改進PC架構：Optane加速成常態

上個月，基于3D Xpoint技術的Optane（傲騰）已經正式發布，面向消費市場的Optane Memory于5月初正式開售，入門級產品價格不過379元，就能改進今天PC的架構，解決PC最大的性能提升瓶頸問題。

和每年一更新、每次幅度超過20%的處理器相比，同樣是PC，關鍵部件的存儲卻更新緩慢，甚至拖了整個系統性能的后腿，技術原理缺乏突破是其根本原因，如何破解這一難題，有人已經給出了答案。

相當長時間以來，PC性能的瓶頸是內存，它是承接所有CPU處理數據的關鍵節點，更大容量可以將更多的數據保持在速度較高的內存中，之所以有這樣的需求，恰恰是因為容量數千倍于內存的外存 -- HDD性能太低，如果CPU所需數據每次都要從HDD中調取，那么再快的CPU也要有99.99%以上的時間處于等待緩慢硬盤的狀態。

HDD的緩慢，與其特殊的機械結構和線性存儲邏輯有關，因此就有了轉速越高性能越高（單位時間經過磁頭的數據更多）、道間與最大尋道時間差異極大（磁頭道間移動距離不同）、碟片/磁頭數量減少抵消單碟容量增加帶來的性能改進（性能與磁頭數×轉速×單碟容量正相關）等一系列“奇葩”現象。特別是原本依靠單碟容量增加可以有序地提高性能，但是在成本和功耗等多因素影響下，HDD碟片數量2（3~4個磁頭）快速縮減到1（1~2個磁頭）、轉速從恒定7200r/min向5900r/min或可變轉速改進，即便單碟容量艱難提升到2TB，是此前的4~5倍，而吞吐性能提升幅度不超過50%，而尋道或者在其他設備中可視作延遲的性能還有所下降，誰來破解存儲性能上的矛盾？

SSD么？可以算一個已被廣泛接受的解決方案，前提是不在意成本。另外，最近在華為手機上爆出的閃存特性（接口規格）差異致其性能迥異事件，讓eMMC、UFS等生僻詞匯成為焦點。SSD同樣基于Flash，但是Flash的性能和耐久性上下差別超過10倍，甚于手機使用的顆粒。特別是在成本驅動下，Flash廠商極有意愿導入更新的制程，而與此同時，Flash特殊的存儲結構導致制程越高（線寬越小）而耐久性（擦寫）越差，如閃存盤廣泛使用的低耐久性TLC芯片，擦寫次數在200~500次之間，而經過優化的高耐久性TLC，擦寫次數也在2000次上下徘徊不前。

DRAM么？作為內存，雖然性能百倍于SSD，但是成本也是百倍。而且還要使用專用接口，不僅系統配置的模塊數量有限而且容量也非常有限，換言之有錢也買不到。更要命的是，存儲結構與Flash截然不同的DRAM，作為外存使用有著致命的弱點，就是其掉電易失性，其數據保持100%依賴電力，而且還要以讀代存 -- 通過不間斷的周期性讀操作，給存儲單元充電，以保持數據不丟失，因此它還要搭配內存控制器使用，結構更為復雜。

以上3種存儲技術的原理已經穩定數十年沒有大突破，令存儲性能裹足不前，而結合DRAM的速度、Flash的非易失性和HDD的低成本，是長久以來科學家們尋求的突破方向。隨著英特爾公布3D Xpoint技術，成為第一種可以規模量產的此類產品。其他技術，如FeRAM（鐵電）、MRAM（磁阻）、PRAM（相變）還是Millipede Memory（千足蟲）、NanoRAM（碳納米管），都距離產品化乃至商品化還有相當的距離，而基于3D Xpoint技術的Optane（傲騰）已經在3月正式發布，面向消費市場的Optane Memory于5月初正式開售，入門級產品價格不過379元，就能改進今天PC的架構，解決PC最大的性能提升瓶頸問題。

Optane有著卓越的性能和出色特性，其讀寫原理類似于DRAM，通過行、列地址交叉確定位置，而3D的立體構造，則可將不同“位”的數據存放于不同“樓層”，地址還是一個，卻可以一次性定位獲取多個字節（依層數而定）的數據，性能和存儲密度都大幅度提高。由于Optane讀寫原理有別于Flash，因此沒有令人頭疼的耐久性問題，其壽命可與DRAM媲美，同時它還沒有DRAM的易失性，可以像Flash一樣無電長期保持數據。要說弱點，Optane還是有的，目前其成本仍然高于TLC Flash，但是隨著英特爾和其合作伙伴Micron開始規模生產，再加上制程提高對成本的抑制作用，容量過1TB的Optane SSD已經在今年發布的Road Map中。在消費級市場上，Optane Memory的不足，則更多的是因為市場原因，即人為的刻意限制，如目前只有最新的200系列芯片組加上7代酷睿（不支持Pentium和Celeron）可以使用、容量小（16GB、32GB）、價格略高（16GB為379元）和只開通PCI-E 3.0 x2模式等，使用更高規格完全沒有技術障礙。

作為生力軍，Optane當下要做的是教育市場，而距離占領市場還甚遠。當年SSD進入市場時，DRAM和HDD都已是極為成熟的產品，無論是顯性的外觀特征，還是隱性的性能表現，初代SSD既要兼容當時HDD的物理規格和接口，又要表現足夠令人記憶深刻，因此并行推出了mSATA這樣HDD難以涉足的領域，從而用又小又快教育了市場。今天Optane同樣面臨這樣的教育工作，如今的Optane，從名字、外形規格到使用方式，都太像已經稀松平常的SSD了。改變傳統觀念要從專業 -- 可發揮并認可價值和主流 -- 改變習慣等兩個方面入手，英特爾正是使用這種方式，首先推出了面向企業級用戶的Optane SSD和面向入門級消費用戶的Optane Memory，前者主打大容量、高性能、低延時，后者解決存儲瓶頸的實際問題。

雖然同為半導體+HDD的雙硬盤組合，但是早早入市的SSD為HDD做Cache實現全盤加速的解決方案如今已被束之高閣，Flash較高的延遲、難以滿足超高頻度讀寫的耐久性問題、全盤加速性能遜色于單SSD的現實以及全盤加速模式設置的復雜性，都令用戶更傾向于將SSD和HDD分開使用，這也極大地影響了跨盤使用的性能體驗。Optane技術原理的不同，讓用戶完全不用擔心延遲、耐久性和性能損失問題，再加上英特爾專門為Optane Memory推出了新版RST（Rapid Storage Technology，快速存儲技術）軟件，確認開啟加速系統自動完成設置，使其可用性、易用性大大提升。加速完成后，Optane Memory和HDD邏輯上將合并為單一驅動器，因此也不會對系統管理和用戶使用習慣造成任何影響，全HDD容量可實現如Optane Memory性能的加速表現，可謂PC性能提升的神油。

相信有著這樣的實際表現，Optane將很快普及到對性能和容量有著同時要求的領域，最先的收益者是還占市場份額85%以上的單HDD配置的臺式電腦用戶。對他們來說，比主機平均價格再額外投資10%，所得到的卻是過去的解決方案多投資100%也做不到的。從這點來說，Optane對PC架構改進的推動力是空前巨大的。

很快，Optane將進一步拓展其應用領域，除了臺式電腦及其延伸的一體電腦、NUC等細分領域產品外，筆記本電腦及老平臺也將有可能收益與它。不過，這還是要看英特爾推進Optane有多迫切，這是個市場問題。