Intel optane memory что это за драйвер

Что такое Intel Optane? Часть 1. Optane Memory

Этим постом я хотел бы открыть небольшую серию статей, посвященных продуктам Intel Optane на базе технологии 3D XPoint. Мой беглый обзор русскоязычных источников показал, что хороших материалов по этому вопросу нет; кроме того, из комментариев к нашим анонсам я убедился, что существует глубокое непонимание того, зачем все это вообще нужно и почему реализовано именно таким образом.

Технология 3D XPoint

Начнем с краткой информации по самой технологии 3D XPoint (читается как «три-ди кросс-поинт»). Сразу прошу извинений — детальную информацию о технологии мы на данный момент не раскрываем. Кроме того, фокус обзоров будет именно на конечных продуктах, нежели чем на самой технологии.

Во-первых, хотя технология является совместной разработкой компаний Intel и Micron, реализация технологии в виде продуктов находится в раздельном ведении каждого из вендоров. Таким образом, всё, что я буду рассказывать о продуктах на базе 3D XPoint, имеет отношение только к продуктам Intel.

Во-вторых, 3D XPoint – это не NAND, это не NOR, это не DRAM, а совершенно другой зверь. Не раскрывая деталей физической реализации памяти, опишу ключевые характеристики, а также отличия 3D XPoint от NAND и от DRAM.

В отличие от NAND, нет привязки операций записи к страницам и привязки операций стирания к блокам. C 3D XPoint обращаться к данным на физическом уровне мы можем на уровне отдельной ячейки. Кроме того, нам не нужно удалять данные перед операцией записи – мы можем перезаписывать данные, что позволяет избавиться от операций read-modify-write и сильно упростить сборку мусора. Это приводит к уменьшению задержкек доступа (latency) и росту количества выполняемых операций ввода-вывода за секунду (IOPS); в дополнение к этому, операции записи выполняются почти так же быстро, как и операции чтения. Наконец, износостойкость (endurance) памяти 3D XPoint сильно выше по сравнению с NAND (такой эффект, как утечка электронов из ячеек, здесь не существует). Подводя итог, 3D XPoint быстрее и обладает большей износостойкостью по сравнению с NAND. Однако, было бы несправедливо не отметить недостаток 3D XPoint – это стоимость производства, которая на данный момент ощутимо выше по сравнению со стоимостью производства 3D NAND.

Intel Optane

На данный момент, официально анонсировано и выпущено на рынок 2 принципиально разных продукта: Intel Optane Memory – для клиентских моделей использования — и Intel® Optane SSD DC P4800X – для серверного использования. В данной статье мы подробнее разберем клиентский продукт, серверный же будет темой следующего обзора.

Итак, Intel Optane Memory. Первое, что стоит понять об этом продукте – несмотря на название, это не DRAM, а NVMe SSD в форм-факторе M.2 2280-S3-B-M.
Вид сверху – под наклейкой 1 чип 3D XPoint (это версия 16ГБ, на 32ГБ расположены 2 чипа 3D XPoint – площадки под второй чип видны):

Модуль односторонний, так что обратная сторона пустая:

Устройство соответствует спецификации NVM Express 1.1. На данный момент на рынок выпущены емкости 16ГБ (используется один чип памяти 3D XPoint емкостью 16ГБ) и 32ГБ (используются два чипа памяти 3D XPoint емкостью 16ГБ каждый). Из интересных деталей дизайна:

• контроллер явлется внутренней разработкой Intel
• в дизайне не используется DRAM
• используются только 2 линии PCIe gen3, а не 4 линии, как многие могли бы ожидать
• заявленная износостойкость – 100ГБ записанных данных каждый день в течение 5 лет

Тест производительности

Теперь о производительности

(производительность версии 32ГБ выше из-за того, что используются 2 чипа памяти 3D XPoint против одного чипа у версии 16ГБ)

Казалось бы, производительность в плане пропускной способности и IOPS не впечатляет – однако, собака зарыта совсем не тут. Вся штука в том, что эти данные производительности замерялись при глубине очереди (queue depth) равной 4 – в отличие от прочих SSD, которые обычно замеряются с глубиной очереди 32 и выше. Именно на неглубоких очередях более всего заметно превосходство Optane. Для наглядности, вот график производительности разных типов устройств на разной глубине очереди*:

При этом, как показывают наши внутренние тесты, подавляющее большинство задач, с которыми сталкивается обычный пользователь дома или в офисе, имеют глубину очереди от 1 до 4 (более подробно – см. ниже), а спецификации SSD пишутся с использованием нагрузок с глубиной очереди 32 (для SATA) и более (для NVMe). Разница весьма наглядна.

Однако, Intel не позиционирует использование Optane Memory в качестве обычного SSD по понятным причинам – емкости устройств не хватит для пользовательских задач (за исключением некоторых интересных вариантов, как, например, небольшой, но быстрый и надежный загрузочный накопитель для Linux, или scratch disk для Adobe Photoshop, или небольшой, но быстрый кэш вместе с Intel Cache Acceleration Software, или интересное решение, описанное вот тут). Вся сила маркетингового аппарата Intel направлена на продвижение новой технологии ускорения (грубо говоря – кэширования, но это не совсем точное определение) медленного SATA-накопителя (будь то жесткий диск, твердотельный накопитель или даже некоторые гибридные модели) быстрым модулем Optane Memory.

Эта модель использования накладывает ограничения на поддерживаемые железо и ОС:

• Процессор Intel Core 7-го поколения или новее
• Чипсет Intel 200 Series или новее (полный список тут)
• BIOS, в который интегрирован UEFI-драйвер RST версии 15.5 или новее (15.7 для серии чипсетов X299). Да, legacy-режим БИОСа не поддерживается – для Optane Memory обязательна загрузка в режиме UEFI
• Windows 10 64-bit
• Драйвер Intel Rapid Storage Technology 15.5 или новее
• Загрузочный SATA-накопитель (именно его будет ускорять Optane Memory). Поддерживается только разметка GPT.
• 5МБ свободного пространства в конце SATA-накопителя – это нужно для метаданных RST

Убеждаемся, что BIOS материнской платы поддерживает Optane (см. выше; сейчас все “Optane Memory Ready” платы на 200 сериях чипсетов отгружаются с БИОСом, который поддерживает Optane Memory, однако на рынке еще можно найти платы из предыдущих партий – на них потребуется обновить БИОС).

И да, Intel провел громадную работу с производителями плат – все платы, которые поддерживают Optane Memory, имеют на коробке вот такой шильдик:

• Более быстрая загрузка операционной системы;
• Ускорение большинства операций ввода-вывода (по сути – кэширование, однако достаточно умными алгоритмами).

Принцип работы

Также немного поговорим о том, как это все работает.

Во-первых, в момент активации Optane Memory, RST драйвер перенесет файлы, необходимые для загрузки ОС, а также файловую таблицу на быстрый Optane Memory накопитель. Ключевое здесь – именно перенесет, а не скопирует. Механика работы RST драйвера такова, что не все данные, лежащие в кэше на быстром устройстве, будут в обязательном порядке скопированы на медленное устройство. Это увеличивает общее быстродействие системы и, кроме того, решает проблему синхронизации данных. Однако, как можно понять, физический сбой Optane Memory с большой вероятностью приведет к потере доступа к данным на SATA-диске. Из-за того, что перенос данных происходит сразу в момент активации Optane Memory, уже первая же загрузка системы будет быстрее, чем до Optane Memory (особенно это заметно, если ускорялся жесткий диск, нежели чем SATA SSD – однако, и в последнем случае стоит ожидать увеличения производительности системы хранения).

Во-вторых, во время работы системы RST драйвер будет непрерывно производить кэширование. И здесь существует одно важное различие между модулями Optane Memory разной емкости – на устройстве емкостью 16ГБ поддерживается только кэширование на уровне блоков, на устройстве емкостью 32ГБ – кэширование на уровне блоков и кжширование на уровне файлов (оба работают одновременно). В случае блочного кэширования, решение о кэшировании того или иного блока происходит мгновенно в момент запроса на ввод-вывод. В случае файлового кэширования, драйвер мониторит частоту доступа к файлам и кладет все это в специальную таблицу, которую затем (в момент простоя системы или по расписанию пользователя) использует для определения того, какие файлы остаются в кэше, какие удаляются, а какие добавляются.

Оба вида кэширования используют довольно умные, на мой взгляд, алгоритмы принятия решения о кэшировании – глубоко описывать я их здесь не могу, но для общего понимания отмечу, что, например, не кэшируются видеофайлы (да, драйвер смотрит на расширение файла), в расчет принимается размер файла, определяется вид нагрузки – предпочтение в кэшировании отдается случайному доступу нежели чем последовательному, что имеет смысл в силу крайне медленной работы жестких дисков на операциях случайного доступа, и т.п. В интернетах я встречал некоторые негативные комментарии на тему того, что «кэш моментально забьется данными», «емкости 16ГБ ни на что не хватит» и тому подобное – как правило, это отзывы от людей, которые никогда не тестировали Optane Memory. Я еще не слышал негативных отзывов о производительности такого решения ни от кого из наших партнеров, с которыми работаю.

Несколько очень важных моментов.

Если при включенном ускорении системы с помощью RST драйвера и Optane Memory необходимо подключить SATA-накопитель к другой системе, то нужно либо переносить всю конфигурацию (SATA-устройство + Optane Memory, при этом надо убедиться, что новая система поддерживает Optane Memory), либо предварительно выключить ускорение (это делается нажатием одной кнопки в утилите – при этом в момент выключения данные из кэша перенесутся на SATA-устройство, метаданные RST будут удалены, устройство Optane Memory будет очищено).

Зачем это нужно

Теперь пришло время подробнее поговорить про то, зачем все это вообще нужно. Начнем с более детального анализа нагрузок, которые испытывают системы обычных пользователей ПК. Еще до окончания разработки продукта Optane Memory, в рамках Intel Product Improvement Program мои коллеги провели исследование на предмет того, что обычные пользователи делают с компьютером дома и на работе. Результаты – количество действий разных типов, производимых пользователями (усредненные данные на 1 день пользования ПК):

Все эти события тесно связаны с производительностью системного диска, причем, как правило, они требуют случайного доступа к данным, с чем жесткие диски справляются крайне плохо. Таким образом, использование Optane Memory может значительно ускорить исполнение каждого из указанных выше действий.

Однако, спросите вы зачем мне покупать Optane Memory для ускорения жесткого диска, если я могу за те же деньги купить SATA SSD емкостью 128ГБ, положить на него ОС и ключевые приложения, а для прочих данных просто использовать жесткий диск? Здесь, с одной стороны, вопрос удобства – если вы имеете хоть какие-то базовые навыки, чтобы уметь выбирать, куда установить ОС/приложения (подозреваю, что все читатели GT попадают в эту категорию, однако, могу вас уверить, что, например, мои родители, как и большинство пользователей ПК, на это не способны), и при этом не будете лениться делать это каждого приложения (особенно проблематично для игр – при нынешних требованиях к дисковому пространству, 128ГБ забьются под ОС и 1-2 игры), то с этой точки зрения гибридная конфигурация SSD+HDD может быть для вас удобнее.

Однако, имейте в виду, что с Optane Memory никакого ручного переноса данных не требуется – как только вы перестаете пользоваться одним приложением и начинаете активнее пользоваться другим, необходимые данные буду довольно быстро добавлены в кэш. С другой стороны, вспомним график, который я привел выше – производительность в зависимости от глубины очереди. На небольших очередях задержки доступа к данным на Optane Memory гораздо ниже по сравнению с SATA SSD. Внутри Intel мы замерили, какая глубина очереди используется различными приложениями – вот результаты:

Глубина очереди при использовании приложений:

Глубина очереди при запуске приложений:

Распределение глубины очереди в течение типичного рабочего дня корпоративного пользователя (замерено на сотрудниках Intel, занимающих разные должности в компании):

Таким образом, распределение глубины очереди разных пользовательских нагрузок:

И мы уже видели, насколько лучше Optane Memory справляется в работой на неглубоких очередях.

Сравнение производительности системы с HDD против такой же системы с HDD + Optane Memory:

Еще одно интересное сравнение – тот же тест, но в системе без Optane Memory в 2 раза больше оперативной памяти:

И, на самом деле, это весьма валидное сравнение. Хотя некоторые виды нагрузок требуют большого количества оперативной памяти, львиная их доля требований к большим объемам памяти не имеет. Таким образом, для многих пользователей может иметь смысл поставить 4 ГБ памяти вместо 8 ГБ, а сэкономленные деньги вложить в ускорение системы хранения.

Заключение

Подводя итог, напомню, что Optane Memory может использоваться как самостоятельный SSD, но это не основная модель использования. Вся магия происходит при его использовании как ускорителя для медленного жесткого диска (или даже SATA SSD) – сравнительно небольшое вложение денег может ускорить быстродействие системы в несколько раз на большинстве пользовательских нагрузок. Это достигается за счет как аппаратной части (Optane Memory имеет ощутимо меньшие задержки доступа по сравнению с другими SSD на рынке, быстродействие на небольших очередях значительно выше альтернативных решений), так и программной – драйвер RST использует достаточно продвинутую логику для осуществления операций кэширования (и в этом отличие от предыдущей технологии – Intel Smart Response Technology). Это делает текущую реализацию отличной от всех тех решений по кэшированию/ускорению жестких дисков, что выспукались на рынок ранее, в том числе нами же.

Я очень заинтересован узнать мнение о продукте и решении в целом из комментариев – однако, хотелось бы избежать негатива во мнениях из-за непонимания работы решения или отсутствия опыта его использования. Если есть сомнения – лучше спросите, прежде чем пускаться в критику.

P.S. в следующей статье мы разберем серверный продукт на базе технологии 3D XPoint — Intel Optane SSD DC P4800X Series – вкупе с программным решением Intel Memory Drive Technology.

* Все тесты, указанные в этой статье, были проведены внутри Intel. Все тесты с Optane Memory были проведены на процессорах Intel Core 7-го поколения, тесты на глубину очереди с использованием процессора Intel Core 6-го поколения. Конфигурация системы, использованной для тестов:

Практическое знакомство с технологией Intel Optane Memory на основе тестов приложений

Не так давно мы познакомились с накопителем Intel Optane Memory емкостью 32 ГБ, подходя к нему именно как к обычному твердотельному накопителю. Естественно, в таковом качестве он выглядел не слишком интересно, поскольку на подобное применение и не рассчитан. Следствием чего является и специфический контроллер. хотя и любому другому было бы сложно «развернуться» в конфигурации с одним-двумя чипами памяти: сколь бы «хорошей» она не была. «Взрослые» накопители этого семейства выглядят совсем по-другому, однако и стоят пока достаточно дорого, так что на использование в массовых «персоналках» не позиционируются. Тем более что и нагрузка на дисковую подсистему в последних невелика, что делает любые твердотельные накопители (на любом типе NAND и даже не-NAND) практически неотличимыми друг от друга. Впрочем, накопители «персонального» семейства Intel на базе памяти типа 3D XPoint постепенно начинают появляться (например, линейка Optane SSD 900P с моделями емкостью 240 и 480 ГБ уже анонсирована), так что вскоре можно будет оценить их плюсы и минусы, уже не привязываясь к кэшированию данных.

А вот от винчестеров все твердотельные накопители, напротив, отличаются заметно. И именно в качестве кэширующих при использовании с последними и предполагается использовать Optane Memory согласно задумке производителя. Соответственно потенциальный рынок сбыта огромный — зачем бороться за долю на 20% рынка (а именно столько компьютеров сейчас продается с SSD в системе хранения данных), когда есть 80%, новыми технологиями никак не охваченных? Понятно, что во многом как раз из-за цены, поэтому рассчитывать на весь «кусок» было бы неправильным: все-таки одиночный винчестер по-прежнему дешевле. Однако часть можно и «отожрать», охватив тех пользователей, для которых установка кроме емкого винчестера еще и маленького (а на другой денег не хватает или просто жалко) твердотельного накопителя неудобна. Или сложна. Или кажется таковой. В любом случае, тут надо привыкать к какому-то новому подходу, а не традиционному: когда есть в компьютере одиночный «диск Ц», куда все и валится по-умолчанию (вплоть до хранения последнего сезона любимого сериала прямо на рабочем столе или сотни гигабайт временных файлов в папке «Temp»: «системный» SSD на сотню гигабайт таких вольностей не позволяет). Optane менять привычки не заставляет — уже большое дело. Да и стоимость добавления накопителя к системе все-таки немного ниже, чем обычного SSD если не привязываться к емкости и не высматривать экзотику типа розничной торговли комплектующими, а конфигураторы крупных продавцов: одно стоит 50-100 долларов, другое — от 130 (во всяком случае, на момент написания статьи расклад был именно таким).

Словом, для массового потребителя — удобная технология. Но даст ли она ему что-то на практике — главный вопрос. Понятно, что ничего общего с идеалом в виде компьютера совсем «без механики» кэширующая СХД не имеет. С другой стороны, и по цене тоже — этот «идеал» пока достижим лишь в отдельных нишах и/или очень дорого. Но должно быть лучше, чем вообще без твердотельных накопителей. А между двумя этими крайними точками огромное расстояние, куда, собственно, системы с Optane Memory и будут попадать. Причем в точности и не скажешь — в какую именно часть диапазона: все будет зависеть от конкретных задач, да и от системы.

Поэтому искать плюсы и минусы придется поэтапно. Вот с сегодняшнего дня и начнем. Тем более, что некоторое время назад мы занимались исследованием вопроса — как правильно сконфигурировать мини-ПК базового уровня типа NUC 7i3BNH. Пришли к выводу, что начать стоит с SSD «карточного» формата, а потом (при необходимости в дополнительном дисковом пространстве) уже добавить винчестер.

Только вот вся «правильность», конечно, разбивается об то, что вариант только лишь с жестким диском дешевле, так что и продаваться такие будут более массово. И покупаться, соответственно, тоже. При этом какое-то количество готовых мини-ПК будет стоять на полке уже с Optane Memory. C младшим, правда, вариантом (на 16 ГБ), но такой комплект Intel оценивает всего на $42 дороже, нежели базовые модели (независимо от модификации), так что оптом возможно отгружать их будет вообще по той же цене или с символической доплатой. А дальше уже умение розничного продавца — показать потенциальному покупателю, что определенная доплата смысл имеет. Тем более, не такая и большая. С осени и законченные предложения для розницы в ассортименте компании появились, причем часть из них комплектуется NVMe SSD, а часть — Optane Memory и винчестером, но все включают в себя и оперативную память, и даже операционную систему, так что с ними вообще все просто — купил, включил и работай. Пока сложно сказать — какой процент покупателей выберет такое решение, поскольку компания долгие годы старательно дистанцировалась от розничных продаж, выступая как поставщик компонентов, но, по крайней мере, оно есть. И в условиях повсеместного распространения продаж через интернет может неплохо «выстрелить».

В общем, с этим всем пока вопрос открыт — вскрытие покажет. Мы же сейчас попробуем решить более простую проблему: вот есть NUC, купленный только с жестким диском, есть в нем свободный слот. В него можно установить SSD гигабайт так на 128, а то и все 240, а можно за аналогичные деньги прикупить Optane Memory на 32 ГБ. Что получится в первом случае — понятно и уже протестировано. Его неудобства тоже известны — склонировать терабайтник на «четвертушку» вряд ли окажется простым делом, так что, скорее всего, придется вообще заниматься переустановкой системы и настройкой всего «с нуля». Со 128 ГБ (которые по цене, все-таки, ближе) лучше изначально с клонированием не возиться, да и потом быть готовым к творческому распределению информации и программ по устройствам. Нельзя сказать, что все это так уж сложно, а любителя что-то настраивать и улучшать вообще может привести в восторг, но. Многие простые пользователи потому и не делают ничего в плане повышения производительности компьютеров, что им просто лень возиться. Intel же как раз обещает и отсутствие неудобств и увеличение быстродействия системы. Всего-то надо чуть-чуть заплатить — и даже ничего не изучать. Посмотрим — насколько ожидания совпадут с реальностью.

Процесс установки

Открутить четыре винта, снять крышку и дисковый отсек — занятие простое и еще в предыдущей серии тестов неоднократно проделанное 🙂 Установить Optane Memory на законное место M.2 2280 — тоже; и тоже не в первый раз — «обычные» SSD ранее устанавливались аналогично. Дальше компьютер был снова собран, включен — в наличии накопителя убедились: как при помощи UEFI Setup, так и в диспетчере устройств Windows. Настала очередь установки программного обеспечения.

Компания предлагает на выбор два варианта — либо устанавливать полный пакет Rapid Storage Technology, который теперь «умеет» не только работать с RAID-массивами и/или поддерживать технологию Smart Response (в том числе, и для PCIe-накопителей, один из которых может кэшировать другой — аналогичный по интерфейсу, но более медленный), но и для Optane Memory подходит, либо воспользоваться специальной утилиткой SetupOptaneMemory. Второе официально проще, но не дает возможности тонких настроек, да и вообще практически никаких — просто делает то, что и заложено в названии. Мы решили пойти более продвинутым путем, установили RST, RST никаких способов ускорения системы не увидел. Попытка же просто включить режим Optane Memory для SATA-контроллера в UEFI Setup приводила к невозможности загрузки системы — о чем нас, в общем-то, сразу при таковой и предупреждали.

Решено было воспользоваться SetupOptaneMemory — все-таки приложение для «простого юзера» должно быть и более «юзерфрендли» с точки зрения диагностики ошибок. Так и вышло — программа сообщила, что включить технологию невозможно, поскольку последний раздел на винчестере является неперемещаемым и неизменяемым. В принципе, логично — восстановление системы (для которого он и предназначен) процесс редкий, так что переместить раздел в самую медленную область носителя, разместив полезные данные ближе к внешним дорожкам, в какой-то степени полезно. Но с Optane Memory такое решение изначально было несовместимо — драйверы резервируют место в конце для вытеснения информации из кэша. Просто потому, что для этого лучше иметь непрерывную область заранее заданного размера (в идеале — как раз на полную емкость собственно кэширующего модуля, т. е. 16 или 32 ГБ) — быстрее будет и надежнее. Потом уже во время паузы в работе можно перенести вытесненные данные «на законное место», но потом. А резерв держать нужно всегда. Но для этого последний раздел нужно немножко «обрезать». Именно это в нашем случае и не удавалось сделать, о чем нас предупредила SetupOptaneMemory, а RST молча не делал ничего и ничего не предлагал. Таким образом, изначально первый блин оказался комом — просто взять и добавить Optane Memory в готовую рабочую систему не получалось. А вот появившаяся осенью новая версия RST с подобной ситуацией уже справляется: производитель «научил» ее немного ужимать и разделы восстановления.

Но, если не учитывать этот недостаток (оказавшийся, тем более, временным), все действительно легко и просто — особенно при использовании простой специальной утилиты. Благо таковая обучена только двум действиям — включать режим кэширования и выключать его. Последнее необходимо делать штатными средствами, поскольку, напомним, логика работы Optane Memory дублирования данных не предусматривает, т. е. что попало в кэширующий модуль, того уже нет на винчестере. Соответственно, при желании удалить модуль (например, для замены на более емкий или вообще), нужно «сбросить» всю информацию на жесткий диск. В простых случаях, соответственно, ей можно и ограничиться. Если же в компьютере установлено несколько накопителей, причем системным уже является SSD (любой), придется использовать RST: этот пакет позволяет выбрать накопитель, который и будет кэшироваться, а SetupOptaneMemory работает только с системным. Однако сложными случаями мы пока заниматься не будем — позже и их время настанет.

Органолептические свойства

Насмотревшись за прошедшие годы разнообразных технологий кэширования и ускорения работы, а также сопоставив увиденное с обещанным, мы по понятным причинам к новой разработке компании изначально относились с определенным скепсисом. Точнее, к тому, что быстрее будет загружаться операционная система, готовились сразу: об этом нас сотрудники Intel предупредили. Как и том, что «мгновенное» ускорение обеспечивается только с модулями от 32 ГБ, «умеющими» работать и с файлами как таковыми, так что часть их сразу же перемещается куда следует. Вот более поздний опыт общения с младшей модификацией на 16 ГБ показал, что ей по-прежнему требуется некоторое время на «обучение»: работает она на уровне секторов, так что драйверу следует понять — какие из них относятся к часто используемым данным.

Некоторой неожиданностью же оказалось то, что через некоторое время (для модели на 16 ГБ) или почти сразу (в случае 32 ГБ) поведение системы стало сложным отличать от работы только с твердотельным накопителем. Особенно это касалось чисто дисковых нагрузок — что винчестер используется, заметить было несложно, только вот непрерывного «стрекота голов», привычного по операциям со случайной адресацией не было. Т. е. в принципе внедрение кэширования записи и использование для постоянно изменяемых (в т. ч. служебных) областей именно модуля Optane Memory исправило недостаток «старых» систем кэширования, способных ускорять лишь чтение данных, но мгновенно «пасующих» при записи. Просто потому, что данные нужно в любом случае записывать на винчестер: либо сразу, либо в режиме отложенной записи, которая все равно оказывалась менее эффективной, чем кэширование в памяти. А над последним за последние 10 лет в Microsoft поработали очень хорошо, что и позволяет новым версиям Windows зачастую «шевелиться» куда «бодрее» и на старых системах, чем (казалось бы) легкой и компактной Windows XP. Последнюю бы «подстегнуть» не помешало, вот только большинство кэширующих технологий все равно требовало использования как минимум Windows Vista. Не слишком популярной, так что часто речь шла о Windows 7/8, где с кэшированием в памяти все в порядке, да и самой памяти в среднем компьютере стало больше. В итоге протестировав в свое время технологию Smart Response мы пришли к выводу, что ее использование для ускорения несистемного диска вообще не оправдано — многие «традиционные» операции вообще замедляются. Ускоряется запуск программ и прочие повторяющиеся операции, но только когда можно ограничиться чтением из кэша: любая операция записи — это привычный стрекот винчестера. Да еще и накладные расходы на работу технологии. И лишние расходы на плату на одном из старших чипсетов — младшие Smart Response просто не поддерживали. А вот Optane Memory явно «подстегивает» саму работу винчестера, что заметно невооруженным глазом. Но не полагаясь только на него, мы решили провести и инструментальные тесты — тем более, нам есть с чем сравнить результаты.

Тестирование

Методика тестирования

Тестирование проводилось с применением нашего бенчмарка на основе реальных приложений iXBT Application Benchmark 2017. Повторимся, что для нормальной работоспособности тестовых скриптов на системе с винчестером в качестве основного накопителя, их пришлось немного модифицировать в плане задержек, да и длительность паузы между загрузкой системы и запуском теста пришлось увеличивать, поскольку фоновая работа продолжалась уже и после того, как Windows «рапортовала» об успешном окончании загрузки. Ничего подобного ни с SSD, ни с «оптанизированным винчестером» не требуется — собственно, как уже было сказано выше, различить эти два случая «на глаз» очень сложно, да и нужно знать, где искать. Подготовка к тестам это подтверждает.

Набор же игровых тестов решено было в очередной раз не использовать — не для этих систем задача. Вот в будущем будет, по крайней мере, интересно опробовать более серьезные системы хотя бы просто «на зуб»: очевидно, что частоту кадров в играх накопитель никак не увеличит, но сделать игровой процесс более комфортным может. Во всяком случае, твердотельные накопители «в чистом виде» это точно делают — проверено неоднократно. Да и «старые» методы кэширования были небесполезны. Но это все уже потом — пока у нас первое «пристрелочное» тестирование.

«Процессорная» производительность

Как мы уже отмечали, хотя транскодирование считается чисто процессорной нагрузкой, даже на ультрабучном Core i3 переход на SSD улучшает результаты почти на 8%. Optane же оказывается еще быстрее. Причем никакого читерства здесь нет — разброс результатов по пяти прогонам менее 1% в каждой программе, т. е. все ускорение за счет того, что «внутренняя жизнь» операционной системы, равно как и работа со служебными областями файловой системы, локализуются где-то в области кэширующего накопителя и винчестеру читать-писать «пользовательские» данные не мешают. SSD бы не ускорился, поскольку ему несколько потоков только в радость — механике нет.

Программы рендеринга ведут себя точно также: и никакого «обучения» кэша не наблюдается, и выигрыш по сравнению с винчестером есть. Пусть и небольшой, но на пустом месте фактически. Возможно, с более быстрыми процессорами он увеличится — это как раз будет интересно проверить.

Видеоредакторы вообще довольно устойчивы к накопителю — им главное, чтоб памяти хватило (напомним, что 100 баллов здесь результаты с винчестером и 8 ГБ ОЗУ — самый дешевый вариант, ниже которого уже экономия чревата). Поэтому, естественно, все остается столь же ровным — можно даже деньги не тратить 🙂 Запускаются вот только программы с винчестера медленно, что уже не все готовы терпеть (во всяком случае, из тех, кто уже знает, что можно и не терпеть). Кэширование же работу с часто используемыми приложениями до нужного уровня подстегивает.

Для работы с фотографиями желательно иметь и достаточное количество памяти, и быстрый накопитель. Не обязательно, впрочем, слишком быстрый — в «откэшированной» системе винчестеру просто перестают мешать работать, и оказывается, что в таких условиях, и он справляется.

Еще один пример ситуации, когда в принципе нет необходимости тратить деньги ни на отдельный, ни на кэширующий накопитель: само по себе распознавание многостраничного документа и более производительные процессоры загружает работой на все 100%, так что данные «подносить» слишком быстро не требуется.

WinRar в таком режиме тоже в основном «нагружает» процессор, но немного зависит и от накопителя. Optane формально компромисс, а фактически первый прогон теста выполняется с «винчестерной» скоростью и только со второго система кэширования начинает пытаться что-то оптимизировать. Впрочем, тут у нее поле для деятельности изначально ограниченное — но уже понятно к чему готовиться в дисковых тестах.

Разница между твердотельным и механическими накопителями невелика, а «оптанизированная» система «встраивается» между ними чуть ближе к первому.

И это же мы наблюдаем и в общем зачете. Таким образом, «тяжелая» неинтерактивная работа как раз тот случай, когда можно говорить о каком-то паритете. И ничего удивительного — тут и разница между механикой и NAND-флэш невелика, так что странным было бы ожидать резкого прорыва кэширующих технологий. Просто механика иногда, но немного мешает и здесь. Optane Memory инкапсулирует системную активность внутри себя — и больше ничего никому не мешает. Понятно, что радикальное решение проблемы лучше — но и дороже. Тем более что оно должно быть действительно радикальным: на твердотельный накопитель должны «помещаться» не только программы, но и рабочие данные. По крайней мере, основная их часть.

Файловые операции

Что давно и общеизвестно — при подобных нагрузках сравнивать механические и твердотельные накопители занятие бессмысленное. Что немного неожиданно и противоречит простой логике — кэширование умудряется что-то ускорять, так что «оптанизированный» жесткий диск быстрее самого себя в три раза. Много, но. Логика может быть и более сложной. Поэтому внимательно рассмотрим результаты по трем прогонам каждого теста.

Что-то делать с копированием кэш не пытается — и это хорошо. Небольшой разброс значений есть, но не принципиальный. И аналогично себя вообще ведет и чистая механика: копирование в данном случае длится долго, так что могут вмешаться и фоновые процессы. Могут и не вмешаться.

Что WinRar будет пытаться ускоряться — было очевидно сразу. Правда происходит это понемногу и в рабочем порядке, что объяснимо логикой теста: мы сначала создаем на накопителе архив без сжатия папки размером 9,52 ГБ, которая содержит разные типы файлов, а потом разархивируем этот архив на накопитель. То есть выделить какие-то определенные файлы (не говоря уже о дисковых секторах сложно).

Зато это просто сделать в тесте на основе приложения UltraISO, где производится распаковка ISO-образа размером 7,64 ГБ. Одного и того же. Первый прогон оказывается чуть более быстрым, чем если ограничиться одним винчестером, но именно, что «чуть». А дальше «увидев», что файл нам зачем-то нужен еще и еще, система занесла его в кэш. Да и результаты его распаковки тоже — места на это хватало. В итоге «уперлись» в процессор — как раз с такой скоростью тест проходит и на одиночном твердотельном накопителе.

В принципе, такое поведение системы не противоречит логике — с «обучением» системы мы сталкивались и при использовании других технологий кэширования (того же Smart Response или гибридных винчестеров). А вот что от них отличает Optane Memory, так это то, что и при первом выполнении теста результаты оказываются более высокими, чем на «голом» винчестере. Но это перестает казаться странным, если вспомнить, что записывать приходится не только пользовательские данные — необходимо модифицировать и MFT (Master File Table). Понятно, что она при работе по возможности кэшируется в оперативной памяти, причем используется отложенная запись, что позволяет немного «разнести» операции по времени. Но не в тех случаях, когда создаются сразу сотни, а то и тысячи файлов — заметно «оттянуть» процесс обновления MFT не выходит, что в итоге приводит к появлению второго потока записи. На операциях копирования в итоге вообще переходим к «трехпоточному» режиму: какая-то часть файлов продолжает считываться с диска в дисковый кэш, ранее прочитанные записываются и, заодно, обновляется MFT. Впрочем, не секрет, что (как в известном анекдоте) и двух достаточно чтобы уменьшить скорость выполнения даже чисто последовательных операций в полтора-два раза, т. е. где было 100 МБ/с на поток чтения или записи, будет уже 50-70 МБ/с на два (три. и далее) потока суммарно. Эффект известен давно, долгие годы воспринимался как должное, все, что индустрия могла с ним сделать — несколько ослабить. Но не слишком, так что при большой интенсивности операций накладные расходы могут превышать собственно требуемые для работы. Фактически, в этом случае работа винчестера очень похожа на сценарий записи и чтения со случайным доступом. При тестировании дисковых накопителей мы подобные ситуации моделируем, так что знаем, что даже для настольных моделей производительность в таком режиме не превышает 30 МБ/с, а при простом чтении и записи больших объемов данных может достигать и 80% линейной.

Возвращаясь к тесту, вспоминаем, что копируем мы 9,52 ГБ в виде 2401 разнообразных файлов. Соответственно, сам винчестер с обычными средствами ускорения работы со стороны ОС (а тут, как мы помним по предыдущему материалу, простое увеличение объема памяти с 4 до 8 ГБ увеличивает производительность примерно на 20%) позволяет получить итоговую скорость в районе 27,5 МБ/с: для ноутбучного «низкооборотистого» винчестера нормальный результат. Использование же Optane Memory позволяет при копировании данных «выжать» почти 100 МБ/с — фактически это предел механики в однопоточном режиме, поскольку используемый нами винчестер достигает последовательных скоростей в районе 120 МБ/с на внешних дорожках. На внутренних скорость упадет до ≈40 МБ/с, а для твердотельных накопителей такого эффекта нет, разумеется, но радость от последнего факта омрачает то, что требуется накопитель емкости, достаточной и для программ, и для данных. Просто потому, что работу с винчестером «системный» SSD не ускоряет. А Optane Memory делает более быстрым именно сам винчестер.

PC Mark 7

Заодно мы решили прогнать и дисковый тест этого пакета — просто для полноты картины. Кроме того, результаты можно сравнить и с демонстрируемыми «чистым» Optane, а также использованным нами SSD Kingston SSDNow M.2 SATA G2 емкостью 240 ГБ в тестах по стандартной методике.

Первое на что стоит обратить внимание — связка «HDD+Optane» протестирована «по-честному», т. е. рабочая область не ограничивается только лишь кэширующим накопителем. В принципе, как и должно быть — ведь часть рабочих данных нет смысла «тащить» в кэш. Отсюда и отличающийся результат в RAW-режиме. Хотя попытку ускориться в нем мы тоже обнаружили: трасса «Video editing» со второго прогона начала писать данные на Optane, что позволило ей достичь скорости в 164 МБ/с, а не первоначальных 90 МБ/с. Впрочем, и последние неплохи, конечно — такой результат демонстрируют быстрые «настольные» винчестеры, а вовсе не ноутбучные модели со скоростью вращения 5400 об/мин. Для них нормальная скорость в полтора-два раза ниже, а ускорение (даже на первом запуске) появляется из-за описанных выше причин: накопитель удается разгрузить от модификации служебных областей, изрядно «лианеризовав» процесс (что как раз очень «нравится» механике). «Чистый» SSD же способен с легкостью «уйти» за 200 МБ/с, но только лишь пока мы не выходим за пределы его емкости. А главное — в реальности выполнение этой работы зависит не только и не столько от накопителя, больше определяясь процессором и другими компонентами. В итоге в приближенном к практике режиме работы эта трасса проигрывается со скоростью не более 23-25 МБ/с. Если, конечно, речь идет о твердотельном накопителе и/или СХД с кэшированием — обычные винчестеры узким местом в какой-то степени являются, поскольку не могут «подавать данные» в нужном темпе. Даже на этой трассе, вообще говоря к механике достаточно благосклонной. А есть и другие — где плюсы твердотельных накопителей видны лучше. Кэширование при помощи Optane Memory позволяет достичь сходных результатов — обычный же винчестер без ускорения не справляется. Smart Response как мы помним увеличивал общую производительность в PC Mark 7 примерно вдвое (кстати, «Video editing» эта технология вообще не ускоряла — поскольку здесь больше записи, чем чтения). Optane Memory может добиться большего — фактически ускоренный посредством данной технологии винчестер перестает быть «узким местом» в системе точно также, как и SSD. Что мы видели и в тестах приложений — эти результаты неплохо коррелируют друг с другом. Размер эффекта, конечно, разный, но это объяснимо — чем более сложная и менее интерактивная работа выполняется на компьютере, тем менее влияет на время ее выполнения скорость дисковых операций.

Итого

В принципе, главный вопрос, ответ на который нам хотелось найти для начала — работает ли вообще данная технология на практике. Ответ — да, работает, причем так, как и было обещано. Так что в дальнейшем мы планируем расширить и углубить изучение разных вопросов ее применения, причем в разных тестовых сценариях и на разных аппаратных конфигурациях.

Второй важный момент — альтернативой твердотельным накопителям использование Optane Memory не является. Intel называет ее «технологией ускорения компьютера» — и это правда. Но часть правды — это технология «ускорения работы массового компьютера», в котором, напомним, обычно стоит одиночный винчестер. Вот именно работу с ним и получается «подстегнуть», причем даже традиционные дисковые операции. Фактически в этом режиме работы модуль Optane Memory, кусочек чипсета и винчестер «собираются» в единый гибридный накопитель — так он и виден для системы. По аналогии с предыдущими версиями технологий кэширования, можно сделать и отдельный такой винчестер — но об этом уже должны заботиться производители последних. Причем узким местом тут уже может оказаться и SATA-интерфейс — вот SATA-Express подошел бы (как раз обеспечивая и пару линий PCIe), но он на практике и «помер», не дождавшись момента. Поэтому нынешний «раздельный» подход удобен и гибок. Тем более, он применим не только для системного винчестера, но и дополнительного — даже если в качестве системного использовать SSD. Т. е. на деле компания замахивается даже не на 80% компьютеров, а на 90% — вне потенциальной аудитории остаются лишь те 10% систем, где механики уже нет вообще. Вот для них данная технология просто не нужна (хотя. возможно, медленный SSD и можно ускорить в каких-то сценариях: поискать таковые будет тоже интересно), но их мало. А винчестеров — много.

Кроме того, изменившаяся логика работы (не копирование части информации для быстрого чтения, а ее перенос для быстрого доступа и на чтение, и на запись) прямо провоцируют к увеличению емкости Optane Memory. В планах компании модули на 64 ГБ уже есть, но и это не предел. Т. е. по сути это еще один путь внедрения твердотельных накопителей в массовые компьютеры — но немного более простой и «прозрачный» для пользователя. При традиционном подходе последнему нужно выбрать SSD нужной емкости, а потом самому следить — что и куда писать. Многим (энтузиастам в первую очередь) полный контроль за работой компьютера нравится, но большинству пользователей — нет. Соответственно, этому большинству и предложен альтернативный вариант: в любой момент времени можно докупить кэширующий модуль и ускорить работу компьютера. Пусть даже для начала это будут 16 ГБ — в дальнейшем можно поменять его на более емкий. А как данные будут распределяться по накопителям — пусть система решает. Как говорили умные колхозники: пусть трактор работает — он железный. В конечной же точке пути кэширующих технологий и «ручного управления» сойдутся: гибридная СХД с «горячими» данными на самых быстрых накопителях и «холодными» на самых дешевых.

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.

Но несмотря на то, что Intel Optane SSD DC P4800X действительно способен предложить выдающееся время отклика при самых разных характерах нагрузки, он остаётся нишевым предложением даже по меркам серверного рынка, что обуславливается его сравнительно невысокой ёмкостью и запредельной ценой, достигающей в удельном выражении $5 за гигабайт.

Для обычных же пользователей компания решила предложить продукт совсем иного свойства – Intel Optane Memory. Накопители под этой маркой продаются с конца апреля и представляют собой M.2-модули форм-фактора 2280 с ёмкостью 16 и 32 Гбайт, которые стоят $44 и $77 соответственно. Объёмы этих решений кажутся несерьёзными, но объяснение простое: хотя по сути Intel Optane Memory и представляют собой NVMe SSD, производитель не позиционирует их в качестве самостоятельных носителей информации. Их предназначение – служить вспомогательными кеширующими SSD при работе в связке с механическими жёсткими дисками. По задумке Intel такая комбинация из небольшого и быстрого Optane Memory и вместительного, но медленного HDD должна в большинстве реальных пользовательских сценариев предлагать производительность уровня, свойственного типичным SSD, и ёмкость, характерную для HDD. Работает ли такой симбиоз в реальности, мы и решили проверить в практическом тестировании.

⇡#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.

3D XPoint этого недостатка лишена. Такая память может работать со своими ячейками побитно (по крайней мере, в теории). И именно это позволяет Intel и Micron в перспективе нацеливаться на выпуск построенных на новой технологии модулей DIMM, где как раз и пригодилась бы возможность произвольного и прямого доступа к ячейкам. К тому же такая память может быть интересна не только энергонезависимостью, но и ценой. Даже в момент своего выхода на рынок технология 3D XPoint позволяет выпускать носители информации с удельной стоимостью заметно ниже, чем у модулей DRAM. Например, 32-гигабайтный накопитель Optane Memory стоит $77, а такой же объём обычной динамической DDR4-памяти обойдётся примерно втрое дороже.

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.

Ускоряем ПК: вторая жизнь Intel Optane Memory

Продолжаем знакомиться с возможностями не типичных способов ускорения ПК. В этом материале вы узнаете как используя забытую технологию добиться существенного прироста производительности на старых и новых системах.

• Процессор: Intel Pentium G4560 2/4 3.5 Гигагерц
• Видеокарта: Intel HD Graphics 610
• Оперативная память: 2×4 2400 MHz
• Материнская плата: H110M-DGS R3.0 Bios 7.50
• Накопитель: 2 Sata 3 SSD 128 и 256 Gb
• Звуковая система: Realtek ALC887 (EAX 1.0 and 2.0)

Intel Optane Memory — это устройство очень похожее на обычный M.2 SSD, но в корне отличающийся от него, так как используется совершенно иной стандарт памяти — 3D XPoint. Я не стану перегружать вас техническими тонкостями, а лишь отмечу, что изначальная идея Intel Optane Memory это служить внешним кеширующим устройством для основного носителя и быть намного долговечней и быстрее, чем любой-другой SSD на рынке.

К сожалению, технология малоизвестная, так как корпорация Intel не смогла грамотно преподнести устройство, а маркетинговая политика была нацелена только на топовый сегмент компьютеров с привязкой к определённым моделям комплектующих. Благо, дорогие Китайцы уже нашли решение этой проблемы и смогли обойти все ограничения.

Для подключения устройства к компьютеру не оснащённым M.2 воспользуемся дешёвым переходником с распаянным на плате M.2 (NVMe) в PCI-E 3.0 X1.

Используя такой незамысловатый переходник для нашего носителя, я смог подключить устройство в материнскую плату и компьютер успешно стартовал, а Snappy Driver Installer стянул нужный NVMe драйвер.

Проведём сравнительное тестирование нашего нового носителя в программе CrystalDiskMark8.

К сожалению, нам не хватает линий PCI-e, чтобы раскочегарить носитель на максимум, но, возможно, с другим переходником ситуация была бы иной. А пока тест чтения и записи успешно позволил преодолеть возможности стандартных SSD с подключением по Sata 3.0. Перейдём к тесту с файлами.

Синтетика это хорошо, но выполним более наглядный тест: перенос 20 целостных видеофайлов размером от 40Mb до 2.5Gb.

Удивительно, но даже с урезанными возможностями переходника, мы получаем разницу более чем в 25% по сравнению с классическим SSD. Перейдём к играм.

Никакой глобальной разницы в Fallout: New Vegas нет, возможно, если тестировать более новые проекты, то мы увидим заветные 25% разницы.

Хорошо автор, мы уже поняли, что с переходником возможно подключить любой M.2-носитель, который будет быстрее, чем любой другой SSD с подключением по стандарту Sata 3.0, но, при чём здесь Intel Optane Memory? А вот это собственно и является главной темой всего материала, так как мы задействуем технологию кеширования, которая не была бы доступна без нашего Intel Optane Memory на постоянной основе.

Как я уже упоминал ранее, технология кеширования (ускорения) доступна только на старших чипсетах Intel, но отдельное коммерческое программное обеспечение PrimoCache позволяет обойти это ограничение и даже улучшить работу нашего устройства.

PrimoCache позволяет задействовать несколько уровней кеширования (L1 и L2), где первым уровнем кеша выступает оперативная память, а вторым собственно наш носитель. Данные, перед тем как затормозить систему, будут помещаться в кеш оперативной памяти и фоново записываться на наш Intel Optane Memory, что впоследствии и позволит чуть ли не мгновенно вызывать их при необходимости, тем самым увеличивая скорость доступа ко всему и вся. Выполним базовую настройку и вновь проведём пару тестов.

• Откройте ПО
• Нажмите создать L2
• Выберите ваш носитель
• Подтвердите
• Выберите новую задачу кеширования
• Выберите носитель для ускорения
• Выберите желаемые настройки
• Готово

Просто улётные результаты, мы получаем ускорение нашего SSD более чем в 10 раз, конечно, данный тест не подходит для показания эффективности работы Intel Optane Memory, так как данные всегда будут рандомными, но как эффективность работы PrimoCache — просто идеально. Рейтинг попадания в кеш составил 100%, и никакой весомой нагрузки на CPU замечено не было. Перейдём к тесту игр.

PS. Автор понимает, что буст показателей был получен, из-за задействования оперативной памяти в виде кеша L1, но это никак не отражается на смысле материала, ибо скорость L2 ( кеширующего носителя) больше чем у основного SSD.

Замерим скорость загрузки в тяжёлом ремастере Borderlands.

Разница составила жалкие 3 секунды, хотя, если мы будем запускать игру пару раз, то, с каждым стартом игры, разрыв начнёт увеличиваться. Думаю можно переходить к итогам.

Если вам понравился материал, то пожалуйста — посетите блог автора ТЫК.

Скажу честно, я ожидал большего, но технология и вправду оказалась не нужна в век дешёвых SSD, хотя и обладает преимуществом в более высокой скорости работы с мелкими файлами и большей долговечностью по сравнению со многими носителями. В корпорации Intel поступили правильно, решив переориентировать Intel Optane Memory на High End и бизнес-сегмент. Для обычного же пользователя смысл в технологии имеется только тогда, когда часто выполняются однотипные задачи, ибо только после 2–3 стартов-загрузок, мы получаем желаемое ускорение. Такое использование быстрее любого варианта системы с классическими жёсткими дисками и заметно быстрее, чем кэширование только через SSD носитель. Не говоря уже о износе. В общем, смысл есть, но скорее для энтузиастов и совсем старых систем, а также для удалённых серверов, на которых крутится БД, но это уже совсем другая история.