Intel 傲腾内存详解

作者: 王涪玖 | 来源:发表于2017-12-04 09:18 被阅读28次

Intel 傲腾内存详解

如果你关注最新的科技资讯，那么想必一定听说过英特尔最新推出的傲腾内存，这款被媒体称之为“黑科技”的最新产品，自推出之初便受到了广泛关注。

而关于英特尔傲腾内存，各方不同的解读也为这款产品增添了些许神秘色彩，我们在惊叹傲腾内存给整机性能带来的巨大提升的同时，对这款产品的本质与工作原理也产生了极大的兴趣，

那么傲腾内存究竟是怎样一款产品? 它又给 PC 性能带来了怎样的改变呢？

提升PC性能的黑科技！Intel傲腾内存详解

想要弄清上面这些问题，我们首先还是要对傲腾内存有一个初步的了解。

实际上，英特尔傲腾内存是一套完整的系统加速解决方案，它通过基于 3D XPoint 的英特尔傲腾技术，以及英特尔快速存储技术驱动程序，在不影响存储容量的情况下提供更高的性能和响应能力。

简单概括来说，

傲腾内存就是基于 3D XPoint 技术打造的，可以为硬盘提速的缓存设备。其主要作用是给传统机械硬盘提速，让 HDD 用户可以感受到 SSD 般的使用体验。在稳定性和性价比等方面，傲腾内存有着一定优势。

此外，之所以称其为内存，是因为它是利用新的内存介质将信息存储到与处理器更近的位置，这与系统 DRAM 内存的功能十分相似。傲腾内存可以和普通内存串联成一个虚拟驱动器，并使用智能软件 (英特尔? 快速存储技术) 来加速 PC 的性能和响应速度。

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英特尔傲腾内存

当然，如果单纯从产品形态的角度来看，傲腾内存就是 3D XPoint? 和快速存储技术所组成的 M.2 接口模块。其中的 3D XPoint? 可以说是傲腾内存中的关键技术，也是傲腾内存能够提升 PC 性能的根本原因。

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一、3D XPoint?

3D XPoint? 是一种由英特尔和美光科技共同推出的非易失性存储技术，英特尔将该技术称为 Optane，而美光则称其为 QuantX。

这个技术可以说是 25 年来存储技术的革命性突破，其速度和耐用性都是目前 NAND 闪存的 1000 倍。在低延迟方面，3D XPoint 更是 NAND 闪存的千分之一，DRAM 的十倍，这尤其突显了其可以进行高 IO 操作的能力。

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3D XPoint

此外，虽然本质上都是 3D XPoint 技术，但英特尔的 Optane 和美光的 QuantX 其实是两种不同的发展走向。英特尔的 Optane 适用于数据中心和台式 PC，旨在加速数据访问，同时实现经济实惠的存储容量价格。

比如面向数据中心的英特尔 Optane SSD——DC P4800X，拥有超高速、低延迟、寿命长的特点，并且推出之后便被国内两大互联网公司阿里巴巴和腾讯率先部署。

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二、内存和硬盘的区别

在介绍 3D XPoint 之前，我们首先要了解一下易失性存储器和非易失性存储器的概念。

易失性存储器 (Random Access Memory，RAM)：电源开启时资料存在，电源关闭则资料立刻流失，例如：SRAM、DRAM、SDRAM、DDR-SDRAM 等；非易失性存储器 (Non-Volatile Memory，NVM)：电源开启时资料存在，电源关闭资料仍然可以保留，例如：ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM、FRAM、MRAM、RRAM、PCRAM 等。

我们常说的内存和硬盘，则分别是易失性存储器和非易失性存储器中典型的代表，二者之间的区别主要体现在断电后数据的处理上，在把电源关闭后，内存中的数据通常不会保留，而对于硬盘而言，即便是关掉电源，硬盘中的数据也不会消失。

但比起处理器的信息吞吐能力，硬盘的速度可以说不值一提，如果处理器运算所需要的数据如果直接从硬盘中获取，时间显然会比较久。

而内存作为二者之间的桥梁，比 CPU 直接去抓硬盘数据快很多。如果 CPU 是火箭的话，那么缓存就像是飞机，内存是火车，硬盘则像是轮船。不过，内存虽然处理数据的速度比硬盘快，但断电之后数据会消失，而且价格也比硬盘贵，这使得人们不得不寻求一种更加合理的解决方案。

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不同存储器之间的性能差异三、DRAM、NAND、3D XPoint

在上文中提到，DRAM（内存）和 NAND（硬盘）是比较常见的存储器技术，尽管二者已经诞生了几十年，但 DRAM 和 NAND 的基础性物理运作机制并没有发生太多改变，在技术层面都存在着一定局限。

● DRAM

DRAM(Dynamic Random Access Memory)，即动态随机存取存储器，是最为常见的系统内存。由于 DRAM 只能将数据保持很短的时间，因此为了保持数据，DRAM 所使用的电容存储必须隔一段时间刷新一次。

DRAM 通过 MOS 管的栅电容上的电荷来存储信息，一旦掉电信息会全部的丢失，由于栅极会漏电，所以每隔一定的时间就需要一个刷新机构给这些栅电容补充电荷，并且每读出一次数据之后也需要补充电荷，这也是其被称为动态随机存储器的主要原因。

DRAM 的特点是延迟低、寿命长。但核心问题是易失性，需要不停的供电，断电存储数据就会消失。

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DRAM

● NAND

NAND(NAND Flash Memory) 是一种非易失性存储技术，即断电后仍能保存数据。随着人们持续追求功耗更低、重量更轻和性能更佳的产品，NAND 也在向着降低每比特存储成本、提高存储容量的目标发展。

NAND 主要是利用浮置栅极上的电容存储电荷来保存信息，因为浮置栅不会漏电，所以断电后信息仍然可以保存。另外，它的结构相对简单，集成度较高，所以容量可以很大。

从寿命上来说，NAND 是有平均读写次数的寿命的，即使是 SLC NAND 颗粒，其寿命也远远不及 DRAM；同时受制于存储原理，NAND 的延迟较高。

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NAND

● 再谈 3D XPoint

我们在文章开始就说过，3D XPoint? 是一种非易失性存储技术，它将原本平面化的 NAND 闪存结构变成了立体结构。

在立体结构中，存储容量将不再单纯受芯片平面面积大小的影响，同样的芯片面积上可以容纳更大的数据吞吐量。同时，与 NAND 相比，3D XPoint 拥有更加出色的性能和耐久，价格方面也处在 DRAM 和 NAND 之间。

另一方面，在生产工艺一定的前提下，单位面积里容纳的存储空间总是有限的，3D XPoint? 通过立体闪存堆叠技术，让在单位空间内可以容纳下更大容量的存储空间。如果说每一个单位的 NAND 闪存就是一栋平房，那么 3D XPoint 可以说是直接在地基上建造的摩天大楼。

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3D 存储结构

除了立体化的存储结构，3D XPoint 在立体化空间里排布也有所不同，它由选择器与内存单元共同构成，数据存储在交叉叠起的字线和位线之间，在字线与位线之间提供特定电压会激活单一选择器，使存储单元进行写入或者读取。

当数据需要读取时，字线和位线可以检测某个存储单位的电阻值，根据其电阻值来反馈数据存储情况。

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交叉阵列结构

同时，3D XPoint? 是一项以电阻为基础的存储技术成果，其通过改变单元电阻水平来区分 0 与 1。这与 NAND 通过以浮置栅极是否带电来表示 1 或 0 是极为不同的。

同时，NAND 由 block(块) 构成，block 的基本单元是 page(页)，NAND 的 page 进行一次编程才能存储 1bit 数据，而且擦除操作要在 block 层级进行操作；

而在 3D XPoint 中，基础访问单位是 bit，数据以 bit 的形式存储在 Memory Cell 中，一个 Memory Cell 可存储 1bit 数据，这样操作更加简单，搭配合理高效的选择器（Selector），可以带来更高的性能和更低的功耗水平。

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Memory Cell 和 Selector

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3D XPoint 工作原理

3D XPoint? 可以说是自 NAND 推出以来最具突破性的一项存储技术，也被看作是存储产业的一个颠覆者。3D XPoint 拥有与 NAND 类似的容量以及接近 DRAM 的性能。

与 NAND 相比，3D XPoint 的速度更快，是 NAND 的 1000 倍左右，同时拥有更加持久的使用寿命；与 DRAM 相比，3D XPoint 的成本只有 DRAM 的一半，存储密度却是传统存储的 10 倍；正是得益于这些优势，该技术可以广泛应用在游戏、媒体、金融等领域，未来具有广阔的应用前景。