经济高效地满足新一轮数据需求

执行概要

随着全球数据量不断呈指数级增长，大部分数据所依托的云基础设施必须顺应这一趋势，否则会不堪重负。传统的内存和存储架构往往在容量或性能方面存在局限性，无法满足常规的实时数据需求。

英特尔® 傲腾™ 持久内存和英特尔® 傲腾™ 固态盘可帮助解决 DRAM 和 NAND 存储之间存在的性能和容量缺口。通过将具有突破意义的英特尔® 傲腾™ 技术与新软件相结合，用户可以使用各种配置模式，实现诸多益处，包括：

• 显著扩展系统总内存容量
• 提高虚拟机密度，从而增加每台服务器的虚拟机数量和/或提升服务器整合率
• 提升应用性能，因为磁盘交换空间的读写需求较少
• 因存储响应迅速带来新的分层可能性
• 持久内存可显著加快系统恢复速度

英特尔® 傲腾™ 持久内存和固态盘提供了一种经济可靠的解决方案，可为数据中心和云应用提供满足新一轮数据需求所需的容量和性能。

图 1. 快速内存与大容量存储之间存在着巨大的缺口，阻碍了核心数据应用的存储能力。英特尔® 傲腾™ 技术解决方案现在可以满足这些需求。

业务挑战

套用爱因斯坦的话说，让我们取得今日之成就的技术无法解决明日之问题。企业和机构需要从根本上改进处理数据的方式， 以适应数量不断增加、速度不断加快、复杂性不断加剧的工作 负载。这种需求源于以全球数据爆发式增长为起点的一系列宏观层面、行业定义的趋势。根据 IDC 数据，全球未来五年创造的数据量将是前五年的三倍以上¹。在这一上升趋势中，到 2024 年， 生产力/嵌入式数据将占全球数据总量的 29%，复合年增长率 (CAGR) 将达到 40% ²。到 2025 年，全球将有近一半的数据存储在云端，从而使 30% 的数据一经创建便实时可用³。因此，全球的需求主要围绕两个方面，一是存储所有这些数据的能力，二是确保存储拥有实时响应的速度。

据思科称，许多因素助推了数据的爆发式增长⁴： 

• 2020 年开始推出 5G 
• 到 2022 年，物联网连接量将翻一番（达到 285 亿） 
• 2017 年至 2022 年，互联网游戏流量将增长 9 倍
• 2017 年至 2022 年，视频监控将增长 7 倍
• 同样是从 2017 年到 2022 年的五年中，虚拟现实和增强现实流量的复合年增长率将达到 65% 

从现在起到 2025 年，要在如此短的时间内做到容纳五倍以上创建和采集的数据量，实在是不可思议。计算基础设施也将承受巨大的压力。试想一下，你家附近的高速公路需要容纳五倍以上的交通量，与此同时，每个人还都想以远超以往的速度行进，那会是什么样的情景。数据中心现在面对的就是这种情况。

所有这些数据都将推动数据工作负载的迅猛增长，其中大部分工作负载需要实时处理。以往解决这类速度需求意味着需要采取成本高昂的措施，包括迁移至内存数据库。然而，内存系统通常造价高昂，部分原因是每 GB DRAM 的价格往往居高不下，而且模组的容量有限。

DRAM “速度快但价格昂贵，且容量有限” 的特性导致了内存/存储市场呈分散化的特点（如图 2 所示）。“热” 数据或者 “活跃” 数据需保存在内存中以保证性能，但企业和机构却很难将他们想要的所有数据都存入 DRAM。“温”（或近线）数据的响应要求较低， 因此可以保存在存储中。然而，数据爆发式增长所产生的影响涉及到各个方面。有关近线存储的低时延需求不断增加，有时甚至超出了 NAND 固态盘的限制。需要有一种新技术来弥补当前市场的性能和容量缺口，以满足未来数据需求。

英特尔® 傲腾™ 技术解决方案

如图 2 暗示的，性能和容量过去往往被视为相对的概念，几乎像 黑白一样泾渭分明。实际上，它们更像是连续频谱上的频段。 DRAM 并不是最快的内存形式；我们可以从 CPU 内部的 L1 到 L3 缓存，甚至是寄存器一窥更快的内存。同样，硬盘和磁带也不是最慢的存储介质。内存和存储存在于一个连续体上。该连续体通常 要从两个角度来观察：成本和时延，两者之间通常成反比关系。如图 3 所示，随着每 GB 成本的增加，访问时延逐渐减少。

使用 DRAM 意味着需要越来越多的高性能活跃内存，但大量使用当下 DRAM 的成本却非常高昂。此外，现有 DRAM DIMM 的密度限制了系统内存的物理容量，因此在连续体中形成了一个缺口。 NAND 的速度太慢，无法作为内存，DRAM 的价格又太高，而且 密度也不够，无法有效地扩展内存容量。

此外，NAND 固态盘之上还存在缺口。NAND 介质拥有足够的 存储容量和持久性，但性能和耐用性不足。市场需要在速度上接近 DRAM，但价格更低、容量更大、更耐用的持久存储。

英特尔® 傲腾™ 技术填补并缩小了这一内存/存储连续体的容量与性能缺口。这种独特的内存介质采用一种电阻式内存技术，在填补 连续体内存缺口方面提供固有的高性能和大容量，同时在填补连续体存储缺口方面加强性能、持久性和耐用性。英特尔® 傲腾™ 内存介质有着接近 DRAM 的速度，因此速度较快⁵；它可按字节寻址、按位写入，拥有持久性和高耐用性，并具有稳定的低时延响应能力⁶。

图 2. 数据中心所承受的压力导致了对更经济实惠的内存资源容量方案以及 “温” 数据存储的更高性能的需求。

图 3. 随着成本的增加（每 GB 成本），访问时延逐渐降低。

凭借这些特性，英特尔® 傲腾™ 内存介质可以以两种方式进行封装：以 DIMM 的形式，作为位于内存总线上的持久内存模组，或者作为位于 PCIe 总线上的 NVMe 固态盘存储设备。当配置为英特尔® 傲腾™ 持久内存模组时，可以以接近 DRAM 的速度和较低的成本扩展内存容量⁷，同时还能为内存带来持久性。当配置为英特尔® 傲腾™ 固态盘时，可以大幅提高存储的访问速度，提供稳定的性能，并拥有传统 NAND 固态盘所不具备的高耐用性⁸。

无论这一底层介质是以内存模组还是固态盘的形式封装，英特尔® 傲腾™ 技术都具有以下几个使其功能多样、必不可少的特点。

低时延

DDR4 模组规定的时延在 10 至 20 纳秒 (ns) 范围内⁹。英特尔® 傲腾™ 持久内存采用相同的物理 DDR4 封装和内存总线，可提供至多约 350 纳秒的时延。与 NAND 固态盘的 10 至 100 微秒 (μs) 相比，这是一个相对较小的时延范围。（1,000 纳秒等于 1 微秒。）如图 4 所示，即使要跨越 PCIe 存储总线，英特尔® 傲腾™ 固态盘的访问速度仍然比几乎所有 NAND 固态盘都要快得多¹⁰。简言之，英特尔® 傲腾™ 技术支持更大的低时延 “热” 数据池，因此用户可以更快地访问和使用最需要的数据。

数据持久性

与 NAND 存储一样，以存储形式部署的英特尔® 傲腾™ 介质在断电或重启时不会丢失数据。根据配置模式的不同，这一数据持久性也适用于以系统内存形式部署的英特尔® 傲腾™ 介质。数据持久性是英特尔® 傲腾™ 技术的主要特点，可帮助开创新的编程模式，使开发人员能够更快地构建更简单、更强大的应用。

图 4. 采用 NVMe 有助于消除控制器开销造成的时延，但是英特尔® 傲腾™ 固态盘所拥有的大多数性能优势都源自介质本身¹¹。

高耐用性

不同于 NAND，英特尔® 傲腾™ 介质是一种按位写入技术，无需执行 NAND 所要求的写入前单元擦除操作。这极大地提高了耐用性。例如，1.5 TB 英特尔® 傲腾™ 固态盘 DC D4800X 拥有 82.1 PBW 写入寿命，而 1.6 TB 英特尔® 固态盘 DC P4610 的写入寿命只有 12.25 PBW。其在提高投资回报率上的优势十分显著，特别是对于拥有写入密集型工作负载的数据中心而言。

可靠的性能

英特尔® 傲腾™ 技术介质在工作负载增加时依然表现出稳定的性能。例如，随着写入压力增大，基于 NAND 的固态盘的响应速度（时延）往往会变慢。在不断增加工作负载的情况下评估发现，英特尔® 傲腾™ 固态盘相对于基于 NAND 的存储设备表现出一致、平稳且快速的响应能力，而基于 NAND 的存储设备的响应速度较慢，时延是英特尔® 傲腾™ 存储设备的 60 倍以上¹²。因此，对于密集型工作负载和依赖于稳定的存储性能的应用而言，英特尔® 傲腾™ 技术是更为可靠的选择。该技术甚至适用于任务的启动阶段。有些介质需要有一定的 “启动” 时间，才能在低队列深度下实现较高的 IOPS 性能，而大多数企业工作负载都在低队列深度下运行的。英特尔® 傲腾™ 固态盘则不同，它从一开始便能提供并保持较高的 IOPS 水平¹³。

英特尔® 傲腾™ 持久内存

英特尔® 傲腾™ 持久内存符合 DDR4 物理模组规格。因此，在支持第二代或第三代英特尔® 至强® 可扩展处理器的现有平台上使用时，英特尔® 傲腾™ 持久内存模组可与传统 DDR4 内存一起使用，让更多的数据靠近 CPU 并提供接近 DRAM 的时延。英特尔® 傲腾™ 持久内存以大容量（128 GB、256 GB 和 512 GB）、非易失性 DIMM 形式提供，价格实惠，整体性价比更高¹⁴。持久内存模组在服务器内的运行方式取决于它们与英特尔® 软件的配置模式。

内存模式可实现更高的系统内存总量，因为英特尔® 傲腾™ 持久内存模组的容量远高于 DRAM 同类产品。英特尔® 傲腾™ 持久内存模组可与 DDR4 模组同时运行，后者用作大型 L4 高速缓存，英特尔® 傲腾™ 内存模组则提供单一内存区域供用户访问。请注意，英特尔® 傲腾™ 内存在这种模式下具有易失性。内存模式非常适合内存受限的应用和情形，例如庞大的数据库工作负载，或者需要较多虚拟机和/或容器的虚拟环境。内存模式适用于所有应用，无需编程或修改代码。

App Direct（应用直接访问）模式下的英特尔® 傲腾™ 持久内存可使数据在模组内保持持久性。但是，DRAM 内存仍然具有易失性。内存容量可累积，因此可以实现更高的系统内存总量，不过用户需要与 App Direct 模式相兼容的软件，并可能需要编程进行优化。在 App Direct 模式下，操作系统会将英特尔® 傲腾™ 持久内存和 RAM 识别为各自独立的内存池，并区别对待。内存可以像存储一样具有持久性，可按字节寻址，并具有缓存一致性，可支持本地节点以外的持久内存。由于数据具有持久性，因此无需重新加载数据。该特性可为数据库快速重启和实时分析加速等情况带来诸多益处。在 App Direct 模式下，DRAM 和英特尔® 傲腾™ 持久内存可按需分配，因此应用可以使用更适合的介质来完成特定任务。

基于 App Direct 的存储模式无需修改应用。该模式采用与 App Direct 模式相同的操作系统 NVDIMM 驱动程序，但允许用户在英特尔® 傲腾™ 持久内存池仍然位于内存总线的情况下，将其配置为非易失性存储。这不仅消除了 I/O 总线时延，让 DRAM 发挥其典型的易失性内存作用，还为性能敏感型应用提供显著加速的缓存层。

英特尔® 傲腾™ 持久内存并不会取代 DRAM，而是对 DRAM 的补充。它可以显著扩展系统内存，并为数据带来持久性，而这些数据原本会被降级放入较慢的存储介质。英特尔® 傲腾™ 持久内存的这两大特点都能够带来显著的投资效益。例如，内存受限的虚拟机往往对 CPU 的利用不足。通过扩大受限虚拟机的可用内存，可以提高每个虚拟机的 CPU 利用率，从而提高整体利用率。此外，更高的内存容量意味着可以在每个物理系统上部署更多的虚拟机，企业因此可以减少运行的服务器总量。通过在更少的资源上增加虚拟机密度，可提高解决方案的性价比。

英特尔® 傲腾™ 固态盘

通过在 x4 AIC、U.2 或 M.2 外形尺寸的设备上部署相同的英特尔® 傲腾™ 技术介质，可为存储带来类似机遇。如前所述，虽然 PCI Express 存储总线导致额外的时延和开销，但读/写性能（通常低于 10 μs）仍然足以支持大容量存储层，其所具有的优势对于 NAND 固态盘而言要么成本高昂要么无法实现。

前面介绍了英特尔® 傲腾™ 介质如何表现出远超 NAND 的耐用性。在持续负载情况下，英特尔® 傲腾™ 存储依然表现出比 NAND 速度更快、性能更可靠。为了阐明这一点，图 5 以图表形式说明了时延和 IOPS 之间的关系，对英特尔® 3D NAND 固态盘和英特尔® 傲腾™ 固态盘进行了比较。

图 5. 随着负载水平的提高，英特尔® 傲腾™ 固态盘的低时延性能比 NAND 同类产品更加稳定。

有趣的是，通过将英特尔® 傲腾™ 固态盘与英特尔® 内存驱动技术（目前适用于 Linux）相结合，可以实现英特尔® 傲腾™ 持久内存的某些优势。该解决方案使用软件将英特尔® 傲腾™ 固态盘与 DRAM 池结合起来，实现内存容量扩展，这点很像内存模式下的英特尔® 傲腾™ 持久内存模组。英特尔® 傲腾™ 固态盘与英特尔® 内存驱动技术相结合提供了一种具有成本效益的方式，可大大扩展系统内存，超出一般 DRAM 的限制。该技术可在保持相对较低的 DRAM 容量的同时，支持大规模工作负载，因此有望节省硬件采购和运营成本。与英特尔® 傲腾™ 持久内存一样，将英特尔® 傲腾™ 固态盘与英特尔® 内存驱动技术相结合，可作为另一种 “热” 数据的缓存方式，实现对 CPU 的快速、低时延利用。

由于固态盘通过 PCIe 总线进行通信，因此不可避免地存在一些 I/O 时延。这就是为什么在对性能敏感的环境中，英特尔® 傲腾™ 持久内存始终备受青睐的原因。英特尔® 傲腾™ 固态盘与英特尔® 内存驱动技术相结合不仅可以提供许多应用和环境所需的超大系统内存，而且还可得到当前众多 CPU 的支持。 

与所有英特尔® 傲腾™ 固态盘一样，英特尔® 内存驱动技术可与英特尔® 至强® 可扩展处理器、英特尔® 至强® 处理器 E5-x6xx v2 或更高版本¹⁵，以及英特尔® 至强® 处理器 E7-x8xx v2 或更高版本一起使用。请注意，在采用英特尔® 内存驱动技术的情况下，数据仍然具有易失性。

为所有工作负载提供更多系统内存

英特尔® 傲腾™ 持久内存和固态盘存在许多用例和目标应用，随着二者利用率不断增加，还会出现更多的用例和目标应用。英特尔® 傲腾™ 技术的两种实现方式，其基础都是基于上一代和当前一代英特尔® 至强® 处理器的服务器中的英特尔® 3D NAND 容量存储。英特尔® 3D NAND 固态盘为各类企业工作负载建立了良好的数据性能和可靠性基准（请参见表 1）。

表 1. 任何基于英特尔® 至强® 处理器的服务器都可以从集成英特尔® 傲腾™ 固态盘的优势中获益。而对于基于第二代或第三代英特尔® 至强® 可扩展处理器的服务器而言，越来越多的应用可以通过使用英特尔® 傲腾™ 持久内存来实现广泛优势。

对于运行的应用会因访问存储的时延降低而受益的平台而言，添加英特尔® 傲腾™ 固态盘可以带来比 3D NAND 固态盘更好的性能。英特尔® 傲腾™ 固态盘可以提供绰绰有余的容量和速度以发挥缓冲/缓存作用。经常访问的存储数据可以保存在英特尔® 傲腾™ 固态盘中，并显著提高响应速度，同时还可以避免主固态盘容量存储不必要的使用和磨损。由于存储子系统可以从英特尔® 傲腾™ 介质的高耐用特性中获益，因此这有助于英特尔® 傲腾™ 固态盘实现更高的整体系统性能和更低的成本。

此外，基于英特尔® 至强® 处理器的精选平台¹³ 可以使用英特尔® 傲腾™ 固态盘来优化系统总内存容量。借助英特尔® 内存驱动技术，即使是旧平台也可以将可用内存从 GB 升至 TB。这可以显著提高内存受限的应用和工作负载的效率，实现更大的数据集、更高的虚拟机密度以及物理服务器整合等优势。

与 3D NAND 固态盘相比，基于第二代或第三代英特尔® 至强® 处理器部署服务器平台可以让企业和机构实现广泛优势。不同于在 NVMe 总线上扩展系统内存，高容量的英特尔® 傲腾™ 持久内存模组可让系统内存容量比仅使用 DRAM 的系统容量大好多倍。所有这些内存共存于 DDR4 总线上，并拥有该通道的访问时间优势，因此可为超大型数据集提供超大容量，并为已得到增强，可感知英特尔® 傲腾™ 持久内存的要求较高的应用提供更高的性能（与通过 NVMe 总线访问英特尔® 傲腾™ 介质相比）。 

举例来说，与仅使用 DRAM 相比，Hewlett Packard Enterprise (HPE) 通过使用 1.5 TB 的英特尔® 傲腾™ 持久内存，实现了 GraphX 制药工作负载 48% 的性能/价格优势¹⁴。 

第二代或第三代英特尔® 至强® 处理器上的英特尔® 傲腾™ 持久内存模组通过采用 App Direct 模式带来其他益处。通过 App Direct 模式，企业可以根据工作负载的要求，优化配置，获得所需的性能和系统内存容量。最终，那些使用基于第二代或第三代英特尔® 至强® 处理器的服务器以及需要扩展内存容量和/或使用快速、非易失性内存的企业应添加英特尔® 傲腾™ 持久内存。

英特尔® 傲腾™ 固态盘面向广泛存在于数据中心市场的使用模式和工作负载，包括超融合和软件定义的存储工作负载，如 vSAN、Ceph 和 Microsoft Storage Spaces Direct。实际上，超融合基础设施是重点关注的领域，该领域很早就采用了英特尔® 傲腾™ 固态盘，因为其低时延特性可最大程度地减少 I/O 等待时间。减少 I/O 等待有助于恢复 CPU 周期，进而提高工作负载密度，最终减少节点数量。而更少的节点数量有利于减少硬件投资，并可降低软件许可成本。

另外，数据中心也可以使用英特尔® 傲腾™ 固态盘来提高现有系统的虚拟机密度。Evaluator Group 进行的一项超融合平台研究发现，将英特尔® 至强® 可扩展处理器和英特尔® 傲腾™ 固态盘集成到运行 VMware vSAN 的超融合平台中，可以带来性能和成本效益方面的优势。研究结果表明，优化后的平台可以支持多出 1.6 倍的虚拟机，同时仍能满足每个虚拟机的服务级别协议 (SLA) 性能要求¹⁶。 

在基础设施领域，Memcached 和 Redis 等数据库工作负载被用作数据库。由于网络（而非内存子系统）存在典型的瓶颈，因此采用像英特尔® 傲腾™ 持久内存之类经济高效的解决方案来扩展内存可以取得不错的效果。在拥有更多内存的情况下，用户可以实现更好的缓存命中率，从而经济高效地提高整体 SLA。

对于数据库的使用，SAP/HANA 是目前市场的领导者。英特尔® 傲腾™ 持久内存不仅能以相对较低的成本提供高性能，而且还能实现比仅使用 DRAM 更大的内存容量。这一市场的另一个独特优势是数据库内存的持久性。

最后，在高性能计算中，与英特尔® 内存驱动技术相结合的英特尔® 傲腾™ 固态盘可以直接灵活的配置为内存或存储。因此，有关高性能计算集群的预算和设计可以有多种选择，从而减少大容量内存节点中对高成本 DRAM 的依赖。

所有这些创新和企业能力的扩展，部分得益于英特尔多年来参与各个行业标准机构工作的努力，这些机构包括 PCI-SIG（管理 PCIe）、NVM Express 以及企业与数据中心固态盘外形尺寸 (EDSFF) 工作组。英特尔在上述以及类似的标准机构中的基础工作，有助于确保基于新技术的解决方案（如英特尔® 傲腾™ 持久内存和英特尔® 傲腾™ 固态盘）得到充分的验证和优化，并为广泛、成功的部署做好准备。

用例和相关应用

如需更深入地了解其中一些用例和相关应用，请研究以下英特尔解决方案简介：

• Ceph：借助英特尔® 傲腾™ 固态盘加速 Ceph 集群。
• SAP HANA：SAP HANA 2.0 SPS 03 包含众多针对 SAP HANA 平台的创新，是首个支持英特尔® 傲腾™ 持久内存的主流数据库解决方案。
• VMware vSAN：敏捷的存储系统可快速增强对存储数据的分析和洞察。
• Vexata 系统和英特尔® 傲腾™ 固态盘：Vexata 提供基于英特尔® 傲腾™ 固态盘和 NVMe/PCIe 英特尔® 固态盘的各类企业级存储，为数据库和数据分析工作负载提供突破性的应用性能。
• 充分利用英特尔® 傲腾™ 固态盘，满足微软 SQL Server 需求 ：与基于闪存的固态盘相比，基于 NVM 的新设备提供了令人艳羡的性能。

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• 内存和存储技术系列：这些资源能够帮助系统架构师、工程师和 IT 管理员更好地理解传统内存和存储方案的局限、这些局限如何造成数据中心性能和容量缺口，以及英特尔® 傲腾™ 技术如何以具有行业颠覆意义的全新架构填补这些缺口。
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结论

据 Flexera 一项 2019 年调查显示，2019 年有 64% 的企业将专注于优化其当前的云使用情况，以节省成本¹⁷（请注意，对于 58% 的企业而言，有关云的第二要务是将更多的工作负载转移至云端）。拥有能承载更大数据集的内存容量可以为诸多运行云应用的企业带来益处，但是 DRAM 的高昂成本和有限容量却带来了重重阻碍。与此同时，企业如果拥有更快的应用存储响应速度，就可以为客户提供更多的价值和服务，但 NAND 固态盘时延在很大程度上受限于介质固有的限制，为应对这一问题，在某些情况下只能将数据存入 DRAM。显而易见，该方法意味着每 GB 的成本十分高昂。

英特尔® 傲腾™ 持久内存和英特尔® 傲腾™ 固态盘技术为企业提供了一种方法，让他们通过使用这类全新产品经济高效地解决上述问题。通过实现以前无法企及的系统内存容量以及推出全新水平的高性能存储响应速度和耐用性，英特尔® 傲腾™ 技术提供了一种数据中心和云应用所需的高性价比解决方案，帮助满足新一轮的数据需求。

有关英特尔® 傲腾™ 技术的更多信息，请访问 https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/architecture-and-technology/optane-technology/optane-for-data-centers.html。