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在美国犹他州的Lehi工厂,英特尔与美光正在合作出产一种全新的非易失性存储技术产品,该技术被称为3D XPoint,与NAND相比,3D XPoint技术的速度提升高达1000倍。

英特尔公司资深副总裁兼非易失性存储器(NVM)解决方案事业部总经理Rob Crooke表示:"现已投入生产的3D XPoint技术是存储器制程技术的一项重大突破,也是自1989 年NAND闪存推出至今的首款基于全新技术的非易失性存储器。"

3D XPoint由英特尔和美光合作研发及生产,延迟水平以纳秒计算,这远超NAND Flash以微秒计算的延迟水平,除性能指标大幅提升之外,耐用性也将提高1000倍,这也就意味着当前困扰NAND Flash的写入性能下降和闪存耐久度问题将得到解决。此外,Rob Crooke表示,存储密度将比DRAM提高10倍。

英特尔方面表示,这一技术的研发周期已经超过十年,该技术能够以较低成本满足用户在非易失性、高性能、高耐用性和高容量方面对存储与内存的需求。更为关键的是,它开创了一种可显著降低延迟的新型非易失性存储器,使得在靠近处理器的位置存储更多数据成为可能,并以此前的非易失性存储无法达到的速度来访问更多数据。

改善数据中心I/O表现 颠覆NAND Flash市场

就当前数据中心所面临的挑战来看,英特尔每年以Tick-Tock战略提升x86处理器性能,并持续突破了20nm、14nm以及10nm等制程工艺的关键节点,但数据中心的I/O问题仍然非常突出,因此在最近几年,英特尔加大了在整个数据中心I/O表现优化方面的投入力度。

一方面,通过不断将内存控制器、PCIe控制器等功能添加到处理器中,英特尔加快了处理器和I/O通道的连接速度;其次,英特尔在NAND Flash领域加速布局,成为目前市场上非常重要的SSD供应商,解决了HDD的I/O瓶颈问题,极大的提高服务器的性能;第三,英特尔成为当前高性能数据中心网络连接的前沿供应商,其100Gbit/s硅光子技术对原有的供应商,如Mellanox等产生巨大的挑战。

3D XPoint即是上述第二点中的巨大飞跃,英特尔与美光基于更少晶体管数量构建的创新型交叉点架构建立了一个存储单元位于字线和位线交叉点的"三维棋盘",以支持对单个存储单元的独立访问。基于这个架构的存储器,数据可以作为更小的片段进行写入和读取,从而实现更快速、更高效的读取/写入操作。

3D XPoint的架构,右下方是与DRAM的密度比较,从图示看是9倍密度,但有可能这只是图示,不代表真正的密度(10倍密度)的形态。

3D XPoint技术有关该架构的情况包括:

o 交叉点阵列结构--垂直导线连接着1280亿个密集排列的存储单元。每个存储单元存储一位数据。借助这种紧凑的结构可获得高性能和高密度位。

o 可堆叠--除了紧凑的交叉点阵列结构之外,存储单元还被堆叠到多个层中。目前,现有的技术可使集成两个存储层的单个芯片存储128Gb数据。未来,通过改进光刻技术、增加存储层的数量,系统容量能够获得进一步提高。

o 选择器--存储单元通过改变发送至每个选择器的电压实现访问和写入或读取。这不仅消除了对晶体管的需求,也在提高存储容量的同时降低了成本。

o 快速切换单元--凭借小尺寸存储单元、快速切换选择器、低延迟交叉点阵列和快速写入算法,存储单元能够以高于目前所有非易失性存储技术的速度切换其状态。

Mark Durcan,美光公司CEO强调:"新的技术与现有美光SSD中使用的3D NAND Flash技术完全不同,请大家不要将两者混淆,3D XPoint是一个完全新型的闪存。"

XPoint 如今已经在生产线上生产,英特尔方面表示,将在今年晚些时候提供给少量特定客户进行测试,并在2016年提供正式可用出货,其产品将横跨消费级与企业级市场,在服务器、存储、工作站、PC(特别是游戏领域)提供相应的产品以极大的改善用户体验。

128Gb 3D XPoint的Memory Dies,这一代产品的Die容量表现与当前的NAND Flash Dies没有太大区别,但第一代产品仍然令人印象深刻,因为在相同容量下其Die要比NAND Flash的Die的物理尺寸小很多。

限于当前设备接口的问题,Rob Crooke表示,3D XPoint仍将使用PCIe接口,他表示,这是目前所有接口中性能最快、延迟最低的接口,但他也同时表示:"PCIe显然不能够完全释放3D XPoint的潜在速度,英特尔会开发出新的安装方式,而这很可能会需要全新的主板架构。"是否会因为3D XPoint对接口性能的巨大需求,从而诞生"单一设备多PCIe接口"的可能性?从目前来看还不太现实,但技术总是在进步,就像3D XPoint一样。

3D XPoint:既不是NAND Flash 也不是PCM!

3D XPoint目前使用20nm制程工艺,在犹他州的Lehi工厂生产,这是英特尔与美光在非易失性存储领域于2006年1月开始合作后建设的第一个工厂,在2012-2014年期间从25nm制程工艺逐步转换为20nm制程工艺,已经是20nm制程工艺领域比较成熟的制造厂。

有关3D XPoint的存储方式的改变,英特尔是这样描述的:3D XPoint通过"整个细胞(Cell)"性质的改变,就像一个可编程的位一样,且只需要很少的写操作,这与NAND Flash从物理学角度是完全不同的,无需像NAND Flash一样进行大块的擦除之后进行改写。

从实现效果来说,这非常像是PCM(相变存储),这一技术利用的是两相间的阻抗差。由电流注入产生的剧烈的热量可以引发材料的相变。相变后的材料性质由注入的电流、电压及操作时间决定。

如同RAM或EEPROM,PCM可变的最小单元是一位。NAND Flash在改变储存的信息时要求有一步单独的擦除步骤。而在一位可变的存储器中存储的信息在改变时无需单独的擦除步骤,可直接由1变为0或由0变为1。

而从特性上来说,3D XPoint也非常像是PCM,PCM具有随机存储速度快的特点。这使得存储器中的代码可以直接执行,无需中间拷贝到RAM。PCM读取反应时间与最小单元一比特的NOR闪存相当,而它的的带宽可以媲美DRAM。相对的,NAND Flash因随机存储时间长达几十微秒,无法完成代码的直接执行。

Rob Crooke明确否认了这是PCM,他说:"这不是PCM,英特尔目前认为PCM的密度表现还不够好,所以这不会是PCM。"就目前技术来看,PCM在高密度的工作下,功耗和温度的表现都并不尽如人意,有散热不良和耗电量较高风险,以英特尔在NAND Flash市场的策略来看,暂时不会与美光贸然推出PCM技术产品,不过,美光是目前市场上PCM技术的领导者这一。

但Rob Crooke强调:"3D XPoint确实不需要在改写数据前,有一步单独的擦除步骤。"如上所述,这正是PCM的特性,而NAND Flash则必须,因此,在有进一步信息披露之前,我们只能说"3D XPoint既不是NAND Flash,也不是PCM,但它到底是什么材料?什么技术原理?什么实现方式?我们暂时只能等待产品真正发布后的信息。"

3D XPoint闪存的未来用途

Intel也阐述了3D XPoint闪存的未来用途,Intel将存储系统分为热(Hot)、暖(Warm)及Cold(冷)三个层次,性能逐级降低,但容量逐级升高,成本更低。3D XPoint闪存发挥作用的地方就在热、暖两个层级上,其中热层的3D XPoint闪存有DIMM及SSD两种规格,前者每通道带宽可达6GB/s,延迟250ns,后者通常使用PCI-E 3.0 x4通道,带宽3.2GB/s,延迟低于10ms,而暖层的3D NAND闪存SSD延迟使通常使用PCI-E 3.0 x4/x2接口,延迟在100ms级别,最底层的则是SATA 6Gbps接口的3D NAND硬盘或者HDD,更注重成本。

综上所述,未来3D XPoint闪存的存储产品有DIMM及SSD两种类型,前者的带宽远高于目前的PCI-E或者SATA接口设备,更接近上一层级中每通道带宽10GB/s的DRAM内存。

Intel会首先在服务器产品上使用3DX Point技术,未来服务器产品上的非易失性存储系统结构如上图所示,3D XPoint技术制造的NVDIMM及3D XPoint技术的SSD都是直接与CPU连接,充当DRAM内存与南桥连接的存储设备的中间级。  

 

 

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