为主机提速而生一文读懂Optane加速原理-励北网

　　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。

IntelOptane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。

IntelOptane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。