[Перевод] Два в одном: Intel Optane Memory H10 (часть 1)

Часть 1 >> Часть 2

Кэширование SSD существует уже долгое время, и позволяет выжимать максимум производительности из быстрых устройств хранения данных. В последние годы в царстве небольших, дорогих и очень быстрых накопителей правили продукты Intel Optane, использующие энергонезависимую память 3D XPoint. C третьим поколением памяти для кэширования Optane Memory от Intel, производительность Optane сможет претендовать на новый сегмент продуктов.

Первыми дисками с Optane Memory были крошечные SSD NVMe, предназначенные для ускорения доступа к более медленным дискам SATA, особенно к механическим жестким дискам. В настоящее время Intel продолжает использование SSD-дисков с памятью Optane для кэширования других SSM-накопителей NVMe, ориентируясь на сочетание флэш-памяти Optane и QLC NAND. Теперь они поместили оба типа SSD на один модуль M.2 для создания новой Optane Memory H10.

Intel Optane Memory H10 впервые позволяет Intel внедрить свою технологию кэширования Optane Memory в ультрабуки, где есть место только для одного SSD, о SATA и говорить нечего. Втискивание двух дисков в односторонний 80-миллиметровый модуль M.2 стало возможным, в частности, благодаря высокой плотности четырехбитовой флэш-памяти Intel QLC NAND от Intel. SSD Intel 660p QLC имеет много свободного пространства на плате в версиях 1 ТБ и 512 ГБ, кэш-память Optane потенциально может компенсировать недостатки QLC NAND в производительности и долговечности. Даже с размещением двух типов памяти на одном модуле дизайн H10 очень прост.

Optane Memory H10 не использует никаких новых ASIC или другого аппаратного обеспечения, чтобы модули диска Optane и QLC выглядели как единое устройство. Кэширование полностью управляется программным обеспечением, и хост-система независимо обращается к Optane и к QLC H10. Каждая половина диска имеет две выделенные линии PCIe. Ранее все твердотельные накопители Optane Memory были устройствами PCIe x2, поэтому они ничего не теряют в новом устройстве. А вот Intel 660p использует 4x контроллер Silicon Motion NVMe, который теперь ограничен двумя линиями PCIe. Хотя, честно говоря, 660p почти никогда не требовалось больше пропускной способности, чем может обеспечить канал x2, так что это не является действительно узким местом.

С медленным SSD QLC и быстрым SSD Optane на одном устройстве Intel пришлось принимать сложные решения при определении характеристик производительности диска. Для двух больших емкостей H10 (512 Гб и 1 Тб) заявлена скорость последовательного чтения, превышающая 2 ГБ/с. Это отражает способность программного обеспечения Intel Optane Memory извлекать данные как из QLC, так и из Optane H10 одновременно. Запись также может чередоваться между различными типами памяти, но максимальный рейтинг не превышает какого-либо очевидного лимита для производительности любого из устройств. Спецификации случайных операций ввода-вывода для H10 находятся между производительностью устройств с Optane Memory и 660p SSD, но гораздо ближе к производительности Optane. Intel не пытается рекламировать идеальный коэффициент попаданий в кэш, но они ожидают, что он будет достаточным для реального использования.
Кэш Optane должен снизить нагрузку, которую создает запись в QLC H10, но Intel по-прежнему оценивает выносливость всего устройства как те же 0,16 перезаписи диска в день. Это та же выносливость, что и у твердотельных накопителей 660p QLC.

Маркетинговые фотографии Intel Optane Memory H10 показывают SSD с двухцветной печатной платой, чтобы подчеркнуть двойственную природу диска, но на самом деле плата диска одноцветна. Компоновка платы уникальна благодаря двум контроллерам и трем видам памяти, но она также явно показывает два дискретных продукта, на которых она основана. Половина накопителя с QLC NAND находится ближе к разъему M.2 и оснащена контроллером SM2263, плюс по одному пакету DRAM и NAND. Знакомые соединения для тестирования / отладки Silicon Motion расположены на границе между NAND и Optane. Сторона Optane содержит небольшой контроллер Intel Optane, единый пакет памяти 3D XPoint и большинство компонентов управления питанием. Intel SSD 660p и более ранние твердотельные накопители с Optane Memory имели очень много свободного места на печатных платах; Optane Memory H10 переполнен, и, возможно, имеет наибольшее количество деталей среди любых SSD-накопителей M.2 на рынке.

На первый взгляд, программное обеспечение Optane Memory почти не изменилось; разве что теперь стало больше гибкости в выборе устройств для кэширования. (Intel заявила о расширенной поддержке Optane Memory для процессоров Pentium и Celeron на платформах, которые уже были поддержаны процессорами Core.) Если boot volume кэшируется, программное обеспечение Intel позволяет пользователю закрепить в кэше выбранные файлы и приложения, чтобы исключить их удаление из кэша. Кроме этой опции, настроек поведения кэша нет.

Некоторые OEM продающие системы, оснащенные Optane Memory, сообщали объемы памяти как сумму DRAM и Optane. Это имело бы смысл, говоря мы о модулях постоянной памяти Optane DC, подключаемых к контроллеру памяти процессора; что вводит в заблуждение, так это тот факт, что рассматриваемый продукт Optane — SSD.

Первоначально Optane Memory H10 будет деталью, предназначенной только для OEM-производителей. Новый SSD будет доступен для потребителей только как компонент новых систем, в первую очередь ноутбуков. Intel пока рассматривает возможность выпуска H10 в розничную продажу — как в качестве отдельного продукта, так и в составе NUC kit, о сроках не было сообщено. Их партнеры по материнским платам готовили почву для поддержки H10 почти год, и многие десктоп материнские платы серии 300 уже поддерживают H10 с последней общедоступной прошивкой.

Совместимость платформы

Размещение двух устройств PCIe на одной карте M.2 является новинкой, если не сказать больше. Корпорация Intel уже ставила два контроллера SSD на одну печатную плату — в корпоративных хай-энд SSD, например, P3608 и P4608, но эти накопители используют микросхемы коммутатора PCIe для разделения хост-соединения x8 на два по x4 для каждого из двух контроллеров NVMe на плате. Такой подход раздувает TDP устройства до 40 Вт, что совсем не полезно в рамках ограничений M.2.

Существует несколько плат расширения PCIe, которые позволяют подключать четыре SSD-накопителя M.2 PCIe через один слот PCIe x16. Некоторые из этих карт включают коммутаторы PCIe, но большинство используют хост-систему, поддерживающую раздвоение портов PCIe, для разделения одного порта x16 на четыре независимых порта x4. Обычные потребительские CPU обычно не поддерживают это, и ограничены разделением x8 + x4 + x4 или просто x8 + x8, и только тогда, когда линии перенаправляются в разные слоты для поддержки использования нескольких GPU. Последние процессоры для серверов и рабочих станций с большей вероятностью будут поддерживать разделение портов вплоть до x4, но поддержка материнской платы для включения этой функции присутствует далеко не везде.

Даже на процессорах, где слот x16 может быть разделен на четыре порта x4, дальнейшее разделение вплоть до портов x2 редко или вообще невозможно. Чипы, которые поддерживают работу многих линий PCIe, таких, как узкие порты x2 или x1, являются чипами southbridge/ PCH на большинстве материнских плат. Как правило, они не поддерживают порты шире, чем x4, потому что это нормальная ширина соединения с процессором.

Исходя из вышеизложенного, мы попробовали Optane Memory H10 практически со всеми имеющимися у нас портами PCIe 3.0, используя все необходимые адаптеры. Наши результаты приведены ниже:

Ноутбук Whiskey Lake, предоставленный Intel для этого обзора, конечно же, полностью совместим с Optane Memory H10 и скоро будет доступен для покупки с новым диском. Совместимость со старыми платформами и платформами, отличными от Intel, в основном соответствует ожидаемой: доступна только сторона NAND H10. На этих материнских платах не удастся использовать два PCIe устройства, имеющих общий слот M.2 x4 — они не способны обнаружить и инициализировать оба устройства. Есть несколько исключений, которые нужно отметить:

Во-первых, материнская плата H370 в нашей системе Coffee Lake должна была полностью поддерживать H10, но GIGABYTE выпустила испорченное обновление прошивки, которая якобы добавила поддержку H10: обе части NAND и Optane H10 стали доступны при использовании слота M.2, который подключается к PCH, но включить кэширование невозможно. Существует множество материнских плат серии 300, которые успешно добавили поддержку H10, и я уверен, что GIGABYTE скоро выпустит исправленное обновление прошивки для этой конкретной платы. Подключение H10 в слот PCIe x16, который соединен непосредственно с CPU, не обеспечивает доступ к стороне Optane, отражая отсутствие у ЦП поддержки разделения порта PCIe вплоть до x2 + x2.

Единственной современной системой AMD, которая была у нас под рукой, была материнская плата Threadripper / X399. Все слоты PCIe и M.2, которые мы попробовали, делали видимой сторону Optane H10, но не могли обнаружить NAND.

Мы подключили H10 через два разных брэнда коммутатора PCIe 3.0. Avago PLX PEX8747 предоставил доступ только к стороне NAND, что и следовало ожидать, так как он поддерживает только раздвоение портов PCIe вплоть до портов x4. Коммутатор Microsemi PFX PM8533 поддерживает разделение до x2, и мы надеялись, что он даст доступ к обеим сторонам H10, но вместо этого получили доступ только к половине Optane. Коммутатор Microsemi и материнская плата Threadripper могут нуждаться лишь в обновлении прошивки, чтобы работать с обеими половинками H10; более ранние поколения Intel PCH могут иметь такой потенциал, но Intel не будет предоставлять такие обновления. Даже если бы эти платформы могли получить доступ к обеим половинкам H10, они не будут поддерживаться драйверами кэширования Optane Memory от Intel. Правда, существует стороннее программное обеспечение для кэширования.

Тестовая система

Нашей основной системой для тестирования потребительских SSD является настольный компьютер Skylake. Он оснащен программируемым модулем питания Quarch XLC для подробных измерений мощности, и используется для тестов трассировки IO ATSB и синтетических тестов с использованием FIO. Но наша система старше, чем Optane Memory, и Intel и их партнеры по материнским платам не захотели выпустить обновления микропрограмм для поддержки кэширования Optane Memory в системах поколения Skylake. Как результат, с помощью нашего тестового стенда мы можем получить доступ только к половине диска — к QLC NAND.

Как это бывает при выпуске новой Optane Memory, Intel отправила нам целую систему с уже установленной и настроенной новой Optane Memory H10. Поэтому теперь система для тестирования представляет собой ноутбук HP Specter x360 13t с процессором Intel Core i7-8565U Whiskey Lake и 16 ГБ памяти DDR4. В предыдущие годы Intel предоставляла настольные системы для тестирования продуктов Optane Memory, но главным преимуществом H10 является то, что это один модуль M.2, который подходит для небольших систем, а потому и был выбран 13-дюймовый ноутбук. Intel подтвердила, что Spectre x360 скоро будет доступен для продаж с Optane Memory H10 в качестве одного из вариантов хранилища.

В HP Specter x360 13t только один слот M.2 type-M, поэтому для тестирования конфигураций кэширования на нескольких дисках или вариантов с использованием SATA, мы использовали системы Coffee Lake и Kaby Lake, которые Intel предоставила для предыдущих выпусков Optane Memory. На результаты тестов приложений, таких как SYSmark и PCMark, сильно влияют различия в мощности процессора и оперативной памяти между этими машинами, поэтому мы должны перечислить три набора оценок для каждой протестированной конфигурации диска. Тем не менее, наши тесты ввода-вывода AnandTech Storage Bench и наши синтетические тесты, использующие FIO, дают практически идентичные результаты для этих трех систем, поэтому мы можем провести прямые сравнения, и для каждого такого теста перечислим один набор баллов для каждой конфигурации хранилища.

Программное обеспечение Intel Optane Memory для кэширования предназначено только для Windows, поэтому наше синтетическое тестирование FIO на основе Linux пришлось адаптировать для работы в Windows. Конфигурация и процедура тестирования максимально приближены к нашей обычной методологии, но некоторые важные отличия означают, что результаты этого обзора нельзя сопоставлять напрямую с результатами наших обычных обзоров SSD и результатами, опубликованными в Bench. В частности, в некоторых случаях невозможно было выполнить безопасное стирание или форматирование NVMe из Windows. Наше тестирование обычно включает в себя стирание диска между основными фазами, чтобы восстановить производительность, не дожидаясь, пока фоновая сборка мусора SSD завершит очистку и освобождение кэша SLC. В обзоре синтетических тестов на основе Windows тесты, которые записывают наименьший объем данных, были запущены первыми, а тесты, которые требуют заполнения всего диска, отработали последними.

Кэширование памяти Optane требует использования драйверов Intel. Наша обычная процедура для тестов на основе Windows состоит в том, чтобы использовать собственный драйвер NVMe от Microsoft, но не использовать драйверы, специфичные для конкретного поставщика. Тесты конфигураций кэширования Optane в этом обзоре проводились с драйверами Intel, но во всех тестах с одним приводом (включая тесты только одной стороны Optane Memory H10) используется драйвер Windows по умолчанию.

Наш стандартный испытательный стенд Skylake предназначен для тестирования твердотельных накопителей NVMe в основном слоте PCIe x16, подключенном к процессору. Кэширование памяти Optane требует, чтобы диски были подключены через набор микросхем, поэтому существует небольшая вероятность того, что перегрузка на канале x4 DMI может повлиять на самые быстрые диски, но H10 вряд ли приблизится к насыщению этого соединения.

Мы стараемся включать подробные измерения потребляемой мощности почти во все наши тесты производительности, но в этом обзоре мы вынуждены пропустить многие из них. Наше современное оборудование для измерения мощности не может подавать питание на слот M.2 в ноутбуке, для него требуется обычный слот PCIe x4.

Тесты приложений

С такой сложной многоуровневой системой хранения, как Intel Optane Memory H10, наиболее точными эталонами будут тесты, в которых используются реальные приложения. SYSmark 2018 от BAPCo и PCMark 10 от UL являются двумя конкурирующими наборами автоматизированных тестов приложений. Оба имеют общую цель – предоставить оценку общей производительности системы, а также несколько дополнительных оценок, охватывающих различные общие случаи использования. PCMark 10 — это более короткий тест, и он обеспечивает более детальную разбивку по различным параметрам. Он также намного тяжелее нагружает графический процессор, поскольку 3D-рендеринг включен в стандартный набор тестов, а некоторые тесты 3DMark включены в расширенный тест. Преимущество SYSmark 2018 заключается в использовании полных коммерческих версий популярных приложений, включая Microsoft Office и Adobe Creative Suite, и он включает возможность измерения общего энергопотребления системы в ходе теста. Недостатком этих тестов является то, что они охватывают только самые распространенные случаи повседневного использования, и не имитируют тяжелой многозадачной нагрузки. Ни один из их подтестов не использует хранилище интенсивно, поэтому зачастую баллы меняются незначительно при сравнении быстрых и медленных SSD.

BAPCo SYSmark 2018

SYSmark 2018 от BAPCo — это основанный на приложениях бенчмарк, который использует реальные приложения для имитации поведения бизнес-пользователей, с дополнительными показателями продуктивности, креативности и отзывчивости. Результаты отражают общую производительность системы и откалиброваны по эталонной системе, производительность которой равна 1000 баллов в каждом из сценариев. Оценка, скажем, 2000, будет означать, что тестируемая система в два раза быстрее, чем эталонная система.

Десктоп Kaby Lake и ноутбук Whiskey Lake меняются местами в зависимости от подтеста; иногда ноутбук впереди благодаря своей дополнительной оперативной памяти, а иногда настольный компьютер впереди благодаря более высокому TDP. Эти различия обычно оказывают большее влияние, чем выбор хранилища, хотя тест на отзывчивость показывает, что параметров одного только жесткого диска недостаточно. Оценка Optane Memory H10 с включенным кэшированием ненамного лучше, чем при использовании только части QLC, и с кэшем Optane работает примерно на уровне других, более простых конфигураций SSD.

Потребление энергии

Оценки энергопотребления SYSmark показывают общее потребление системы, за исключением дисплея. Наша тестовая система Kaby Lake потребляет на холостом ходу около 26 Вт, и достигает пиковых значений мощности свыше 60 Вт, согласно полученным нами результатам. Твердотельные накопители SATA редко потребляют более 5 Вт и простаивают с долей ватта, к тому же твердотельные накопители проводят большую часть тестова в режиме простоя. Это означает, что показатели использования энергии будут очень похожи. Ноутбук потребляет существенно меньше энергии, несмотря на то, что потребление дисплея так же учитывалось. Ни один из энергоемких вариантов хранения (жесткие диски, Optane 900P) не может вписаться в эту систему, поэтому показатели энергопотребления также довольно близки друг к другу.

Optane Memory H10 оказался наиболее прожорливым вариантом M.2. Отключение кэша Optane экономит немного энергии, но недостаточно, чтобы догнать хорошие накопители на основе TLC. Optane SSD 800P имеет более высокую энергоэффективность, чем большинство флеш-накопителей, но его низкая емкость является помехой для реального использования.

UL PCMark 10

Кэш-память Optane обеспечивает достаточный прирост показателей в тесте PCMark 10 Extended, чтобы вывести H10 в лидеры среди твердотельных накопителей M.2, протестированных на ноутбуке Whiskey Lake. Субтесты Essentials показывают наибольшее влияние хранилища Optane, в то время как задачи, требующие больших вычислительных ресурсов, получили мало пользы. H10 выглядит примерно так же с включенным кэшированием или без него.

Заполнение хранилища

Этот тест начинается с недавно очищенного диска, и заполняет его последовательной записью 128 КB на глубине очереди 32, фиксируя скорость записи каждого сегмента 1 GB. Этот тест не является представителем какого-либо обычного использования потребителем, но он позволяет нам наблюдать за изменениями в поведении диска по мере его заполнения. Это может позволить нам оценить размер кэша записи SLC и получить представление о том, сколько производительности остается в тех редких случаях, когда система продолжает записывать данные после заполнения кэша.

Во время непрерывной записи кэш Optane на Intel Optane Memory H10 не особо меняет ситуацию с поведением только QLC части (Intel 660p) — сам кэш Optane способен разве что на 350 МB/s. Кэш записи SLC на стороне NAND является более важным фактором, который помогает поддерживать высокую скорость записи после переполнения кэша Optane, равного 32 GB. Но в конце концов все кэши заполняются, и очень медленная скорость записи чистого QLC предстает во всей красе.

Общая средняя скорость записи при полной записи Optane Memory H10 очевидно ниже, чем у любого другого накопителя в этом наборе. Intel 660p на 1 ТB и так немного медленнее, чем жесткий диск на 7200 об / мин, а наш образец H10 имеет вдвое меньше QLC для работы.

Размер кэш-памяти Optane на H10 составляет 32 GB, но при тестировании случайных операций чтения он подходит только для рабочих наборов объемом 6–8 GB, после чего кэш начинает очистку, а производительность падает примерно до уровня обычного диска QLC. Похоже, что Intel могла зарезервировать большую часть кэша Optane для использования в качестве буфера записи, и это может нанести ущерб интенсивным нагрузкам чтения.

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?