远超传统SSD！英特尔最新傲腾技术解析
长期以来，计算机系统存在的问题就是存储设备性能过低，即便是固态盘的出现也无法很好地解决这一问题。内存的访问延迟小于0.1微秒，传输带宽也可轻松达到每秒几十GB，而传统固态盘的访问延迟一般还是会达到上百微秒，并且单块固态盘的最高传输速度、随机读写性能与内存相比还是相距甚远。同时由于NAND闪存先天的设计机制，很多SSD还存在使用得越久、性能越差的问题。因此单纯从性能看，内存似乎是最好的解决方案。
用户不断增加的数据量和与内存容量之间的差距在不断扩大
从经典的存储分层金字塔架构图中可以看到，在企业级存储中，应根据数据的类型、负载对它们合理地使用存储设备。
但在实际存储中，数据分为热数据、温数据和冷数据等3个不同层次。热数据即需要立马进行处理的数据，例如银行收到的转账请求，即时的地理位置等。温数据是非即时的状态和行为数据，例如用户近期感兴趣的话题，或用户最近去过的地方等，冷数据则是不经常访问的数据。如果全部使用DRAM内存来存储这些数据，在性能上可能会表现得非常突出，但也意味着用户需要花费非常高昂的成本。所以更合理的解决方案是根据数据的类型、负载对它们合理地使用存储设备。
傲腾持久内存适用于需要降低成本、增加负荷、性能运行更快的企业级用户。
除了处理器，英特尔其实也是一家历史悠久的存储厂商，在2008年就推出了专为高端用户设计的X25-M固体硬盘。针对目前存在的问题，英特尔给出的解决办法是对于优先级最高的热数据可以使用部分DRAM内存与大量英特尔傲腾持久内存来存储热数据，毕竟内存的价格较高，傲腾持久内存的价格相对便宜不少。两类产品都拥有很高的性能和超低的延迟，离CPU和GPU最近，能够获得及时的洞察。傲腾持久内存即Optane Persistent Memory，也被简称为Optane PMem 。它采用了DDR4 内存的外形设计，可以与英特尔至强可扩展处理器搭配使用，其最主要的特性有以下几点：
1.Optane PMem融合了内存和存储这两个不同的概念的特征，在一个物理介质上得到了体现，为革命性的突破内存和存储编程概念提供了物质基础。
2.Optane PMem的延迟约在250ns～500ns，使持久性存储进入纳秒时代，虽不如访问延迟在几十纳秒的内存，但相比上百微秒的SSD已经好了很多。
3.作为一种大容量的内存形态的存储设备，Optane Pmem 能提供10倍于DRAM 内存的容量密度。可以让更多的数据更靠近CPU，顺应了内存计算的潮流。
4.突破内存容量瓶颈，帮助用户增加服务器上的负荷，应对CPU运算能力越来越强的趋势，提升CPU利用率，实现更高的服务器系统的ROI（投资回报率）。
傲腾持久内存有容量大、性能强、可靠安全性高等诸多特性。
单根Optane PMem内存容量就可达到128GB～512GB，支持直接的字节访问。因为通过内存总线工作，所以它的延迟更低、密度更高。目前需要大容量内存支持的业务主要有企业运营、基于内存的数据库，以及高速缓存部分。通常这些业务对内存容量的需求在几个TB到几十个TB的规模。如果还采用内存的话，不仅会造成成本过高，主板上的内存插槽也无法支持如此多的内存，如果全部采用内存的话，用户不得不采用多路服务器系统来解决内存容量不够的问题，会在成本上带来更大的压力。
Optane PMem内存适合用来存储对实时计算要求稍低的SAP HANA Column Store列数据，Row Store行数据则还是用内存来存储。可以大幅降低应用对传统内存的需求。
在具体软件应用上，像SAP HANA是纯内存计算，内存起步需求就在2～3TB，如果要处理6个TB的数据，计算机将不断地从传统存储设备中调用数据到内存中去，由于存储设备的速度很慢，因此这个数据调用、部署的时间可能长达几十分钟甚至两三个小时。而使用Optane PMem傲腾持久内存后，借助其持久存储的特性，用户直接可从傲腾持久内存使用这些数据，开机就能运算，省去了很多时间。同时傲腾持久内存内存的使用也意味着用户无需购买大量传统内存，可以降低SAP HANA解决方案的硬件采购成本。
通过使用Optane PMem内存来扩大内存容量后，在REDIS系统中，6TB的内存容量可以支持运行多达84台的虚拟机数量，而在768GB内存下，只能运行7～14台。
在虚拟机应用领域，Optane PMem内存的使用可以降低IT成本，提高虚拟机密度与稳定性、可靠性。
在基于内存的数据库系统REDIS中，傲腾持久内存既可以直接用来做内存，提高CPU利用率与计算能力，也可以发挥出它的持久化存储能力，保存数据库的关键值，数据不会丢失，用户只需将数据对标的KEY值与索引值重新建立，就可以找回所需的数据，同时它的数据一致性同步性能会表现得非常好。
傲腾持久内存还可以有效降低RDMA的远端访问延迟，比如将数据库日志写入的延迟缩短10倍，另外它还可用作远端服务器的CACHE，先将数据写入到这个CACHE中，等闲置时再将数据写入到存储设备中。除了超高的性能，这个CACHE的好处是不怕断电，比基于内存的RAMDISK的数据可靠性要好得多。
在Oracle Exadata数据库一体机中，傲腾持久内存既能作为内存，也能成为存储热数据的设备。传统上Oracle Exadata存在SSD、机械硬盘多级存储结构。如果通过RDMA向远端服务器写数据，实际上也是先写到服务器的内存中，再由内存将数据迁移到传统存储设备中，多个步骤再加上存储设备较差的性能，所需延迟大概也要200us。而如果加入傲腾持久内存后，向远端服务器写数据则可借助其持久化特性，直接将热数据写入到傲腾持久内存里，所需延迟仅有19us。
在SAP HANA、数据库系统REDIS、Oracle Exadata数据库一体机中，傲腾持久内存都将大有作为。
以上只是第一代傲腾持久内存的效果，英特尔预计在今年还会发布性能强悍、代号“Barlow Pass”的第二代傲腾持久内存。相对于之前的产品，第二代傲腾持久内存支持动态功耗，在没有负载的情况下处于低功耗状态，可用节省功耗，降低温度，而在高负载情况下，则会使用更高的功耗进行读与写，保障用户得到更高的性能。同时第二代傲腾内存还会将运行频率从现在的DDR4 2666提升到DDR4 3200，可以增加15%～30%的带宽。在服务器内存插槽插满的状态。傲腾持久内存的读取带宽可达45GB/s～50GB/s，更加接近传统的DRAM内存。。当然在写入性能上，它与传统内存还是存在一定差距，写入带宽大约是传统DRAM内存的1/6。此外第二代傲腾内存在写的优化特性上还增加了支持eADR，扩展保护域。内存的写队列将向上扩展到处理器CACHE的层面，对于数据一致性的优化有一定的帮助。总体来说傲腾持久内存的性能将越来越接近内存，在企业级存储的大容量内存应用中将大有用武之地。
更高性能、更大容量 不断发展的英特尔傲腾固态盘+QLC NAND固态盘
对于优先级稍低的热数据、温数据、冷数据，英特尔则推出了傲腾固态盘以及英特尔QLC NAND固态盘来完成热、温、冷存储，它们具有高性能、大容量的特性。这种分层设计的绝妙之处在于金字塔里的每一个层级的数据、使用产品在容量和延时特性上正好有数量级的差距，这就使得用户可以根据数据的类型、工作负载进行冷热分层，并同时参考自己的预算，对性能的需求，对功耗的预期，来不断地优化自己的存储方案。
傲腾SSD具有就地写入、低延迟、位寻址、长寿命诸多特性。
相对传统NAND SSD，傲腾SSD支持就地写入，写入前不需要进行数据擦除。不像普通NAND闪存存在读-修改-写这个过程，因此它拥有更好的性能。同时在长时间写入后，它也不会出现数据脏块，不需要进行垃圾回收，因此傲腾产品可以很好地保持性能一致性，不会出现NAND固态盘用得越久、性能越差的问题。其次是傲腾技术支持位寻址，可以提供超低的延迟，带来更快的传输速度。相比传统NAND闪存，傲腾产品在性能上有质的提升，形象地比喻，就是将数据的载体从汽车升级为飞机。延迟方面，与傲腾持久内存类似，它的访问延迟远远低于上百微秒的NAND闪存 SSD。此外新介质大幅提升了傲腾产品的寿命，英特尔傲腾固态盘可以支持多达60个DWPD（每日全盘写入次数），而高性能、高寿命的NAND固态盘大多只能支持3个DWPD左右。
在实际应用中，傲腾固态盘主要有加速、缓存、数据分层三大用处，举例来说在Ceph的加速应用上，傲腾固态盘可取代传统的NAND固态盘来存储Journal文件，可以大幅提高Ceph的读写性能。
傲腾SSD每GB所能提供的IOPS远远大于传统NAND SSD与HDD，后两者的容量虽然在增加，但它们的IOP/GB比值却在不断下降，性能可扩展性较差。
在实际使用时，相对于传统NAND固态盘，傲腾SSD主要有如下特点和优势：
1.傲腾SSD的单价虽高，但能提供的价值更多，可以帮助降低用户的TCO（总使用成本）。
2. 能简单地替代NAND PCIe SSD，但用好并充分发挥傲腾SSD特性其实并不简单。
3.大多数客户都是分步走，小步快跑：短期在现有应用场景下优化；同时着眼中长期架构创新来充分发挥傲腾SSD各项优势。
4.傲腾SSD主要优势：低延迟、性能一致性/QoS、高性能（特别是随机写）、高寿命、低成本（小容量，如用于log, boot等）。某个特定应用只需要发挥其中的一部分优势即可实现很好TCO收益。所以真正合适的价格评价方法是 $/IOPs, $/PBW等。
5.傲腾SSD可以帮助NAND SSD实现更好的IOPs/TB扩展 – NAND本身的演进必然导致IOPs/TB的下降趋势 … 这样会导致CPU/network/storage能力扩展的不均衡，导致大量资源浪费。
6.傲腾SSD可以加速应用创新
同时就像英特尔的处理器一样，英特尔傲腾SSD产品的技术也在不断更新、升级之中。根据英特尔公布的最新消息，英特尔将在今年推出第二代傲腾SSD。这款SSD将采用配备新固件、支持PCIe 4.0标准的新款ASIC主控，SSD接口传输带宽将从之前的4GB/s提升到8GB/s。同时第二代傲腾SSD也使用了第二代傲腾颗粒，采用4层堆叠，相对于第一代的2层堆叠颗粒容量更大、性能更强。可以预计，在采用性能比普通闪存强得多的傲腾颗粒后，PCIe 4.0传输接口带宽更大的优势才能得到有效发挥，真正给用户带来更好的使用体验。
当然傲腾的优势并不意味着用户就不需要传统的NAND闪存了，凭借大容量、高性能特性，英特尔QLC 3D NAND固态盘非常适合用于温存储。由于采用了浮栅技术和CuA设计，英特尔QLC 3D NAND固态盘能够以更低成本存储更多数据。在实际使用中，英特尔傲腾持久内存和固态盘能够存储使用频率最高的数据，结合超大容量的3D NAND固态盘，这一组合可以最大程度地发挥各自的优势所在：对最常用数据进行最高性能访问，对不太常用的温数据、冷数据等所有数据也能实现快速访问。这些优势也让英特尔QLC固态盘得到了用户的广泛接受，在今年QLC固态盘的出货量超过了一千万片。
英特尔认为，未来NAND固态盘将按以下5大趋势发展：
1.NAND演进的必然趋势：64L -> 96L -> 128L/144L -> …; TLC -> QLC -> PLC … 这样才能更好地按照摩尔定律来增加容量、降低成本；如果只做其一，成本下降的趋势会逐渐收敛；必须两者兼顾。
2.NAND die容量会不断变大（成本考虑），SSD容量也会不断增大（更加经济），小容量SSD性能会越来越差（NAND die少了，缺乏必要的并发性能）。
3.NAND SSD性能并不能很好地随容量增加而增加，需要创新的技术和方案来帮助 … Optane是当前的优选。
4.QLC/PLC等是将来的发展趋势，并会逐渐替换HDD，但并不是简单的1:1替换，也不是一蹴而就的，需要循序渐进，并在平台、应用等方面的精耕细作。
5.QLC/PLC等也可以开创全新的应用模式，而无需替代哪种技术。
因此在96层堆叠3D NAND推出之后，英特尔在今年也会推出容量密度增加50%、性能更强的144层闪存颗粒。同时在2021年，英特尔TLC/QLC SSD将全面使用144层颗粒。此外英特尔还在加紧研发每单元可存储5bit数据，容量较QLC再提升25%的PLC技术，毕竟从英特尔的观点来看，QLC/PLC才是NAND SSD的未来，它们将承担起未来替换HDD机械硬盘的重任。
众观英特尔各类产品，它们之所以能得到用户的青睐，最关键的因素还是在于英特尔那充满活力、不断成长、可持续发展的技术研发能力，以及明显超出竞争者的最终产品表现。而这也意味着英特尔傲腾持久内存、傲腾SSD加3D NANDSSD的技术和产品组合将承担起企业提升工作效率、降低成本的重任，成为企业级存储解决方案中的核心选择。
