為主機提速而生 一文讀懂Optane加速原理

Intel Optane（即英特爾傲騰），這個由英特爾推出的創新性儲存技術，被儲存界看作是自NAND以來又一偉大黑科技。而基於Optane技術的Optane記憶體，更是被許多使用者看作是機械硬碟的拯救者。Optane的原理是什麼？Optane記憶體能給機械硬碟帶來多大的提升？下面，我們一起來揭開Optane這項黑科技面紗！

Intel Optane原理揭祕

　　Intel Optane技術結合了目前英特爾在儲存研究上最為先進硬體媒介和軟體方案，其中硬體媒介3D XPoint是整個Optane技術的核心。該媒介目前既可以作為硬碟快取為原來的機械硬碟或者固態硬碟提速，也可以直接作為非易失性儲存媒介儲存資料。

　　我們先來看看3D XPoint的優勢。按官方資料，3D XPoint的讀寫速度和壽命均為NAND快閃記憶體的1000倍，在延遲是NAND快閃記憶體的千分之一，記憶體（DRAM）的10倍；儲存密度則是記憶體的10倍。

　　是什麼讓3D XPoint具有如此效能優勢呢？全賴於它所採用的3D交叉矩陣結構。

　　在這個結構中，3D XPoint摒棄了之前儲存結構中的電容、電晶體設計，只保留記憶體單元（存資料的地方）、選擇器和讀寫匯流排。原有的“閒雜人等」（電容、電晶體）被統統踢走，騰出來的空間塞進了更多的記憶體單元，儲存容量因而得到大幅度的提高。

　　英特爾的工程師們還不滿足，還想要在媒介中加入更多的記憶體單元。可是晶片面積是有限制的，一味地橫向增加晶片面積沒有太大意義。那該怎麼辦呢？工程師們靈機一動，橫向不行就往縱向發展，在於是他們將記憶體單元一層層地壘起來（也就是立體堆疊技術）。就像堆積木一樣，基底的面積不變，層數不斷增加，儲存容量得到進一步提高。

       那麼3D XPoint又是怎樣實現比NAND快1000倍的讀寫速度的呢？這就多虧了這個結構中的交叉排列方式了。在3D XPoint中，記憶體單元和選擇器被儲存匯流排交叉夾疊，每一層的匯流排又會被導線連線。這個又該怎麼理解呢？按原來的方式，記憶體單元之間存取就像兩個住在樓梯房的好朋友，每次去其中一家串門都需要走過道爬樓梯。而3D XPoint則是相當於給他們設定一個直達電梯，每次串門“叮」的一聲就到了。這樣一來，資料存取效率就高多了。

       另外，3D XPoint通過改變電阻水平實現0和1的區分，資料以bit的形式儲存在記憶體單元中，一個記憶體單元可儲存1bit資料。而NAND的基本單元是page，NAND的page進行一次程式設計才能儲存1bit資料，而且擦除操作還要在更高的block層進行。沒有了NAND上的繁文縟節，資料存取速度自然更快更高效。

       還有一點就是，3D XPoint上的電阻材質非常特殊，在電壓作用該材質形態會發生巨大的變化，從而實現阻值的改變。在這個過程中，電阻材質形態的改變帶來的損耗非常小，就像霧和雪一樣，兩者形態的轉變最多隻是熱量的流失，而水的本質不變。相比於NAND上多次讀寫後就會出現的絕緣層損耗，3D XPoint的損耗基本可以忽略。所以我們可以看到，3D XPoint壽命是NAND的1000倍。

　　前面我們提到，3D XPoint既可以作為硬碟快取為硬碟加速，也可以直接作為固態儲存媒介。英特爾便按照這兩個方向分別開發出了Optane memory（傲騰記憶體）和OptaneSSD（傲騰固態盤），前者面向消費級使用者，後者則面向企業級使用者。

　　想必大家更想要了解的是對於我們普通消費者來說更為可得的Optane記憶體，所以我們將進一步和大家介紹Optane記憶體，並對其進行深入體驗測試。

Intel Optane記憶體介紹

　　Optane記憶體雖然有“記憶體」之名，但它並非是我們通常理解的DRAM記憶體。它主要作用是作為快取裝置對硬碟（包括HDD和SSD）進行加速。

　　Optane記憶體對硬碟加速作用具體體現在以下三個方面：第一是提升系統載入速度，縮短電腦開機時間；第二是提升程式載入速度，尤其可以減少大型軟體和遊戲上的載入時間；第三是提升常用應用的載入速度，讓常用資料一觸即達。

　　在效能方面，16GB版本Optane記憶體持續讀取最高為900MB/s，持續寫入最高為145MB/s；4K 隨機讀取為190000 IOPS，4K隨機寫入是35000 IOPS。32GB版本持續讀取速度為1200MB/s，持續寫入最高為280MB/s；4K 隨機讀取為300000 IOPS，4K隨機寫入是70000 IOPS。從官方給的資料看，Optane記憶體不管是持續效能還是隨機效能，讀取效能均遠好於寫入效能。

　　那麼Optane記憶體實際提升會有多大呢？我們接下來就開始體驗。

Intel Optane記憶體體驗

　　在體驗之前，我們需要注意Optane記憶體在設定上的幾點要求。首先，Optane記憶體要求使用英特爾200系以上主機板，主機板上必須具備M.2卡槽；其次，Optane記憶體必須配合7代以上的酷睿i系列處理器，否則同樣無法正常執行；然後，Optane記憶體要求作業系統為Windows10，且引導模式必須設定為UEFI，配合使用的硬碟必須為GPT格式。

　　在滿足上述硬體和系統要求，並且將Optane記憶體安裝到主機板對應位置後，我們還需要執行最後一步操作——安裝Optane記憶體驅動。在官網下載Optane記憶體驅動並按提示操作，重啟後即完成Optane記憶體安裝。Optane記憶體會與搭配的硬碟組合成一個卷，使用方法和普通的硬碟無異。

　　我們按照如下平臺對Optane記憶體進行對比測試：

　　平臺1：東芝1TB HDD；平臺2：Optane記憶體+東芝1TB HDD

　　測試專案：理論效能測試（跑分）；應用場景測試（開機、遊戲載入速度）

　　ASS SSD Benchmark測試&PCMark 8儲存測試

　　在硬碟傳輸速度測試上，原本持續讀取速度只有不到200MB/s的東芝HDD，在Optane記憶體配合下，超速到861.96MB/s，速度提升了330%。4K隨機讀取速度也提升到了139.11MB/s，可以說是一個質的飛躍。

　　在PCMark 8的儲存測試中，東芝1TB HDD得分2370分，Optane記憶體+東芝1TB HDD得分4947分，儲存效能提升2倍有餘。

　　應用場景測試（開機測試+PS啟動、遊戲載入測試）

　　從開機啟動時間測試結果（3次）可以看到，東芝1TB HDD開機時間均在60秒以上，Optane記憶體+東芝1TB HDD開機時間則縮短至25秒以下，時間減少一半。

　　從Photoshop啟動時間上看，東芝1TB HDD和Optane記憶體+東芝1TB HDD最大的差距在於第一次啟動時間上。前者用時13.81秒，後者僅用了4.3秒完成PS的開啟。在Optane記憶體的加持下，開啟PS如有神助。

　　而從三款遊戲的載入時間上看，東芝1TB HDD載入時間分別為51.8秒、42.7秒、30.2秒；Optane記憶體+東芝1TB HDD載入時間分別為45.3秒、16.1秒、20.6秒。所以，Optane記憶體的加速作用對於玩家而言還是非常有意義的。

　　綜合上面的各項實際測試結果，Optane記憶體對於機械硬碟的速度提升非常大，對整體的主機效能的提升作用同樣非常明顯。用一句俏皮的話來形容就是：機械硬碟和Optane記憶體更配喲。

　　Intel Optane記憶體的誕生為使用者在大容量和高速度的追求上提供了一種更具價效比的選擇，而我們有理由相信，在其背後的Intel Optane技術將在可見的未來實現對記憶體速度的超越，完成更大的革新。凡是過往，皆為序章，讓我們共同期待。