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石破天驚,次世代記憶體技術將 HDD 化為 SSD──Intel Optane Memory 效能初探

於電子計算機之儲存媒介中,以 NAND 為基礎之快閃記憶體已逐漸取代了傳統的機械儲存裝置。時至今日,舉凡於手機、相機中所使用之記憶卡或內部記憶體,或於電腦系統中快速普及之 SSD,其絕大多數皆基於 NAND 技術所致生。

而隨著終端市場對於此類電子儲存媒體之需求日增,各快閃記憶體之製造商亦竭盡其力於更高集積度、更低生產成本,以及更具存取效能之新技術與產品。於此一演進過程中,已導入並普及之項目如 MLC/TLC 技術,其可於單一儲存單元上置入更多之資訊;此外,尚有利用 3D 製程來大量提升儲存密度及相對降低生產成本之製程革命,於近期興起。

然而,諸此袞袞之努力卻往往如同兩面刃──MLC/TLC 技術雖增加了資訊密度,卻延長了存取時間,也大幅降低了 NAND 之單元壽命。而另一方面,近期興起之 3D 製程的確有效地提升了晶片儲存密度,且大幅度地延長了 NAND 的單元壽命;但依然不可避免地,囿於可尋址範圍之擴大,而有無法縮短存取時間之隱憂存在。

Intel® 3D XPoint™ 記憶體

當 SSD 製程由 2D NAND 轉移至 3D NAND 之革命號角方才響起之當下,Intel® 與美光出乎意料地,於電子儲存媒體市場上投下一枚震撼彈——3D XPoint™。Intel® 與美光跳脫了 NAND 之舊有基礎而另闢蹊徑,採用新的材料與結構,從而開展出一場革命性躍進之新局。

有關於 3D XPoint™ 之儲存原理與技術目前原廠並未公布其詳細細節,茲將已發布之特性條列如下:

由上,3D XPoint™ 為不同於傳統 NAND 技術之全新記憶元件,亦不受限於目前 NAND 所面臨之困境與瓶頸,而使電子儲存媒體有了質與量之躍進。

Intel® Optane™ 技術

Intel® 將基於 3D XPoint™ 為基礎而生之儲存媒體應用命名為「Optane™ 技術」,其具備了上述高存取效能、低延遲性以及高耐受度等優勢。而初步應用了 Optane™ 技術之產品主要有 Intel® Optane™ 記憶體、Intel® Optane™ 固態硬碟,以及 Intel® Optane™ 技術資料中心解決方案。

而這其中,Intel® Optane™ 記憶體為針對消費市場之先驅產品,其憑藉了 3D XPoint™ 之優越特性,而能令使用者原有之機械式硬碟提升至 SSD 層級之體感速度。

我們於第一時間取得了 Intel® Optane™ 記憶體之全系列產品,並將其應用於一僅裝置傳統 HDD 之系統之上,並驗證其效能差異。

Intel® Optane™ Memory Series

初步面市之 Intel® Optane™ Memory Series 共有 16GB 與 32GB 兩種容量,外觀規格為 M.2 2280 型式,介面為 PCIe 3.0x2 NVMe。

32GB 之版本正面規劃有兩組記憶顆粒,16GB 則為一組,兩種容量皆為單面元件。

Optane™ Memory 採用 Intel® 自行研發之控制器,目前原廠並未公布記憶顆粒與控制器之詳情。

茲將原廠所公布之 Optane™ Memory Series 規格性能數據整理如下:

容量16GB32GB
型號MEMPEK1W016GAMEMPEK1W032GA
最高循序讀寫速度900/145 MB/s1350/290 MB/s
最高隨機讀寫IOPS190,000/35,000 IOPS240,000/65,000 IOPS
讀寫延遲時間7/18 μs9/30 μs
最高寫入資料量182.5 TB182.5 TB
MTBF1,600,0001,600,000
保固五年有限保固五年有限保固

測試環境

Intel® Optane™ Memory Series 目前僅適用於 200 系列(以 B250/H270/Z270 晶片組為主)主機板及 Windows 10 作業系統,可搭配於 SATA HDD/SSD/SHDD 做為系統碟加速運用。實務上,使用者可將 Optane™ Memory 搭配至已存在作業系統之開機硬碟中,而不需要另行格式化與重新安裝作業系統。此外,使用者亦可控制 Optane™ Memory 功能之啟用與停用狀態。

於此測試中採用 ASUS ROG STRIX Z270E GAMING 主機板作為系統平台,其最新 BIOS 版本已完全支援 Optane™ Memory。另外搭配 TOSHIBA 2TB 傳統硬碟(DT01ACA200)作為系統碟,於裝置 Optane™ Memory 之前,已將 Windows 10 專業版作業系統安裝完成,以模擬使用者在既有環境上加裝 Optane™ Memory 之情境。測試平台之作業系統皆更新至最新狀態。

測試平台之規格:

Optane™ Memory 安裝方式

安裝 Optane™ Memory 之前,需確認主機板 BIOS 版本已更新至完整支援 Intel® Optane™ Memory 之版本。當 Optane™ Memory 裝妥後,主機板 BIOS 並不會顯示任何有關於此一 M.2 儲存裝置之資訊,我們亦不需透過主機板 BIOS 來進行特殊設定。

於裝置管理員中將會顯示一未能正確驅動之「標準 NVM Express 控制器」。

此時我們可於原廠網站下載 Optane™ 記憶體專屬程式來進行安裝。

專屬程式包含 Optane™ Memory Series 之驅動程式。安裝完成之後系統將提示重新啟動。重新啟動時,Optane™ 記憶體專屬程式將會對於主機板之 BIOS 進行調整,調整完成之後會再度重啟。

重啟之後系統將提示使用者目前尚未啟用 Intel® Optane™ 記憶體功能,此時可透過專屬程式進行啟用。

啟用 Optane™ 記憶體功能之後系統會對於 Optane™ Memory 進行初始化,成功之後將重新開機以進入加速環境。

於啟用 Optane™ 記憶體功能之環境中,可於裝置管理員中確認原有之硬碟已經轉變為「Intel Optane+1.8TBSSD」,而原有無法正常運行之「標準 NVM Express 控制器」則已安裝正確之驅動程式,而被系統辨識為「Intel Chipset SATA RAID Controller」。

此時於 Optane™ 記憶體專屬程式將會顯示加速功能已啟用,並顯示相關之資訊。

於磁碟管理員中僅顯示既有硬碟之磁區資訊。

而若安裝 Optane™ Memory 為 32GB 之版本時,專屬程式亦會啟動記憶體最佳化排程功能,而系統將自動對 Optane™ 記憶體進行定期之最佳化。

Optane™ Memory 16GB+2T HDD 基本效能測試

由 Optane™ Memory 結合形成之硬碟仍然會回應標準之 SATA 資訊,以此當使用 CrystalDiskInfo 查看「Intel Optane+1.8TBSSD」時,會顯示原有 TOSHIBA 2TB 傳統硬碟(DT01ACA200) 之詳細資訊。

AS SSD Benchmark 測試

AS SSD Benchmark 基本測試循序讀取 884.63 MB/s、寫入 144.67 MB/s。4K 讀取 161.67 MB/s、寫入 83.65 MB/s。於循序讀取部分雖較傳統硬碟要大幅提升,但仍未達一般 NVMe SSD 之層級。寫入效能則有可能囿於 16GB 版本之頻寬,以及傳統硬碟本身之限制,以此效能並不顯眼。令人矚目之焦點在於 4K 讀取部分體現了 3D XPoint™ 之特性,而大幅超越了既往 NAND SSD 之能力。

使用 AS SSD Compression-Benchmark 測試之結果顯示,Optane™ Memory 16GB+2T HDD 之讀寫曲線十分平順,並未有快取不足之大幅波動現象。

Anvil's Storage Utilities 測試

Anvil's Storage Utilities 測試顯示 4MB 區塊之循序讀取 891.60 MB/s、寫入 143.40 MB/s。4K 讀取 169.92 MB/s、寫入 85.14 MB/s。與 AS SSD Benchmark 之結果差異不大。

CrystalDiskMark 測試

CrystalDiskMark 測試結果循序讀取 917.0 MB/s、寫入 151.6 MB/s。4K 讀取 199.9 MB/s、寫入 92.6 MB/s。而 zero fill 測試結果亦十分相近,顯示 Optane™ Memory 所採用之控制器並不會針對資料進行壓縮加速。

TxBENCH 測試

TxBENCH 測試結果 128KB 區塊 QD32 循序讀取 942.449 MB/s、寫入 153.007 MB/s。4K 讀取 174.478 MB/s、寫入 89.135 MB/s。

ATTO Disk Benchmark——Neither 測試模式

以ATTO Disk Benchmark於 Neither 測試模式,最高傳輸速度約為讀取 934 MB/s、寫入 152 MB/s。

ATTO Disk Benchmark——I/O Comparison Random 測試模式

以ATTO Disk Benchmark於 I/O Comparison Random 測試模式,最高傳輸速度約為讀取 907 MB/s、寫入 152 MB/s。

ATTO Disk Benchmark——Overlapped I/O QD8 測試模式

以ATTO Disk Benchmark於 Overlapped I/O QD8 測試模式,最高傳輸速度約為讀取 949 MB/s、寫入 153 MB/s。

Optane™ Memory 32GB+2T HDD 基本效能測試

AS SSD Benchmark 測試

AS SSD Benchmark 基本測試循序讀取 1295.54 MB/s、寫入 251.16 MB/s。4K 讀取 184.53 MB/s、寫入 115.96 MB/s。此測試結果於循序讀取部分已可與 NAND SSD 並駕齊驅,而 4K 讀寫能力則完全展現 3D XPoint™ 之優勢。

使用 AS SSD Compression-Benchmark 測試之結果顯示,Optane™ Memory 32GB+2T HDD 之讀寫曲線亦十分平順,而未呈現大幅波動之現象。

Anvil's Storage Utilities 測試

Anvil's Storage Utilities 測試顯示 4MB 區塊之循序讀取 1297.85 MB/s、寫入 270.83 MB/s。4K 讀取 184.2 MB/s、寫入 109.59 MB/s。與 AS SSD Benchmark 之結果差異不大。

CrystalDiskMark 測試

CrystalDiskMark 測試結果循序讀取 1343 MB/s、寫入 293.4 MB/s。4K 讀取 222.3 MB/s、寫入 134.2 MB/s。而 zero fill 測試結果亦十分相近。

TxBENCH 測試

TxBENCH 測試結果 128KB 區塊 QD32 循序讀取 1404.052 MB/s、寫入 295.603 MB/s。4K 讀取 205.111 MB/s、寫入 128.128 MB/s。

ATTO Disk Benchmark——Neither 測試模式

以ATTO Disk Benchmark於 Neither 測試模式,最高傳輸速度約為讀取 1373 MB/s、寫入 294 MB/s。

ATTO Disk Benchmark——I/O Comparison Random 測試模式

以ATTO Disk Benchmark於 I/O Comparison Random 測試模式,最高傳輸速度約為讀取 1319 MB/s、寫入 294 MB/s。

ATTO Disk Benchmark——Overlapped I/O QD8 測試模式

以ATTO Disk Benchmark於 Overlapped I/O QD8 測試模式,最高傳輸速度約為讀取 1410 MB/s、寫入 296 MB/s。

進階效能分析

我們將 2T HDD 之原始測試數據相較於其搭配 16GB 與 32GB Optane™ Memory 之測試結果進行交叉分析,所得之結果分述如下:

循序讀寫傳輸率

交叉比對循序讀寫之測試結果可得知,在讀取部分,16GB 與 32GB Optane™ Memory 皆可提供大幅之性能提升。而在寫入部分,因運作方式基於快取原理,其性能提升則較為有限,但仍有所進步。且搭配 32GB Optane™ Memory 時,系統之整體循序寫入效能約可提升 81%。

4K 讀寫傳輸率

而比較不同情況下 4K 讀寫傳輸率之結果,可了解 Optane™ Memory 之威力於 4K 傳輸部分展露無疑。Optane™ Memory 對於使用者之體感加速部分,確有其十分明顯之效益。

佇列深度比較

比較不同組合之佇列深度測試結果,可得知在讀取狀態之下,搭配 Optane™ Memory 之組合十分明顯地可以承受更高之同時佇列請求,也能提供更佳之 IOPS 表現。而 32GB 之 Optane™ Memory 較 16GB 者有更佳之表現。

在寫入部分,Optane™ Memory 亦明顯提供了更佳之寫入佇列需求,雖然連續傳輸速度有其上限,但 Optane™ Memory 有效提高了加速系統針對多緒寫入之能力。

不同傳輸量之比較

比較不同容量產品於 ATTO Disk Benchmark Neither 測試模式之結果,可得知不同之組合有其不同之速率上限,單獨 2T HDD 之讀取速率上限約在 200 MB/s,搭配 16GB 之 Optane™ Memory 之速率上限則約在 950 MB/s,而搭配 32GB 之 Optane™ Memory 之後,讀取速率上限則可大幅提升至 1400 MB/s。

在寫入部分,當傳輸區塊於 4K 以下時,搭配 Optane™ Memory 之組合具有明顯之優勢。但十分戲劇化地,搭配 16GB Optane™ Memory 之組合於超過 4K 之傳輸區塊,其寫入速率反而較單獨 2T HDD 要低。然而當所搭配 Optane™ Memory 其容量為 32GB 時,無論於讀取或寫入皆有顯著之效能提升。

熱檔快取特性

Optane™ Memory 擁有智慧型快取熱檔功能,會針對作業系統之特性及分析使用者之操作習性,將最經常或最近開啟之檔案(熱檔)加以快取,以達成硬碟加速之目的。依實際操作體驗而言,於 16GB 加速模式初次進行 NOD32 全系統掃描,需時 138 秒,但第二次進行全系統掃描時,所耗時間大幅縮短至 5 秒鐘。

而搭配 32GB Optane™ Memory 之加速模式下,初次全系統掃描耗時 141 秒,第二次則為 9 秒。究其原因,在大量讀取小檔之情況下,因為 32GB 搜尋快取所需之空間將會倍增,且 32GB 模組之讀寫延遲(9/30 μs)較 16GB 者要稍長(7/18 μs),以此累積之所需時間會較長。

額外地,相較於單獨 2T HDD 之條件下,NOD32 全系統掃描需時 152 秒。比較不同條件下全系統掃描所需之時間,可推論 Optane™ Memory 應會對 SATA I/O 傳輸額外進行最佳化調整,以此即便於未有快取熱檔之前提下,搭配 Optane™ Memory 之組合仍較單獨 HDD 有較差之讀取表現。

相同之熱檔快取加速效應也可以於 PCMark 8 測試中展露無遺。進行 PCMark 8 之各項測試時,測試程序會模擬一般應用程式之開啟與運作過程,再進行評測。而這個模擬之應用操作過程亦會被 Optane™ Memory 進行熱檔快取,以此相同之測試項目,於第二次測試時將較第一次測試時有顯著之效能上升。

於搭配 16GB Optane™ Memory 之加速模式中進行兩次 Home Accelerated 評測,得分由 5676 上升至 5688。而比較未加速與利用 Optane™ Memory 加速之結果,其得分則由 5476 大幅上升至 5676 分,顯見 Optane™ Memory 於應用操作之加速效益十分之明顯。

而於兩次 Creative Accelerated 評測項目中,加速系統之得分由 8528 上升至 8680。而相較未加速與加速後之測試結果,其得分亦由 8099 大幅上升至 8528 分。

此外於兩次 Work Accelerated 評測項目中,加速系統之得分由 5644 上升至 5752。而應用 Optane™ Memory 之加速表現亦使測試結果由 5512 上升至 5644 分。

而無意外地,於著重讀寫之 Storage 評測項目中,加速系統之得分由 4919 上升至 4979,評測傳輸率由 355.57 MB/s 提升至 374.72 MB/s。此外,16GB Optane™ Memory 令系統之評測得分由 2776 上升至 4919 分,評測傳輸綠亦由 12.56 MB/s 大幅躍升至 355.57 MB/S。

茲將上述 PCMark 8 之測試結果整理於下表,可明瞭 Optane™ Memory 於系統實際操作之加速效益:

測試條件Home AcceleratedCreative AcceleratedWork AcceleratedStorage
2T HDD5476809955122776
Optane 16G+2T HDD5676852856444919
Optane 16G+2T HDD, 2nd test5688868057524979

次世代記憶元件將 HDD 之體感速度提升至 SSD 之層級

由以上之基礎與進階測試之結果吾人可明瞭,Intel® Optane™ Memory 憑藉其 3D XPoint™ 次世代技術之優勢,使系統於一般小區塊讀寫時,具有優於傳統硬碟數萬倍以上之效率與多佇列優勢,而令使用者之體感速度能趨於 SSD 之層級。加諸以 Optane™ Memory 專屬程式對於常用檔案快取最佳化之能力,而使得使用者能於經常使用之條件下甚或有超越 SSD 之能力。Optane™ Memory 的確提供了使用者以更低廉之建置成本,獲得 TB 級快速儲存媒體之選擇性。

3D XPoint™ 掀起了非揮發性記憶體之次世代革命

Intel® 之 3D XPoint™ 技術於本質上突破了傳統 NAND 之技術瓶頸與擴充門檻,而突入了原先 NAND 所不可及之領域。3D XPoint™ 憑藉其相較簡易之結構與壽命優勢,相信將成為次世代非揮發性記憶體之主流。而此項技術革命之風潮,亦將進一步地擠壓 NAND 之市場空間,而加速催化儲存媒體之電子化趨勢。