèi)存、硬盤這樣的存儲(chǔ)介質(zhì)。這就是為什么老處理器平臺(tái)機(jī)器加個(gè)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(shí)下PC性能體驗(yàn)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(jí)處理器”轉(zhuǎn)向了“升級(jí)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(jìn)一步突破瓶頸,就需要推出更加先進(jìn)的存儲(chǔ)技術(shù)。Optane所使用的3D Xpoint技術(shù),就是為此而生。

時(shí)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(shí)現(xiàn)性能的突破,3D Xpoint就是針對(duì)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(dá)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(duì)底層架構(gòu)優(yōu)化也能夠達(dá)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(jìn)行說明,這樣會(huì)更好理解。

首先我們假設(shè)有一個(gè)占地20000平米土地的小鎮(zhèn),鎮(zhèn)子里起先有2000個(gè)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(shí)候每個(gè)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(duì)這種狀況,小鎮(zhèn)領(lǐng)導(dǎo)班子經(jīng)過研究請(qǐng)來了一位設(shè)計(jì)師和一個(gè)施工隊(duì),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(jì)師設(shè)計(jì)出了一幢足夠容納2000人的大樓,而施工隊(duì)則將原本的平房都推到,迅速蓋起了設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)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(jìn)的3D存儲(chǔ)技術(shù)

說到這里相信大家已經(jīng)明白了吧?沒錯(cuò)!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(shí)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(chǔ)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(qǐng)來的這位設(shè)計(jì)師和施工隊(duì),就是這項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)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(shí)質(zhì)上就是全新的3D存儲(chǔ)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(chǔ)技術(shù),它看起來與同為3D設(shè)計(jì)的TLC NAND技術(shù)相似,但其實(shí)本質(zhì)卻不同,3D Xpoint并不單純是NAND,而是一種新的存儲(chǔ)介質(zhì),并且是一種新的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)。從架構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)用NAND作為存儲(chǔ)介質(zhì)。因此,3D Xpoint在速度上有優(yōu)勢,同時(shí)又具有非易失性存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)。

然而看到這里可能懂行的朋友就會(huì)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(chǔ)變得立體化,那么在立體化的空間里排布存儲(chǔ)單元就與在平面里排布有所不同?；?D Xpoint技術(shù)的存儲(chǔ)介質(zhì)中,通過垂直導(dǎo)線連接著多達(dá)1280億個(gè)密集排列存儲(chǔ)單元,每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)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(duì)上面一段文字做個(gè)解釋:設(shè)計(jì)師英特爾先生在設(shè)計(jì)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(jì),那么住在這幢大樓里的2000人串門會(huì)很不方便。于是英特爾先生瞬間被哆啦A夢附體,給每個(gè)房間都裝了無數(shù)個(gè)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(gè)房間,這樣的話有人想串門時(shí)就會(huì)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(chǔ)介質(zhì))的每一個(gè)居民(存儲(chǔ)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(chǔ)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(huì)失去意義。在單個(gè)文件容量越來越大的今天,存儲(chǔ)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(chǔ)單元被堆疊到多個(gè)層中,這樣就可以有效提升存儲(chǔ)介質(zhì)的容量。

目前,現(xiàn)有的技術(shù)可以使集成兩個(gè)存儲(chǔ)層的單個(gè)芯片存儲(chǔ)128Gb數(shù)據(jù),而未來,通過改進(jìn)光刻技術(shù)、增加存儲(chǔ)層的數(shù)量,其系統(tǒng)容量可以獲得進(jìn)一步的提升。

那么“存儲(chǔ)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(jìn)行解讀:

允許存儲(chǔ)單元堆疊,就可以在有限的面積內(nèi)增大存儲(chǔ)容量。所以我們回到英特爾先生設(shè)計(jì)的大樓所在的這個(gè)小鎮(zhèn)子中來。

在當(dāng)初英特爾先生設(shè)計(jì)大樓時(shí),小鎮(zhèn)常住居民只有2000人,于是設(shè)計(jì)一幢大樓就可以容納下這些人,但小鎮(zhèn)的實(shí)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(fèi)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(duì)一合計(jì)!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(jìn)出每一幢大樓的每一個(gè)房間。

給小鎮(zhèn)建設(shè)更多的“樓房”來提升容量

這就是存儲(chǔ)單元堆疊與交叉陣列結(jié)構(gòu)同時(shí)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(kuò)大存儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(shí)就是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。但內(nèi)存與硬盤不只是涉及到“存儲(chǔ)”這個(gè)概念,訪問與讀取也是很重要的。存儲(chǔ)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(fèi)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(gè)Cell存儲(chǔ)一個(gè)bit,這些Cell或8個(gè)或16個(gè)為單位,連成bit line,而這些line組合起來會(huì)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(shí)按照這樣的組織方式形成三類地址:Block Address、Page Address以及Column Address。對(duì)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(qǐng)”來的。我們先看看其原理:

存儲(chǔ)單元通過改變發(fā)送至每個(gè)選擇器的電壓,來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問、寫入或讀取,相對(duì)于NADN閃存通過尋址方式來實(shí)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(duì)晶體管的需求,同時(shí)也在提高存儲(chǔ)容量時(shí)能夠降低成本。因此3D Xpoint是一項(xiàng)既能夠提高存儲(chǔ)介質(zhì)速度、性能的技術(shù),同時(shí)又是一項(xiàng)能夠降低存儲(chǔ)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(duì)此進(jìn)行說明:

設(shè)計(jì)師英特爾先生與鎂光施工隊(duì)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(gè)高樓連著高樓的超大規(guī)模住宅區(qū),目測一下似乎住個(gè)200000人也不成問題了。但尷尬的是,這個(gè)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(duì)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(gè)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(shí)間久了這些房間就會(huì)因過度使用而出現(xiàn)問題。

合理分配延長存儲(chǔ)單元使用壽命

面對(duì)這樣的尷尬,英特爾先生和鎂光施工隊(duì)又想出一個(gè)游客管理辦法:讓游客們輪流使用所有房間。這樣就不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)位置,并且讓數(shù)據(jù)不單單只呆在一個(gè)地方,通過這種動(dòng)態(tài)、隨機(jī)的分配機(jī)制,可以讓存儲(chǔ)單元有更高的有效利用率,同時(shí)也能夠讓訪問、寫入、讀取、擦除變得更高效,此外整個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)的壽命也會(huì)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(chǔ)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(dòng)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(duì)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(gè)人”的力量是有限的,一個(gè)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(huì)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(chǔ)介質(zhì),會(huì)憑借更為小尺寸的存儲(chǔ)單元,快速切換選擇器、低延遲交叉點(diǎn)陣列以及快速寫入算法,讓每一個(gè)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(chǔ)單元能夠以高于目前所有非易失性存儲(chǔ)技術(shù)的速度切換其狀態(tài)。這是3D Xpoint技術(shù)提升存儲(chǔ)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(shí)很多人從來沒有見過英特爾先生和鎂光施工隊(duì)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(shí)也想體驗(yàn)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(duì)的現(xiàn)象,不僅給小鎮(zhèn)的形象帶來了影響,同時(shí)也讓游客們抱怨不已。

針對(duì)這種情況,設(shè)計(jì)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(gè)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(huì)一對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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(chǔ)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(shí)際表現(xiàn)到底怎樣呢?我們什么時(shí)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(shí),主要是要推廣Optane固態(tài)硬盤。而隨著第七代酷睿平臺(tái)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(shí)間尚未公布。Optane內(nèi)存型號(hào)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(huì)有專屬的“Optane貼標(biāo)”。

第三,Optane內(nèi)存與硬盤都是通過M.2接口來進(jìn)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(yàn)Optane內(nèi)存,就必須要同時(shí)升級(jí)200系主板與第七代酷睿。

最后,Optane內(nèi)存目前的實(shí)際用途其實(shí)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(biāo)準(zhǔn),是一種非易失性存儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)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(dá)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(jī)讀取部分為300K IOPS,4K隨機(jī)寫入是120K IOPS。16GB版本讀取為1400MB/s,寫入最高為300MB/s;4K隨機(jī)讀取為285K IOPS,4K隨機(jī)寫入是70K IOPS。

不過究竟實(shí)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(huì)有所保留,但未來潛力巨大,4K隨機(jī)讀取性能峰值或可達(dá)到464300 IOPS,是其現(xiàn)有企業(yè)級(jí)SSD P3700的五倍還多,對(duì)電腦體驗(yàn)提升相當(dāng)可觀,值得期待。