Знакомство с накопителями Intel Optane Memory: футуристично, но не феерично

⇡#Описание тестовой системы и методики тестирования

Вообще говоря, для тестирования кеширующего накопителя Optane Memory компания Intel предоставила нам готовую систему. Эта система была собрана на базе платформы NUC7i7BNH, относящейся к новому поколению мини-компьютеров Intel на базе процессора Kaby Lake-U, и полностью сконфигурирована для проведения испытаний. Однако нам такой вариант тестирования показался не слишком наглядным: хотелось посмотреть на преимущества, которые может дать Optane Memory в привычной десктопной среде в сравнении с иными вариантами построения дисковой подсистемы.

Поэтому для знакомства с тем, как работает Intel Optane Memory, мы собрали собственную тестовую платформу, которую благодаря использованию процессора Core i7-7700K можно отнести к настольным платформам сравнительно высокого уровня. При этом для проверки алгоритмов кеширования Optane Memory в пару к нему было решено выбрать два принципиально разных накопителя с интерфейсом SATA 6 Гбит/с: во-первых, двухтерабайтный механический винчестер Seagate Barracuda ST2000DM001 и, во-вторых, недорогой твердотельный накопитель WD Green SSD 240 Гбайт.

Для того чтобы можно было оценить полученный уровень производительности, сравнение проводилось не только с HHD, но и с распространёнными моделями SSD, предлагаемыми ведущими производителями. В их число вошли SATA-накопители Samsung 850 EVO 250 Гбайт и WD Green SSD 240 Гбайт, а также два накопителя с интерфейсом NVMe – Samsung 960 EVO 250 Гбайт и Samsung 960 PRO EVO 512 Гбайт.

Отдельным пунктом тестирования стало сравнение работы новой технологии кеширования Optane Memory со старой технологией кеширования Smart Response. Для этого из имеющегося набора носителей информации была составлена отдельная комбинация из жёсткого диска Seagate Barracuda ST2000DM001 и твердотельного накопителя Samsung 850 EVO 250 Гбайт. Стоит напомнить, что в рамках Intel Smart Response максимальный объём раздела SSD, который можно отвести под кеш-буфер, ограничен 64 Гбайт, и именно с такой установкой проводилось тестирование. При этом был выбран Maximized-алгоритм работы, что означает работу дискового кеша в наиболее скоростном режиме Write-back.

В конечном итоге в тестировании был задействован следующий набор устройств:

• Процессор: Intel Core i7-7700K (Kaby Lake, 4 ядра + HT, разогнан до 4,5 ГГц, 8 Мбайт L3).
• Процессорный кулер: Noctua NH-U14S.
• Материнская плата: ASUS Maximus IX Hero (LGA1151, Intel Z270).
• Память: 2 × 8 Гбайт DDR4-3000 SDRAM, 15-17-17-35 (Corsair Vengeance LPX CMK16GX4M2B3000C15R).
• Накопители:
  • Intel Optane Memory 16 Гбайт (MEMPEK1W016GA, прошивка K3110310);
  • Intel Optane Memory 32 Гбайт (MEMPEK1W032GA, прошивка K3110310);
  • Samsung 850 EVO 250GB (MZ-75E250BW, прошивка EMT02B6Q);
  • Samsung 960 EVO 250 Гбайт (MZ-V6E250, прошивка 2B7QCXE7);
  • Samsung 960 PRO 512 Гбайт (MZ-V6P512, прошивка 2B6QCXP7);
  • Seagate Barracuda ST2000DM001 2 Тбайт (ST2000DM001-1CH164, прошивка CC29);
  • Western Digital Green 240 Гбайт (WDS240G1G0A, прошивка Z3311000).
• Видеокарта: NVIDIA Titan X (GP102, 12 Гбайт/384-бит GDDR5X, 1417-1531/10000 МГц).
• Блок питания: Corsair RM850i (80 Plus Gold, 850 Вт).

Тестирование выполнялось в операционной системе Microsoft Windows 10 Enterprise 64-bit Build 15063 с использованием следующего комплекта драйверов:

• Intel Chipset Driver 10.1.1.40;
• Intel Management Engine Interface Driver 11.7.0.1014;
• Intel Rapid Storage Technology 15.7.0.1014;
• Intel Optane Memory 15.7.0.1014;
• Microsoft Windows NVMe Driver 10.0.10586.0;
• NVIDIA GeForce 385.28 Driver;
• Samsung NVM Express Driver 2.2.0.1703.

Следует отметить, что в тестировании нам пришлось отказаться от использования традиционной методики тестов SSD- или HDD-накопителей. Она в данном случае имеет мало смысла. Если рассматривать Intel Optane Memory как самостоятельный накопитель, то его ёмкости явно недостаточно не только для нормального использования в привычных сценариях, но и для полноценных испытаний – наши тесты используют паттерны, которые не умещаются в таком объёме. Если же говорить о тестах Optane Memory как кеширующей памяти, то синтетические тесты в такой конфигурации вообще не имеют никакого смысла, поскольку сама идеология кеширования рассчитана на многократную работу пользователя с одними и теми же данными.

Поэтому при знакомстве с Intel Optane Memory мы пользовались несколько иными подходами, а тестирование было разделено на две фазы. В течение первой мы попробовали понять, как характеристики нового интеловского накопителя соотносятся с характеристиками привычных моделей твердотельных накопителей, а во второй фазе посмотрели на то, что в действительности может дать использование новой технологии кеширования в реальных пользовательских сценариях.

⇡#Самостоятельная производительность Intel Optane Memory

Перед тем как перейти к изучению производительности, которую можно получить при активации технологии кеширования Optane Memory, мы решили уделить некоторое внимание тому, какие практические характеристики быстродействия может обеспечить интеловский накопитель на базе 3D XPoint, если закрыть глаза на незначительный объём и попробовать эксплуатировать его в качестве обычного SSD. Для этого мы воспользовались популярным бенчмарком CrystalDiskMark, который является графической надстройкой над утилитой Microsoft DiskSPD. Использовались стандартные настройки: однопоточное тестирование и размер тестового файла 1 Гбайт.

Как следует из результатов, никаких особенно выдающихся показателей производительности накопители серии Intel Optane Memory обеспечить на самом деле не могут. Они обладают сравнительно слабым контроллером и используют всего две линии PCI Express 3.0, которые в сумме дают пропускную способность не выше 1,9 Гбайт/с. Поэтому в большинстве тестов Intel Optane Memory уступают NVMe SSD на базе обычной (трёхмерной) флеш-памяти. Более того, из-за того, что в архитектуре Optane Memory не предусмотрено никакого промежуточного уровня буферизации на основе DRAM, по скоростям записи такие накопители проигрывают даже недорогим SATA SSD.

Примечательны у Intel Optane Memory лишь показатели быстродействия в случае операций произвольного чтения с небольшой или отсутствующей очередью запросов. Вот здесь-то накопители Optane Memory, обеспечивающие прямой, а не страничный доступ, а также хранящие по одному биту данных в каждой ячейке (SLC), и раскрывают преимущества 3D XPoint, обеспечивая кратное превосходство над самыми быстрыми твердотельными накопителями на базе флеш-памяти.

Конечно, такого преимущества явно недостаточно для того, чтобы Optane Memory можно было назвать более привлекательной технологий для построения дисковых подсистем. Всё-таки последовательная нагрузка занимает достаточно серьёзное место в десктопных сценариях работы. Однако нужно понимать, что те модули Optane Memory, которые Intel предлагает массовым пользователям сегодня, в качестве альтернативы SSD на базе NAND-памяти и не планировались. Их профиль производительности ориентирован на решение совершенно иных задач – они предназначены для создания кеширующего уровня в тех дисковых подсистемах, где до сих пор применяются магнитные жёсткие диски.

⇡#Производительность кеширования Intel Optane Memory

Начать тестирование массивов, в которых в качестве кеширующего уровня применяется Intel Optane Memory, интересно с измерения базовых характеристик быстродействия. В теории, с учётом того, что в технологии Optane используется алгоритм Write-Back, скоростные показатели массива не должны отличаться от показателей самого кеширующего накопителя, ведь при тестировании мы пользуемся сравнительно небольшим тестовым файлом объёмом 1 Гбайт. Однако на практике это оказывается не совсем так.

Во-первых, даже при работе со сравнительно небольшими объёмами данных скорость массива с кешированием зависит от того, какой носитель информации используется в качестве основного хранилища. В том случае, когда Optane «спаривается» с SSD, производительность произвольных операций оказывается немного выше. Впрочем, в любом случае эффект от установки в систему Optane неоспорим, например, новаторский кеширующий накопитель может до 7 раз ускорить даже самые простые операции линейного чтения с HDD.

Вторая неожиданность – это то, что массив с кешированием не дотягивает по скорости произвольного чтения и записи до тех показателей, которые демонстрировал накопитель Optane Memory в самостоятельном режиме. Причём разница доходит до полутора раз – в случае, если речь идёт о быстродействии операций произвольного чтения без очереди запросов. Впрочем, несмотря на это, абсолютные значения этой характеристики всё равно остаются в разы лучше, чем у NVMe SSD. Следовательно, как покажет себя массив с кешированием по технологии Optane в боевых системах, по этим результатам сказать достаточно тяжело.

Зато ответ на этот вопрос могут дать специальные тесты, моделирующие работу пользователя с настоящими сценариями из реальной жизни. Наиболее представительные результаты при этом можно получить с использованием бенчмарка SYSmark 2014 SE, который обычно фигурирует в обзорах процессоров. Однако он хорошо подходит и в данном случае, поскольку в нём моделируется работа пользователя при решении различных задач в наборе реальных офисных и творческих приложений. При этом тест измеряет суммарную скорость выполнения сценариев, на которую оказывают влияние неминуемые дисковые операции по запуску приложений, открытию и сохранению рабочих файлов и т. п.

Как видно по результатам, скорость работы зависит от производительности дисковой подсистемы очень сильно. Действительно, одна и та же конфигурация при использовании механического HDD и твердотельного SSD выдаёт почти в полтора раза различающиеся скоростные показатели. Это наглядно иллюстрирует тот факт, что выбирать дисковую подсистему для компьютера по остаточному принципу – большая ошибка. Технология же Intel Optane Memory хороша тем, что она позволяет «подтянуть» скорость системы с HDD до уровня конфигураций с SATA SSD с достаточно небольшими затратами. Если в качестве кеширующего накопителя избрана 16-гигабайтная версия Optane Memory, производительность повышается до уровня недорогого безбуферного SSD. А более вместительный и быстрый кеширующий накопитель Intel Optane Memory 32 Гбайт повышает среднюю скорость системы до уровня конфигурации с общепризнанным оптимумом – Samsung 850 EVO.

Любопытный факт: если судить по подтесту Responsiveness, который иллюстрирует отзывчивость системы, то Optane способен улучшить производительность конфигурации с HDD примерно в 3 раза.

Впрочем, никаких принципиальных отличий Intel Optane Memory от старой технологии кеширования Intel SRT, которая использует в качестве буфера раздел на обычном SATA SSD, здесь не видно. Кеширование данных на традиционном SSD позволяет получить производительность примерно того же порядка, что и в том случае, если технология кеширования опирается на специализированный накопитель на базе 3D XPoint.

Зато технологию Intel Optane Memory можно использовать и вместе с основной ёмкостью, представленной твердотельным накопителем. Высокая скорость случайного чтения, которую обеспечивает Optane, могла бы оказаться значимой в такой конфигурации. Однако результаты показывают, что особого практического смысла такая комбинация всё же не имеет. Производительность поднимается весьма незначительно, и дотянуться до уровня лучших NVMe SSD таким образом не получается.

Более подробную информацию о том, как в различных случаях помогает кеш Intel Optane Memory, можно получить из теста PCMark8, который воспроизводит типовые трассы дисковой активности при работе пользователя с распространёнными приложениями.

Особых сюрпризов полученные здесь результаты не приносят. Intel Optane Memory в комбинации с HDD при повторяющихся сценариях работы с дисковой подсистемой позволяют достичь как минимум уровня производительности обычного SSD с SATA-интерфейсом. Если в качестве буфера используется модуль Optane ёмкостью 16 Гбайт, который кеширует данные на уровне блоков, быстродействие приближается к уровню бюджетного SSD.

Модуль Optane 32 Гбайт не только предлагает больший объём, но и кеширует данные по более продвинутым алгоритмам – как поблочно, так и пофайлово — и за счёт этого обеспечивает лучшие показатели. В паре с ним HDD может выдавать результат, который свойственен недорогим NVMe SSD. Если же вместе с Optane 32 Гбайт в одну упряжку поставить не HDD, а SATA SSD, то показатели производительности в PCMark8 будут ещё лучше. Однако до уровня, обеспечиваемого Samsung 960 PRO, дотянуться таким образом всё равно не получится.

Относительно неплохо показывает себя и технология Intel Smart Response, но более новый вариант кеширования на основе Optane Memory всё же даёт лучшие результаты. Впрочем, не всё так однозначно. В разных приложениях и разных сценариях перевес может оказываться на стороне различных технологий, ведь массив SRT отличается не только по структуре и производительности кеширующего накопителя, но и по его ёмкости. Именно поэтому интегральный результат PCMark8 нужно дополнить показателями производительности при прохождении отдельных тестовых трасс, которые моделируют различные варианты реальной нагрузки.

Лучшие относительные показатели производительности Intel Optane Memory удаётся обеспечить в Adobe After Effects, Adobe Illustrator и World of Warcraft. А при работе в Adobe InDesign, Adobe Photoshop и Microsoft Word эффект, который даёт Optane, напротив, совсем не впечатляет.

Кроме того, при оценке производительности мы воспользовались и тестами реальной нагрузки, которые мы применяем при измерении производительности SSD. Результаты получились следующими.

Технология Intel Optane Memory раскрывает наиболее сильные свои стороны тогда, когда нагрузка на дисковую подсистему касается запуска приложений. Собственно, именно под такие сценарии она в первую очередь и затачивалась: реализованная схема кеширования направлена на ускорение доступа к наиболее часто используемым программам. Довольны Optane могут оказаться и геймеры: как показывают наши измерения, скорость загрузки игровых приложений при добавлении в систему кеширующего накопителя может увеличиваться многократно – до 8–9 раз. Впрочем, всё сказанное касается именно 32-гигабайтной версии Optane. Накопитель объёмом 16 Гбайт для этой цели подходит не столь удачно, поскольку в нём не только урезан объём, но и отключена часть интеллектуальных алгоритмов.

Примерно то же самое можно сказать и в адрес быстродействия при операциях копирования. В целом комбинация из Optane 32 Гбайт и HDD выглядит очень неплохо. Наблюдаемая производительность примерно соответствует уровню среднестатистического SATA SSD. А вот ёмкости 16 Гбайт версии Optane для полноценного кеширования файловых операций, затрагивающих большие объёмы данных, уже не хватает.

В заключение мы проверили, сколько данных сможет принять кеширующий накопитель Optane Memory при копировании большого файла на ускоряемый с его помощью жёсткий диск. Приведённый ниже скриншот показывает, с какой скоростью происходит копирование 32-гигабайтного файла с быстрого твердотельного накопителя на HDD, ускоренный при участии Optane 32 Гбайт.

Первая ступенька на графике – это кеширование операционной системы, когда же кеш Windows заканчивается, на достаточно продолжительное время устанавливается скорость записи на уровне 290 Мбайт/с. В это время данные пишутся в Optane Memory, и именно такую производительность он способен обеспечивать при линейной записи. Однако записать с такой скоростью весь 32-гигабайтный файл не удаётся, после записи примерно 15 Гбайт производительность резко падает, и это говорит о том, что гибридная система переходит от записи на буферизирующий Optane к прямой записи на HDD. Иными словами, алгоритмы таковы, что для ускорения операций записи используется примерно половина ёмкости кеширующего накопителя. Остальное же место, очевидно, резервируется за уже хранящимися в кеше файлами, для которых, по мнению технологии кеширования, должно обеспечиваться быстрое чтение.

⇡#Выводы

Как бы то ни было, с точки зрения производительности технология Intel Optane Memory никакого чуда миру не явила. Кеширование обращений к жёсткому диску, даже когда в качестве промежуточного буфера используется новаторский накопитель Optane, всё равно остаётся кешированием, и все известные до сих пор минусы гибридных носителей информации при этом никуда волшебным образом не улетучиваются. А это значит, что привносимое дополнительным уровнем буферизации ускорение наблюдается не повсеместно, а касается лишь повторяющихся операций чтения и некоторых операций записи. В том же случае, если дисковая нагрузка затрагивает большие объёмы данных и носит разнообразный и непредсказуемый характер, толку от Intel Optane Memory будет значительно меньше.

Но в реальных сценариях, характерных для среднестатистических пользовательских нагрузок, такое кеширование вполне подходит и даже даёт очень заметный эффект. Правда, переоценивать возможности Optane Memory при этом не следует. Пусть такие накопители и отличаются беспрецедентно низкими задержками и непревзойдённой скоростью при произвольном чтении, гибрид «Optane плюс HDD» способен выдать уровень быстродействия лишь средних SATA SSD-накопителей. И даже если в пару к Optane ставить не механический, а твердотельный накопитель, максимальные скорости, которые можно будет увидеть на практике, окажутся всё равно ниже, чем у лучших образцов NVMe SSD. А это значит, что вывести производительность дисковой подсистемы на новый уровень Intel Optane Memory в сегодняшнем виде неспособен. Рассматривать его скорее следует как недорогое средство модернизации и оживления систем хранения данных, использующих механические жёсткие диски.

Однако даже с таким прицелом порекомендовать Intel Optane Memory можно лишь с дополнительными оговорками, касающимися цены. Дело в том, что наиболее быстрая и интересная 32-гигабайтная версия Optane стоит $77, то есть примерно столько, за сколько сегодня можно приобрести достаточно неплохой 128-гигабайтный SATA SSD. Технология кеширования SRT, которую можно развернуть с использованием твердотельного накопителя, уступает кешированию Optane в быстродействии, а кроме того, она работает лишь в достаточно дорогих материнских платах на базе старших наборов системной логики, что ограничивает её применимость. Но SSD вполне возможно использовать и без всяких гибридных массивов – просто для установки операционной системы и основного программного обеспечения. И во многих ситуациях такой вариант организации дисковой подсистемы может оказаться более эффективным.

Взамен же Optane Memory может предложить простоту в использовании. Добавление к обычному HDD кеша Optane позволяет сразу и без каких-либо дополнительных манипуляций почувствовать значительное ускорение дисковых операций. С Optane можно даже не переставлять и никак не настраивать операционную систему, а при дальнейшей эксплуатации компьютера совершенно не нужно беспокоиться о «правильном» распределении файлов и программ по разделам или как-то опасаться окончания свободного места на быстром накопителе. Поэтому решение Intel более неприхотливо, и его явно можно рекомендовать для компьютеров, приобретаемых не самыми искушёнными пользователями, которые хотят по минимуму задумываться о технических деталях, но при этом желают получить недорогую, вместительную и одновременно отзывчивую дисковую подсистему.

В конечном же итоге накопитель Intel Optane Memory кажется продуктом, способным заинтересовать достаточно широкую аудиторию простых пользователей, но отнюдь не энтузиастов. Впрочем, такие выводы не имеют отношения к памяти 3D XPoint, которая, напротив, оказалась очень многообещающей. Пока всем её преимуществам в конечных продуктах не даёт реализоваться высокая себестоимость, но цены неминуемо снизятся. И вот тогда новая технология компаний Intel и Micron действительно получит шанс изменить мир, ведь она позволяет строить решения, сочетающие несовместимые ранее качества: низкую латентность, побайтовый доступ к данным и энергонезависимость.

P.S.: с 29 сентября по 13 октября 2017 года 3DNews совместно с Intel проводит конкурс, в котором разыгрывются два модуля Intel Optane ёмкостью 32 Гбайт, а также комплект для сборки мини-ПК Intel NUC Kit NUC7i7BNH с предустановленным модулем Intel Optane (32 Гбайт) и процессором Intel Core i7-7567U.