Использование Optane Memory для ускорения накопителей разных типов, включая и твердотельные
Оглавление
Технологии Optane Memory мы посвятили достаточно большое количество материалов, так что, казалось бы, закрыли вопрос с ней полностью. То, что началось с теоретического описания работы новой технологии кэширования, в конце концов вылилось в семь статей — своеобразный мини-цикл:
Однако во всех случаях Optane Memory (равно как и предыдущую разработку компании) мы использовали по прямому назначению — для ускорения работы винчестера. В то же время, раз за разом некоторые читатели просили проверить, что будет, если «оптанизировать» не классический магнитный накопитель, а медленный твердотельный. В конечном итоге победила идея, что лучше один раз такое тестирование провести, нежели регулярно объяснять, почему оно лишено смысла. К тому же, раз мы в конце прошлого года логически завершили цикл материалов использованием «быстрого» настольного и «медленного» ноутбучного винчестера, а в начале этого познакомились с Samsung 860 Qvo емкостью 1 ТБ на базе QLC-памяти, как раз нацеленным в промежуток между жесткими дисками и массовыми SSD, есть смысл подвергнуть и этот накопитель такой же экзекуции. Так сказать, для полноты картины.
Впрочем, идея впрячь в одну телегу коня и трепетную лань пришла в голову также и Intel. Хотя «наше всё» Пушкин А. С. и утверждал, что таковое неможно, но классик просто не успел познакомиться с гибридными винчестерами. Теперь же стараниями Intel на рынок выходит и первый гибридный SSD — Optane Memory H10, где 16 или 32 ГБ памяти 3D XPoint на плате М.2 2280 соседствуют с 256, 512 или 1024 ГБ «обычной» 3D QLC NAND. Понятно, что логика работы Н10 будет отличаться от гибридизации на базе чипсета, но предыдущие наработки компании в области кэширования наверняка стали базой данной разработки. Заодно и посмотрим, что́ можно было бы переделать: это нам поможет, когда будем тестировать накопитель Intel. Пока же он только объявлен, но еще не поставляется — а вот Optane Memory в связке с SSD на QLC можно протестировать прямо сейчас.
Участники тестирования
В упомянутой выше последней статье цикла об Optane Memory среди прочих участников присутствовали относительно старый ноутбучный терабайтник WD Blue WD10JPVX 1 ТБ и топовый nearline-винчестер Seagate IronWolf Pro 14 ТБ. Понятно, что оказаться в обычном ПК хоть «в гордом одиночестве», хоть в паре с Optane Memory без прочих накопителей ему «не светит», но для получения оценки сверху — вполне подойдет: остальные модели на пластинах 3,5″ как минимум не быстрее. Опять же: а вдруг и при использовании такого накопителя просто для хранения данных есть смысл «пришпорить» его кэшем? Вот этот вопрос уже вполне практический, поскольку на фоне стоимости винчестеров на 10-14 ТБ цены модулей Optane Memory (особенно младших модификаций) заметными не кажутся. Поэтому мы и проверили, как это работает с модулями на 32 и 64 ГБ, благо таковые использовались и совместно с WD Blue.
И их же мы возьмем в путь сегодня — но уже вместе с Samsung 860 Qvo. Тоже синтетический вариант (чем возиться с кэшированием — проще потратить деньги на Evo или Pro той же емкости), но раз уж некоторым он интересен. Почему бы и нет? 🙂
Таким образом, у нас получилось девять конфигураций: три испытуемых в трех вариантах — «без ничего», с 32 ГБ и с 64 ГБ. Больше никто из накопителей нам сегодня не понадобится.
Тестирование
Методика тестирования
Методика подробно описана в отдельной статье. Там можно познакомиться с используемым аппаратным и программным обеспечением. Единственное, что нам пришлось в очередной раз сделать — переключить режим работы дискового контроллера и установить Intel RST.
Поскольку сегодняшнее тестирование достаточно специфичное, мы не стали заносить результаты тестов в общую таблицу, они доступны в отдельном файле в формате Microsoft Excel. Так что желающие покопаться в цифрах (тем более, что не все они попадают на диаграммы) могут скачать его и удовлетворить любопытство.
Производительность в приложениях
В общем-то, на этом тему можно закрывать. Производительность тестов высокого уровня зависит от кэшируемого накопителя (что мы уже знаем), так что QLC+Optane оказывается самой быстрой конфигурацией, но. Но и одного 860 Qvo на практике более чем достаточно для того, чтобы производительность начала определяться другими компонентами системы вместо накопителя, а ускорить его можно менее чем на 5%. Очевидно, что заметить это невооруженным взглядом не сможет никто. Настольные же винчестеры «пришпориваются» в удачных условиях в полтора раза, а ноутбучные — во все два. Вот это уже ощущается очень хорошо.
Потенциально позиции связки QLC+Optane еще более привлекательны, однако относительно «голого» SSD кэширование увеличивает производительность лишь в 3-4 раза — а не в 25-35 раз, как в случае винчестеров. За второе можно и доплатить (вдруг пригодится), а за первое — не имеет смысла.
Предыдущая версия пакета оперирует более «легкими» нагрузками, да еще и операций записи в ней меньше, но принципиально результаты не меняются. Сами по себе винчестеры являются очень медленными накопителями, а ноутбучные модели — вообще очень-очень-очень медленны. Но при помощи Optane Memory, если повезет, и от них можно получить даже более высокую производительность, чем обеспечивает бюджетный SSD. Правда, последнему «везет» всегда, а кэширование может промахнуться — это основное различие. Сам по себе «бюджетный SSD» тоже можно ускорить подобным образом, но уже лишь количественно, а не качественно. Нет эффекта низкой базы — нет и вау-эффекта.
Последовательные операции
Специфика работы низкоуровневых утилит такова, что «рабочий» файл они создают непосредственно перед использованием — так что с большой вероятностью он окажется именно в кэше. В итоге до самого́ «основного» накопителя есть шансы не добраться, и для этого достаточно модуля на 32 ГБ. Во всяком случае, это справедливо при выбранном нами «рабочем объеме» в 16 ГБ («умолчальный» для этих утилит 1 ГБ позволит наслаждаться высоким количеством попугаев и владельцам модулей на 16 ГБ). А вот дальнейшее увеличение «рабочего объема», напротив, может устранить эффект от кэширования. Но поскольку сами модули Optane Memory на данный момент не так чтоб совсем «реактивные» (из-за интерфейса PCIe x2), драматично это только для винчестеров, причем медленных ноутбучных: их производительность в этом сценарии на порядок ниже, чем у кэширующего накопителя. Для «хорошего» же SSD разница сокращается до двух-трех раз — тоже немало, но уже не столь принципиально.
С записью же все еще интереснее. Модули Optane Memory на 32 ГБ в этом сценарии пишут лишь около 300 МБ/с. Это намного больше, чем «может» WD Blue, но уже лишь сопоставимо с быстрыми настольными винчестерами и меньше, чем скорость записи в SLC-кэш Samsung 860 Qvo (а его у представителей этой линейки — несколько десятков гигабайт). Соответственно, для 860 Qvo «внешнее» кэширование даже вредно (при использовании более быстрых модулей на 64 ГБ — тоже практически бесполезно). Повторимся: нет эффекта низкой базы — нет и вау-эффекта.
Случайный доступ
Задержки у памяти типа 3D XPoint ниже, чем у NAND-флэш, так что весомый прирост производительности от кэширования есть и здесь. Но не настолько радикальный, как у винчестеров — все-таки латентность NAND в сравнении с ними тоже уменьшается раз в 20, так что и ускорение получается в разы, а уже не на порядки. С одной стороны, лишним не будет. С другой — зачем увеличивать производительность, когда ее и так на практике хватает. «Возня» с винчестерами же имеет смысл именно потому, что им не хватает. Но и простое снижение задержек со сменой носителя уже снимает эту проблему — дальше можно не напрягаться. Тем более, что есть и тревожные звоночки: из-за увеличившихся накладных расходов (поскольку ПО кэширования пытается балансировать нагрузку) производительность оказывается более низкой, чем дают «оптанизированные винчестеры» (в случае которых ПО ничего такого сделать не пытается).
А при записи и от ускорения на коротких очередях ничего не остается — «собственный» SLC-кэш 860 Qvo справляется с работой лучше, чем «внешний» Optane.
При чтении разными блоками, но с единичной очередью в очередной раз наблюдаем, что сама по себе технология явно оптимизирована именно на работу с винчестерами в качестве «основных» накопителей. «Выжимать максимум» из тандема с SSD никто и не старался. Конечно, ускорение все равно есть, но если уж хочется наблюдать красивые цифры, лучше взять винчестер — дешевле обойдется 🙂 А на практике сравнение результатов «голых» накопителей показывает, почему винчестеры полезно ускорять кэшированием и почему это не нужно делать с SSD.
Работа с большими файлами
Как и следовало ожидать, кэширование нам тут ничем помочь не может. Более того, в паре с SSD в многопоточном режиме кэширующий модуль может даже помешать, поскольку анализ дисковых операций (на предмет не стоит ли перенести эти данные в кэш) тоже не бесплатен с точки зрения системных ресурсов. Винчестеры с такими операциями справляются очень медленно, так что им — не мешает. А вот твердотельному накопителю, практически упирающемуся в таких сценариях в ограничения интерфейса — уже может.
Запись больших объемов данных — слабое место SSD на базе QLC-памяти. К сожалению, помочь ему кэшированием почти невозможно — именно потому, что объемы большие. При наличии Optane Memory на 64 ГБ (сейчас это официальный максимум для поставляемых кэширующих модулей, но не для технологии) система пытается «схитрить» (особенно в многопоточном режиме), записывая часть данных в кэш, но результирующий эффект невелик. Увеличить его можно, разве что используя кэширующий модуль принудительно и всегда (так работала технология Smart Response в режиме Maximized), однако для этого его объем нужно будет увеличить еще больше. Тогда уж проще (да и дешевле) емкость SLC-кэша наращивать.
Запись одновременно с чтением, да еще и по (псевдо)случайным адресам — очень плохой сценарий для винчестеров. Настолько плохой, что тут даже кэшированием части операций можно заметно увеличить производительность. Но 860 Qvo справляется с такой нагрузкой в 3-5 раз быстрее — и этого достаточно, чтобы ничего улучшить уже было нельзя (собственно, и «оптанизированный» винчестер до такого уровня не дотягивает). «Слабым местом» подобных SSD нужно считать, скорее, невысокую производительность на смешанных операциях с последовательным доступом — но на них и винчестеры-то никак «подстегнуть» не удается, не говоря уже о SSD.
Рейтинги
В принципе, некоторые операции ускорить кэшированием удается: если «подменить» основной накопитель более быстрым кэширующим, получатся и более высокие результаты. Но это если повезет. Причем, как мы видели выше, иногда производительность может по тем или иным причинам даже снизиться. С винчестерами такое почти не случалось, поскольку их собственное быстродействие в любых сценариях ниже (и намного), чем у Optane Memory. Для твердотельного же накопителя это справедливо не всегда — а вот накладные расходы растут всегда, и иногда могут стать заметными. Усредненный результат — да, улучшается. Однако винчестеры можно ускорить (хотя бы теоретически) в 25-50 раз, и это будет заметно — опять же, не всегда это будет выполняться, но удачных случаев окажется достаточно, чтобы вообще возиться с кэшированием. А вот SSD в лучшем случае ускорится в пару раз, и платить за это уже совершенно не интересно: можно просто купить всюду (и стабильно) более быстрый SSD.
Эта диаграмма еще более наглядна. Винчестерам кэширование нужно, чтоб «дотянуться» до уровня бюджетных твердотельных накопителей. SSD (даже самым дешевым) это не требуется — они как раз и есть те самые [бюджетные] твердотельные накопители. Ускорить их работу в части сценариев, впрочем, можно — но это всегда будет количественным (и не всегда заметным) улучшением, а не качественным.
Итого
Ускорять твердотельные накопители внешним кэшированием — значит, ремонтировать то, что и не ломалось. В части сценариев у них с производительностью все и без того неплохо, а где не слишком хорошо — там и кэш не поможет (собственно, «не хорошо» зачастую как раз потому, что не справляется «внутреннее» SLC-кэширование). Соответственно, нет смысла тратить деньги на ускорение медленного SSD — лучше уж пустить бюджет на приобретение быстрого.
Из этого, однако, не стоит делать выводы о бесполезности гибридных SSD — в них можно использовать другие алгоритмы работы, благо все компоненты изначально рассчитаны на совместную работу. В частности, память 3D XPoint может использоваться как замена SLC-кэша — бесплатного, но не всесильного. Возможна и оптимизация распределения данных по областям. Но все это будет иметь смысл проверить на практике, когда к нам попадет гибридный Optane Memory H10. Вопрос же использования модулей Optane Memory для ускорения системы с «обычным» SATA SSD, как нам кажется, можно закрывать.
Обзор и тестирование SSD-накопителя Intel Optane: встречают по одежке, провожают – по уму
Оглавление
Вступление
Наверное, еще ни одно решение в отрасли накопителей не рекламировалось столь долго, масштабно и красочно, как Intel 3D XPoint и Intel Optane. Столько обещаний и соблазнительных рассказов, столько презентаций. И, наконец, столь долгожданный дебют, также не обошедшийся без массированной рекламной кампании. Однако в итоге выпущено всего три накопителя: один серверный DC P4800X на 375 Гбайт и два потребительских Memory объемом 16 и 32 Гбайт.
реклама
Иначе говоря, никаких твердотельных накопителей в полном понимании этого слова для пользователей не выпущено вовсе: лишь два малоемких устройства, которые предлагается использовать как кэширующие к основному накопителю, установленному в системе. Мало того, официально Optane Memory привязаны к операционной системе Windows и фактически – только к процессорам Intel, поскольку вторым условием является использование материнской платы на основе набора системной логики Intel 200-й серии.
Но, может быть, не все так разочаровывающе, и Intel Memory Optane на деле настолько великолепен, что ради него стоит выбросить на свалку свой старый ПК и очертя голову бежать за покупкой вышеуказанной аппаратной платформы Intel? Попробуем разобраться с этим.
Обзор Intel Optane
Статус модели
Страница на сайте производителя: Intel Optane.
Цены (на момент публикации):
Intel 3D XPoint
реклама
3D XPoint (расшифровывается как 3D Crosspoint) – это новый тип энергонезависимой памяти, над которой компании Intel и Micron работали в течение долгого времени (достаточно сказать, что первый анонс состоялся еще в 2015 году, не говоря уже о предварительных более ранних публикациях).
К сожалению, на сегодняшний день, инженерные подробности новой разработки до сих пор остаются закрытыми, публикуется информация лишь об основных принципах работы. И в первую очередь, подчеркивается, что это – не NAND, по словам представителей Intel и Micron, 3D XPoint не имеет ничего общего с привычной флеш-памятью. Отрицается не только принадлежность не только к классу NAND, но и MRAM (магнитно-резистивной записи), и PRAM (переход фазового состояния), и DRAM.
Еще на этапе первых анонсов независимые специалисты высказывали предположения, что на самом деле все-таки имеет место именно фазовый переход, когда используемый материал меняет свое термоэлектрическое состояние и, вполне вероятно, используются халькогениды. Я не стану вдаваться в технические подробности, а просто адресую к одной из технических статей на эту тему, опубликованную на PC Perspective.
Кристаллы памяти 3D XPoint имеют строение перекрестной решетки, которая соединяет 128 миллиардов ячеек. Каждая ячейка хранит только один бит данных, подобно SLC NAND. Но в NAND ячейка программируется только один раз, а затем, перед записью в нее новых данных, возникает необходимость произвести сброс ее состояния и только затем производить запись (цепочка «read-modify-write»). Для изменения состояния ячеек применяются различные уровни напряжений, а потому в NAND используется поблочная структура: ячейки собираются в «страницы», а страницы – в блоки. Операции записи производятся постранично, а стирания – поблочно. В 3D XPoint нет понятия «страница» и «блок», любые операции можно выполнять, адресуя напрямую каждую ячейку в отдельности. Побитный доступ позволяет Intel и Micron заявлять о возможности использования новой памяти не только в привычных форм-факторах накопителей, но на данный момент на логическом уровне ячейки памяти в Intel Optane Memory пока что все равно объединяются в блоки по 512 байт.
Также ячейки новой памяти не нуждаются в предварительной очистке перед записью данных (цепочка «read-modify-write»). Соответственно, отпала нужда в реализации алгоритмов «сборки мусора» («Garbage Collection»). Благодаря этому, помимо сокращения задержек на операциях записи, снижаются требования и к быстродействию контроллера, а попутно – необходимости установке буферной памяти DRAM. Интересно, что инженеры заявляют о резком повышении скорости записи, теперь она на одном и том же типе операций не отличается от чтения.
На данный момент конструктив микросхем памяти 3D XPoint существует только в одном варианте: каждая микросхема размерами 17.6 х 13.7 мм содержит только один кристалл размерами 16.16 х 12.78 мм, имеющий емкость 128 Гбит и изготовленный по нормам 20-нм техпроцесса. Что интересно, по исследованиям независимых специалистов, подавляющая часть кристалла отведена именно под ячейки, на управляющие структуры приходится меньше 9%.
Данный показатель называет «эффективность памяти на кристалле» и по нему Intel и Micron обходят не только своего ближайшего технологического конкурента Samsung (3D 48L V-NAND – примерно 70%), но и побили свой предыдущий рекорд – свою собственную 3D V-NAND с ее
85%. Однако по плотности записи информации достижения скромнее – 1.62 Гбит на квадратный миллиметр, тогда как 48-слойная 3D V-NAND Samsung имеет плотность 2.5 Гбит на квадратный миллиметр.
Но даже эти цифры – на порядок лучше, чем у DRAM, что, в совокупности с гораздо большим ресурсом по циклам перезаписи (теоретически предполагается, что он сопоставим с DRAM), позволит 3D XPoint заменить ее. Пока что подобные продукты еще не выпущены, существуя лишь в тестовых образцах, но уже сейчас они выглядят крайне привлекательно: сравните размеры одной микросхемы 3D XPoint и стоимость накопителя объемом 16 Гбайт и соответствующего модуля DDR4.
Поэтому Intel и Micron пошли по пути наименьшего сопротивления – выпуск малоемких кэширующих накопителей простой конструкции. Благо у Intel имеется небезызвестная технология Intel Smart Response – по сути, не только готовые наработки, но и множество контрактов с производителями готовых ПК, что есть готовый рынок сбыта. Достаточно лишь немного доработать программную часть с учетом особенностей новинки.
В сути Intel Optane Memory – это программно-аппаратный комплекс: все возможности раскрываются лишь при установке специального программного обеспечения. На сайте Intel присутствуют программные пакеты только для операционных систем семейства Microsoft Windows, причем имеются реализации не только для Windows 10, но и 8, и 7. Однако – только 64-разрядных редакций. А вот для рядовых пользователей операционных систем Linux никакой поддержки не предполагается вовсе.
«Старая» Intel SRT просматривается в Intel Optane буквально на каждом шагу: для активации данной технологии точно также необходимо иметь SATA-накопитель и накопитель Intel Optane Memory. Сначала подключаем к системе первый накопитель, устанавливаем на него операционную систему и пакет Intel SRT (если они не установлены), после чего активируем технологию кэширования. После чего быстродействие вырастает на операциях чтения и записи. Ограничение только одно – объем кэширующего накопителя, причем нужно понимать, что кэш – это не просто «посредник» в передачи данных туда-обратно, он хранит на себе часть наиболее используемых данных.
«Старая» реализация Intel SRT предусматривает два режима работы, между которыми можно выбирать самостоятельно: Write-throgh и Write-back. Первый режим предусматривает параллельную работу основного и кэширующего накопителей на операциях записи. Такой вариант медленней, но надежней – при случайном отключении кэширующего накопителя данные не пострадают и возможно продолжение работы без каких-либо ограничений. Второй режим быстрее, потому что быстродействие ограничивается скоростью кэширующего накопителя – все данные сначала поступают на него, а только потом переносятся на основной.
Но и в этом его слабость – в случае рассинхронизации их работы (кэширующий накопитель отключен нештатным образом), на основном накопителе может образоваться «каша» в силу того, что часть данных в режиме Write-back даже после нескольких перезагрузок может храниться только на кэширующем накопителе. Причем под «данными» подразумеваются не «файлы», а именно данные. Условно говоря, изменили крупный файл – измененный блок может остаться в кэше. В Intel Optane используется только второй режим и любое извлечение накопителя Intel Optane Memory приведет к недоступности данных (в моем случае при изъятии накопителя Intel из разъема, BIOS материнской платы отказывался признавать кэшируемый HDD как загрузочный, он даже не отображался в списке доступных).
реклама
Еще одним, уже прямым, ограничением является то, что официально Intel Optane доступна только при использовании в системе материнской платы на базе набора системной логики Intel «двухсотой» серии. Из «сотой» серии поддержка заявлена только для мобильных Intel QM175 и HM175.
И здесь наблюдается некоторый конфликт с маркетинговой точки зрения: «старую» версию Intel SRT можно активировать лишь на старших сериях наборов системного логики Intel. Таким образом, самый младший Intel B250 может похвастать самой продвинутой технологией кэширования на сегодняшний день, но прошлая ее версия на нем же недоступна.
Знакомство с накопителями Intel Optane Memory: футуристично, но не феерично
3D XPoint (читается как 3D crosspoint) – созданная при сотрудничестве компаний Intel и Micron принципиально новая и весьма многообещающая технология энергонезависимой памяти, которая, в отличие от большинства прочих разрабатываемых вариантов перспективной энергонезависимой памяти, имеет хорошие шансы найти применение в массовых решениях уже в ближайшем будущем. Базовая информация об этой технологии была раскрыта ещё в середине 2015 года, и с тех пор представители обеих компаний успели про неё наговорить столько, что вряд ли среди наших читателей есть такие, для кого 3D XPoint – совсем незнакомые слова. Однако реальное использование данной технологии началось только в этом году, причём лишь одним из партнёров – компанией Intel. Она продвигает её под собственным маркетинговым именем Optane и преподносит всё так, как будто эта новаторская память позволяет создавать революционные по своей идеологии продукты, лежащие на стыке обычной динамической памяти (DRAM) и флеш-памяти типа NAND.
Дебют памяти Optane в коммерческих продуктах состоялся ещё в марте в твердотельном накопителе для серверного сегмента Intel Optane SSD DC P4800X. Физически этот продукт представляет собой традиционный SSD в виде карты расширения PCI Express ёмкостью 375 Гбайт, однако при этом он обеспечивает поразительно низкие латентности, недостижимые для привычных накопителей, которые построены на привычной флеш-памяти. Это позволяет такому накопителю на фоне обычных SSD развивать в разы более высокую производительность, достижимую в том числе и на коротких очередях запросов.
⇡#3D XPoint: непонятно, но интересно
Технология памяти 3D XPoint примечательна тем, что, несмотря на всю маркетинговую шумиху, поднятую вокруг неё компаниями Intel и Micron, окончательной ясности относительного того, какие физические процессы и химические соединения лежат в её основе, нет до сих пор. Представители компаний охотно рассказывают о том, чем память 3D XPoint не является, и никогда не говорят о том, какие принципы в действительности используются в её работе. Впрочем, какие-то базовые представления о том, как устроена 3D XPoint, получить из официальных источников всё-таки возможно.
Так, эта память представляет собой трёхмерную решетчатую структуру (что прямо следует из названия 3D XPoint), где на пересечениях проводников, формирующих строки и столбцы, находятся элементарные запоминающие устройства – собственно ячейки памяти. Эти устройства представляют собой фрагменты из некоего материала, который при применении каких-то воздействий может изменять и затем сохранять своё электрическое сопротивление. Как это работает на микроуровне, окончательно непонятно, но Intel утверждает, что речь не идёт ни о материале с изменением фазового состояния, который используется в PRAM, ни о мемристорах, которые использует компания HP в разработках свой магниторезистивной памяти MRAM.
Тем не менее большинство экспертов склоняется к тому, что в 3D XPoint в той или иной степени всё же используется эффект фазового перехода второго рода – переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при сохранении плотности и внутренней энергии. В природе существует немало материалов, обладающих способностью выполнять такой фазовый переход при изменении внешних условий, например полуметаллы бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма, теллур и проч. А при смешивании полуметаллов с металлами в специальных пропорциях получаются так называемые халькогениды – ещё более интересные материалы, обладающие двумя фазами: аморфной с большим электрическим сопротивлением и кристаллической – с маленьким. Вполне возможно, что какие-то халькогениды и применяются в новой памяти, разработанной Intel и Micron.
При этом чрезвычайно важно, что электрическое сопротивление материала, используемого в ячейках 3D XPoint, остаётся неизменным и после снятия внешнего воздействия. То есть после того, как ячейка памяти 3D XPoint получила какое-то значение, она продолжает сохранять его сколь угодно продолжительное время даже в том случае, если питание системы отключено. Таким образом, 3D XPoint кардинальным образом отличается от динамической памяти (DRAM). И дело не только в энергонезависимости. Как говорит Intel, конструкция 3D XPoint вообще не требует использования полупроводниковых транзисторов, что в конечном итоге позволяет добиваться гораздо более высокой плотности хранения информации. По утверждениям разработчиков, новая память в сравнении с DRAM выигрывает по этому параметру в 4—10 раз.
Преимущество технологии 3D XPoint заключается ещё и в том, что данные, хранящиеся в каждой ячейке, могут быть сравнительно легко перезаписаны. Так, традиционная энергонезависимая NAND-память для стирания своего содержимого требует приложения высоких напряжений, причём после процедуры очистки ячейки могут быть запрограммированы лишь единожды, затем же, при необходимости перезаписи, их содержимое приходится очищать снова. Использовать 3D XPoint в этом плане гораздо проще: переключение запоминающего устройства из состояния логического нуля в логическую единицу и обратно происходит без каких-либо промежуточных стадий, напрямую.
Поскольку к традиционной флеш-памяти приходится постоянно применять повышенные напряжения, которые постепенно изнашивают её полупроводниковую структуру, NAND имеет не слишком удобную в использовании страничную организацию. Массив флеш-памяти обычно разбивается на 4-килобайтные страницы, которые объединены в блоки общей ёмкостью до 512 Кбайт. При этом операции чтения и записи выполняются на страничном уровне, а операции очистки памяти могут проводиться лишь с блоками целиком. В SSD это приводит к возникновению эффекта, который мы называем «усиление записи», когда для изменения одного-единственного байта данных может потребоваться прочитать, очистить и перезаписать все страницы целого 512-килобайтного блока данных.
Впрочем, DIMM на базе 3D XPoint – это в будущем, и на данный момент побайтовый доступ к ячейкам в Optane Memory не реализован. В текущих версиях интеловских накопителей, построенных на 3D XPoint, применяются логические сектора объёмом по 512 байт. Это, конечно, повышает «усиление записи», но не так сильно, как в случае обычных SSD, что в конечном итоге позволяет Intel обещать для Optane Memory выносливость, которая превосходит ресурс флеш-накопителей на порядок.
Выигрывает Optane Memory у NAND-памяти и по производительности. В конечном итоге это выливается в несколько иной профиль быстродействия. Так, современные NAND-накопители развивают максимальную скорость при глубоких очередях операций, когда на SSD приходит сразу большое количество запросов одновременно, которые контроллер накопителя может обработать параллельно. Это значит, что максимальные скорости традиционные SSD показывают лишь при линейных операциях или в специфических задачах серверного характера. Накопители же, построенные на базе 3D XPoint, отменяют это условие. Например, тот же серверный Intel Optane SSD DC P4800X может похвастать высокими показателями IOPS даже при небольших очередях запросов, а его латентности, то есть время реакции на входящие операции ввода-вывода, оказываются много меньше, чем у основанных на флеш-памяти SSD сравнимого класса. Именно благодаря этому дорогостоящий Intel Optane SSD DC P4800X и может быть привлекателен для целого ряда серверных задач, даже несмотря на свою высокую цену.
⇡#Путь на массовый рынок: гибридный подход
Однако преимущества 3D XPoint применительно к носителям информации для потребительского сегмента на фоне её высокой стоимости не столь очевидны. Поэтому для внедрения нового типа памяти в массовые компьютеры компания Intel предпочла избрать иной путь – через гибриды. Это значит, что в потребительском рыночном сегменте она собралась продвигать решения, идеологически похожие на гибридные накопители (SSHD), которые объединяют в одно целое классический механический HDD с кешем на основе флеш-памяти.
Магнитные жёсткие диски имеют огромное преимущество в удельной цене за гигабайт, однако при этом они предлагают сравнительно низкие скорости чтения и совершенно чудовищное время доступа к данным. Время обслуживания операций ввода-вывода может достигать десятков миллисекунд, что на порядки больше задержек, свойственных SSD. Гибридные же решения пытаются взять всё лучшее одновременно и от HDD, и от SSD. Их механическая часть отвечает за вместимость и отводится в первую очередь для хранения «холодных», то есть редко используемых данных. Быстродействующий же NAND-кеш обеспечивает высокую скорость, он хранит «горячие» данные, то есть такие, к которым обращения происходят регулярно. Intel считает, что если же в этой схеме вместо NAND задействовать 3D XPoint, то такой тандем может заиграть новыми красками, ведь новая память ещё быстрее и ещё выносливее, а кроме того, она не требует никакого дополнительного обслуживания вроде постоянного сохранения определённой доли свободного места и отсылки команд TRIM.
Гибридные накопители сегодня выпускают многие производители, и все они представляют собой полностью законченные и замкнутые решения. Intel же предлагает немного иную архитектуру, реализующую подобную схему при помощи разрозненных аппаратных компонентов, набора системной логики на материнской плате и программного драйвера. Собственно, эта схема предлагается Intel уже достаточно продолжительное время. Проповедующая данный подход технология SRT (Smart Response Technology) была представлена Intel ещё в 2011 году вместе с процессорами Sandy Bridge и чипсетом Intel Z68. Она позволяет объединить в массив обычный HDD и кеширующий SSD и продолжает поддерживаться и поныне.
Тем не менее за прошедшие несколько лет технология SRT так и не снискала особой популярности. Отчасти это было связано с ситуацией с ценами, когда ёмкие SSD стремительно подешевели и начали полностью вытеснять из компьютеров HDD. Но гораздо большие препятствия на пути распространения SRT компания Intel воздвигла своими дурацкими маркетинговыми заслонами. В то время как эта технология представляется целесообразной для использования именно в недорогих системах, где пользователи настроены экономить и не приобретать вместительные твердотельные накопители, Intel реализует SRT лишь в наборах системной логики верхнего уровня. Например, изначально она была доступна исключительно во флагманском оверклокерском чипсете Z68. Затем, в последующих платформах, технология SSD-кеширования смогла спуститься на ступеньку ниже, но лишь этим дело и ограничилось. Так, если говорить о современных процессорах поколения Kaby Lake, то SRT с ними можно активировать лишь в материнских платах на базе Z270 и Q270, популярные же для построения наиболее массовых систем H270, B250 и Q250 поддержки SRT не имеют.
C Optane Memory компания Intel решила повести себя более логично. Новая технология кеширования, которую она продвигает вместе с первыми потребительскими накопителями на основе 3D XPoint, идейно почти не отличается от SRT. Но зато объединять Optane Memory с HDD для построения единого гибридного хранилища теперь можно в любой современной системе, вне зависимости от того, как она позиционируется и на базе какого чипсета она построена.
Впрочем, гибридные накопители, не важно, идёт речь о SSHD, массивах SRT или гибридах, построенных с помощью Optane Memory, всеобъемлюще универсальным решением всё-таки не являются. Да, они могут предложить высокую производительность при загрузке Windows и какого-то определённого набора приложений и файлов, особенно если всё это происходит по одному и тому же повторяющемуся сценарию. Но если речь идёт о нагрузке, которая порождает большое количество разнообразной дисковой активности, кеширующих возможностей быстрого буфера сравнительно небольшой ёмкости может оказаться недостаточно.
Современные SSHD обычно обладают 64-гигабайтным NAND-буфером, такой же максимальный объём кеширующего SSD поддерживает и технология Intel SRT. В случае же Optane Memory максимально возможный размер кеширующего накопителя и вовсе не может превысить 32 Гбайт (на данный момент). Поэтому заметное ускорение гибридные дисковые технологии могут дать лишь в том случае, если суммарный объём «горячих» данных, к которым пользователь обращается регулярно, не выходит за пределы 32 или 64 Гбайт. Иными словами, если вы собираетесь установить на гибридный носитель информации большое количество «тяжёлых» игр и приложений и будете регулярно и вразнобой ими пользоваться, производительность дисковой подсистемы может оказаться больше похожей на производительность HDD, а не на производительность быстрого твердотельного накопителя. И более того, гибрид может оказаться неэффективен и без значительного количества игр. Не забывайте, некоторые сегодняшние игровые проекты AAA-класса нередко занимают по 50 Гбайт дискового пространства или даже больше.
Также гибридный подход не может дать хороших результатов в сценариях, связанных с установкой программного обеспечения. Инсталляторы попросту не могут быть закешированы, так как выполняются лишь единожды, поэтому их запуск, а также некоторая часть инициируемых ими записей файлов будет происходить со скоростью медленного HDD.
С алгоритмической точки зрения работа гибридных массивов, построенных с использованием в качестве кеширующего уровня накопителей Optane Memory, по-видимому, мало отличается от технологии Intel SRT. Безусловно, наверняка существуют какие-то нюансы реализации, связанные с тем, что технология SRT предполагает использование в качестве кеша SATA SSD, а Optane Memory – это твердотельный накопитель с интерфейсом NVMe (PCI Express 3.0 x2). Кроме того, очевидно, имеются расхождения и в настройках технологий. Но общие принципы одинаковы. В обоих случаях, не важно, используется ли в качестве кеша SSD или накопитель Optane, в них буферизируются блоки данных с HDD, обращение к которым выполняется наиболее часто. Как говорит сама Intel, для попадания какого-либо блока данных в кеш достаточно троекратного к нему обращения.
Но есть и различия. Например, в отличие от SRT, Optane Memory может работать не только на уровне блоков, но и на уровне файлов. Так, ключевые системные файлы Windows загружаются в кеш сразу же после активации технологии, а крупные мультимедийные файлы не кешируются вообще.
Концептуально в технологии Optane Memory похож на старое SRT-кеширование и процесс подключения и инициализации: модуль Optane устанавливается в обычный M.2-слот на материнской плате и программными настройками в BIOS или операционной системе «спаривается» с тем диском (а это может быть как HDD, так и SSD с интерфейсом SATA), работу которого предполагается ускорить.
Технология SRT позволяет выбирать между двумя алгоритмами кеширования обращений: Write-back, когда запись сначала происходит в кеш, а перенос данных на медленный носитель информации выполняется в моменты простоя, и Write-through, когда запись сразу идёт на быстрый и медленный накопители параллельно. Алгоритм Write-back при этом обеспечивает более высокую производительность операций записи, скорость которой в этом случае может быть сравнима со скоростью кеширующего SSD. Однако работа этого алгоритма связана с некоторым риском. В том случае, если пара из кеширующего накопителя и основного носителя информации будет по каким-то причинам разделена, данные на HDD могут оказаться утеряны или повреждены, поскольку их свежая копия вполне может оказаться оставшейся исключительно в кеше. Производительность алгоритма Write-through заметно ниже, и при записи она сравнима со скоростью медленного накопителя в паре, но зато такой подход гарантирует, что основной носитель информации всегда содержит актуальную и целостную версию пользовательских данных.
Новая технология Optane Memory может работать лишь в одном режиме: быстром Write-back. А это значит, что в любом случае, когда вы захотите разделить накопители, сначала придётся выполнить процедуру отключения кеширования через BIOS материнской платы или драйвер операционной системы. В этот момент все хранящиеся в Optane данные будут переброшены на основной носитель информации, что займёт некоторое время. Но если пренебречь этой процедурой, Optane Memory и основной диск окажутся нечитаемыми на уровне файловой системы.
Кроме того, заметные различия в работе технологий SRT и Optane порождены маркетингом. Выводя на рынок Optane, компания Intel решила избежать искусственных ограничений, которые были свойственны SRT. Кеширование Optane Memory доступно в любых системах с чипсетами двухсотой серии вне зависимости от того, какой конкретно набор системной логики в них используется. Это значит, что гибридный носитель информации с кеширующим уровнем на основе Optane может быть создан даже в системе с чипсетом B250, в то время как технология SRT в такой конфигурации недоступна.
И это очень забавная и парадоксальная ситуация. С одной стороны, по странному стечению обстоятельств технология SRT оказалась принадлежностью исключительно систем верхнего уровня. С другой – Intel заинтересована в продвижении Optane Memory, поэтому почти полностью аналогичная технология разрешена для всего спектра систем с современными процессорами. В конечном же итоге Intel, вероятно, хочет, чтобы пользователи, которые рассматривают возможность построения гибридных систем хранения информации, ориентировались исключительно на Optane. И в этом есть определённая логика: данная технология может обеспечить более высокую производительность благодаря свойствам памяти 3D XPoint.
⇡#Intel Optane Memory: технические подробности
Итак, Intel Optane Memory – это твердотельный накопитель форм-фактора M.2 небольшого объёма, который использует NVMe-интерфейс и базируется на новой энергонезависимой памяти 3D XPoint вместо привычного NAND-флеша. Память 3D XPoint позволяет Optane Memory обеспечивать сравнительно неплохую производительность произвольных операций по сравнению с SSD аналогичного объёма и заметно более низкие задержки, чем любые накопители, основанные на NAND-памяти. Но накопители Intel Optane Memory предназначаются для использования в качестве кеширующего уровня в дисковой подсистеме и могут быть как установлены в новые системы на этапе их сборки, так и добавлены впоследствии без потерь данных в уже сконфигурированные и эксплуатируемые компьютеры.
Кеширование работает на уровне системного драйвера, поэтому без дополнительной настройки Intel Optane Memory виден в системе как совершенно обычный накопитель, который теоретически можно использовать в качестве ординарного SSD. Однако на практике в этом вряд ли есть какой-то смысл: доступные объёмы Intel Optane Memory делают его малоинтересным вариантом в такой роли — максимальной ёмкости в 32 Гбайт едва ли хватит для установки операционной системы.
На логическом уровне Intel Optane Memory для связи с системой использует шину PCI Express 3.0 x2, то есть вдвое более медленный интерфейс по сравнению с большинством современных NVMe SSD, которые подключаются по четырём линиям PCI Express 3.0. Поэтому устанавливать Intel Optane Memory можно в любой M.2-слот на материнской плате, который обладает поддержкой PCI Express 3.0. Но активировать технологию кеширования можно будет лишь в том случае, если за работу используемого слота отвечает набор системной логики, а не процессор.
Физически Intel Optane Memory выполнен в виде стандартного одностороннего модуля M.2 форм-фактора 2280, однако размещённые на плате компоненты занимают далеко не всю её площадь. Даже в 32-гигабайтной версии Optane Memory массив памяти 3D XPoint набран лишь двумя чипами, и они фактически занимают лишь примерно половину доступного пространства. Микросхема контроллера имеет очень небольшой размер, а DRAM-буфер в данном случае вообще отсутствует. Такая аппаратная конструкция связана с тем, что с памятью 3D XPoint работать намного проще, чем с NAND-флешем. Возможность прямой перезаписи данных позволяет обходиться без всякой дополнительной буферизации и без какого-либо фонового обслуживания массива памяти. А низкие задержки позволяют формировать массив 3D XPoint с минимальным числом каналов, которых в контроллере Optane Memory, судя по всему, предусмотрено лишь два.
При производстве чипов 3D XPoint используется техпроцесс с нормами 20 нм, при этом на данный момент чипы получают двухслойную (трёхмерную) структуру. Как ни странно, такая память достаточно заметно нагревается во время работы. Поэтому на плате с двух сторон наклеены этикетки со слоем медной фольги, которая должна способствовать распределению тепла и улучшению теплоотвода.