为主机提速而生 一文读懂Optane加速原理

    Intel Optane（即英特尔傲腾），这个由英特尔推出的创新性存储技术，被存储界看作是自NAND以来又一伟大黑科技。而基于Optane技术的Optane内存，更是被许多用户看作是机械硬盘的拯救者。Optane的原理是什么？Optane内存能给机械硬盘带来多大的提升？下面，我们一起来揭开Optane这项黑科技面纱！
    Intel Optane原理揭秘
    Intel Optane技术结合了目前英特尔在存储研究上最为先进硬件介质和软件方案，其中硬件介质3D XPoint是整个Optane技术的核心。该介质目前既可以作为硬盘缓存为原来的机械硬盘或者固态硬盘提速，也可以直接作为非易失性存储介质保存数据。
    
    我们先来看看3D XPoint的优势。按官方数据，3D XPoint的读写速度和寿命均为NAND闪存的1000倍，在延迟是NAND闪存的千分之一，内存（DRAM）的10倍；存储密度则是内存的10倍。
    是什么让3D XPoint具有如此性能优势呢？全赖于它所采用的3D交叉矩阵结构。
    在这个结构中，3D XPoint摒弃了之前存储结构中的电容、晶体管设计，只保留内存单元（存数据的地方）、选择器和读写总线。原有的“闲杂人等”（电容、晶体管）被统统踢走，腾出来的空间塞进了更多的内存单元，存储容量因而得到大幅度的提高。
    
    英特尔的工程师们还不满足，还想要在介质中加入更多的内存单元。可是芯片面积是有限制的，一味地横向增加芯片面积没有太大意义。那该怎么办呢？工程师们灵机一动，横向不行就往纵向发展，在于是他们将内存单元一层层地垒起来（也就是立体堆叠技术）。就像堆积木一样，基底的面积不变，层数不断增加，存储容量得到进一步提高。
    
           那么3D XPoint又是怎样实现比NAND快1000倍的读写速度的呢？这就多亏了这个结构中的交叉排列方式了。在3D XPoint中，内存单元和选择器被存储总线交叉夹叠，每一层的总线又会被导线连接。这个又该怎么理解呢？按原来的方式，内存单元之间访问就像两个住在楼梯房的好朋友，每次去其中一家串门都需要走过道爬楼梯。而3D XPoint则是相当于给他们设置一个直达电梯，每次串门“叮”的一声就到了。这样一来，数据访问效率就高多了。
    
           另外，3D XPoint通过改变电阻水平实现0和1的区分，数据以bit的形式存储在内存单元中，一个内存单元可存储1bit数据。而NAND的基本单元是page，NAND的page进行一次编程才能存储1bit数据，而且擦除操作还要在更高的block层进行。没有了NAND上的繁文缛节，数据访问速度自然更快更高效。
           还有一点就是，3D XPoint上的电阻材质非常特殊，在电压作用该材质形态会发生巨大的变化，从而实现阻值的改变。在这个过程中，电阻材质形态的改变带来的损耗非常小，就像雾和雪一样，两者形态的转变最多只是热量的流失，而水的本质不变。相比于NAND上多次读写后就会出现的绝缘层损耗，3D XPoint的损耗基本可以忽略。所以我们可以看到，3D XPoint寿命是NAND的1000倍。
    
    前面我们提到，3D XPoint既可以作为硬盘缓存为硬盘加速，也可以直接作为固态存储介质。英特尔便按照这两个方向分别开发出了Optane memory（傲腾内存）和OptaneSSD（傲腾固态盘），前者面向消费级用户，后者则面向企业级用户。
    想必大家更想要了解的是对于我们普通消费者来说更为可得的Optane内存，所以我们将进一步和大家介绍Optane内存，并对其进行深入体验测试。
    Intel Optane内存介绍
    Optane内存虽然有“内存”之名，但它并非是我们通常理解的DRAM内存。它主要作用是作为缓存设备对硬盘（包括HDD和SSD）进行加速。
    
    Optane内存对硬盘加速作用具体体现在以下三个方面：第一是提升系统加载速度，缩短电脑开机时间；第二是提升程序加载速度，尤其可以减少大型软件和游戏上的加载时间；第三是提升常用应用的加载速度，让常用数据一触即达。
    
    　　在性能方面，16GB版本Optane内存持续读取最高为900MB/s，持续写入最高为145MB/s；4K 随机读取为190000 IOPS，4K随机写入是35000 IOPS。32GB版本持续读取速度为1200MB/s，持续写入最高为280MB/s；4K 随机读取为300000 IOPS，4K随机写入是70000 IOPS。从官方给的数据看，Optane内存不管是持续性能还是随机性能，读取性能均远好于写入性能。
    那么Optane内存实际提升会有多大呢？我们接下来就开始体验。
    Intel Optane内存体验
    在体验之前，我们需要注意Optane内存在配置上的几点要求。首先，Optane内存要求使用英特尔200系以上主板，主板上必须具备M.2卡槽；其次，Optane内存必须配合7代以上的酷睿i系列处理器，否则同样无法正常运行；然后，Optane内存要求操作系统为Windows10，且引导模式必须设置为UEFI，配合使用的硬盘必须为GPT格式。
    
    在满足上述硬件和系统要求，并且将Optane内存安装到主板对应位置后，我们还需要执行最后一步操作——安装Optane内存驱动。在官网下载Optane内存驱动并按提示操作，重启后即完成Optane内存安装。Optane内存会与搭配的硬盘组合成一个卷，使用方法和普通的硬盘无异。
    　　我们按照如下平台对Optane内存进行对比测试：
    平台1：东芝1TB HDD；平台2：Optane内存+东芝1TB HDD
    测试项目：理论性能测试（跑分）；应用场景测试（开机、游戏加载速度）
    　　ASS SSD Benchmark测试&PCMark 8存储测试
    在硬盘传输速度测试上，原本持续读取速度只有不到200MB/s的东芝HDD，在Optane内存配合下，超速到861.96MB/s，速度提升了330%。4K随机读取速度也提升到了139.11MB/s，可以说是一个质的飞跃。
    
    在PCMark 8的存储测试中，东芝1TB HDD得分2370分，Optane内存+东芝1TB HDD得分4947分，存储性能提升2倍有余。
    
    　　应用场景测试（开机测试+PS启动、游戏加载测试）
    从开机启动时间测试结果（3次）可以看到，东芝1TB HDD开机时间均在60秒以上，Optane内存+东芝1TB HDD开机时间则缩短至25秒以下，时间减少一半。
    
    从Photoshop启动时间上看，东芝1TB HDD和Optane内存+东芝1TB HDD最大的差距在于第一次启动时间上。前者用时13.81秒，后者仅用了4.3秒完成PS的开启。在Optane内存的加持下，开启PS如有神助。
    
    而从三款游戏的加载时间上看，东芝1TB HDD加载时间分别为51.8秒、42.7秒、30.2秒；Optane内存+东芝1TB HDD加载时间分别为45.3秒、16.1秒、20.6秒。所以，Optane内存的加速作用对于玩家而言还是非常有意义的。
    
    综合上面的各项实际测试结果，Optane内存对于机械硬盘的速度提升非常大，对整体的主机性能的提升作用同样非常明显。用一句俏皮的话来形容就是：机械硬盘和Optane内存更配哟。
    Intel Optane内存的诞生为用户在大容量和高速度的追求上提供了一种更具性价比的选择，而我们有理由相信，在其背后的Intel Optane技术将在可见的未来实现对内存速度的超越，完成更大的革新。凡是过往，皆为序章，让我们共同期待。