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新的3D XPoint存储能否带来存储革命?

2015年08月03日 10:39:28 | 作者:波波编译 | 来源:cnw.com.cn

摘要:英特尔和美光(Micro)本周共同发布了一款新型内存芯片,双方计划将批量生产这种比NAND闪存的速度快1000倍、寿命也要长1000倍的新产品。

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【网络世界独家译稿】

英特尔美光(Micro)本周共同发布了一款新型内存芯片,双方计划将批量生产这种比NAND闪存的速度快1000倍、寿命也要长1000倍的新产品。

寿命长1000倍意味着该芯片可拥有100万次擦写周期,换句话说,这种新的内存芯片几乎可以永久使用。

与之相比,目前的NAND闪存只有3000到1万次擦写周期。利用耗损均衡技术和纠错软件,虽然可以增加擦写周期,但NAND也绝对达不到将近100万次的水平。

这种新的内存产品采用的是创新的3D XPoint技术,本质上就是一块海量存储内存,尽管速度比不上DRAM,但成本却要便宜很多,而且速度比NAND快得太多了。最重要的是,它是非易失性的。所以即便断了电,数据仍然完好无损——这一点跟NAND闪存一样。

图1:3D XPoint架构的要点是不再需要用晶体管来存储比特,而是采用编织成格栅架构的导线,利用其电阻来表示1或0。

“它的成本高于NAND,低于DRAM,但速度也高于NAND,低于DRAM,”Objective分析公司的分析师Jim Handy说,“因此很适合在分层存储中创建一个新的层,只不过销售起来可能会比较困难。”

于是两家公司努力地想要提升3D XPoint的重要性,声称它是25年以来出现的第一个新的内存品类。根据研究机构的分析,英特尔和美光这么说并没有夸张。3D XPoint处于DRAM和NAND闪存之间,在某些情况下可以在企业的数据中心取代后两者,最终可能也会用于消费者的台式机和笔记本电脑。

神秘新材料

虽然两家公司都宣称即将正式生产这种新的内存,但它们还是为这种产品留下了不少的迷团。

例如,美光和英特尔并未披露这种内存是用什么材料制成的,也没有公布具体的性能参数,据说是因为具体性能会取决于终端产品及其使用情况。尽管双方预计很快便可交付样品,但要在2016年之前正式上市还不太可能。

美光公司的流程集成主任Russ Meyers称,3D XPoint芯片已开始投入生产,但他们还需要根据设备厂商的要求来确定最终的外形规格。新内存的速度可能要比DRAM慢5到8倍。

“它没有DRAM那么快,所以不会在大多数对延迟有很高要求的应用中取代DRAM,但它却要比NAND具有更高的密度和更低的延迟,”Meyers说。“假如你想比较一下3D XPoint到底比常规的NAND快多少倍,只需比较SSD和传统硬盘就可以了。两者是相同量级的改进。”

Meyers称,3D XPoint和常规的或2D平面的NAND相比,存储容量基本相同,但却要比DRAM的密度高出10倍。这就是说,英特尔和美光的3D或堆叠式NAND可能将提供更高的存储密度。

并非独一无二

虽然被吹捧得如此之好,但3D XPoint(交叉点)却并不是一种全新的技术。交差点架构的要点在于,它不再需要用晶体管来存储比特,而是采用编织成格栅架构的导线,利用其电阻来表示1或0。

采用电阻随机存取存储器(ReRAM或RRAM)的交叉点架构是基于记忆电阻的概念,也称忆阻器,早在1971年便出现了。在过去几年中,电阻存储器已接近可投产状态了。

图2:上图摘自SanDisk公司2008年的一份演示文档,展现的是他们研发交叉点存储的进展,这表明交叉点技术已经存在了很多年

不像传统的NAND闪存采用晶体管来表示数据位,XPoint和ReRAM的所谓cell可通过改变其物理特性,即高电阻或低电阻状态来表示数据位。高电阻态时,电流难以通过,于是cell便代表0;低电阻态则代表1。

有一类交叉点存储器叫相变存储器(PCM),也已存在了好多年。

例如在2008年,东芝和SanDisk就曾宣称他们正在合作开发一种“交叉点”内存RAM芯片。2013年,两家公司在国际固态电路大会上展示过他们的交叉点内存芯片。

2011年,IBM曾宣布已生产出容量比NAND闪存大100倍的PCM芯片,号称具有500万次擦写周期。

2009年,英特尔也曾与其合作伙伴Numonux共同发布过自己的PCM突破技术。

2013年,新创企业Crossbar曾展示过一款只有邮票大小的ReRAM原型芯片,据称可存储1TB数据。该公司预计今年可投入大规模生产。

3D XPoint有何与众不同?

那么和上述交叉点存储器相比,3D XPoint究竟有何不同之处呢?英特尔和美光宣称,他们发明了“独特的复合材料”和独特的交叉点架构,密度可比传统内存提高10倍,而且能够堆叠扩展,这是PCM做不到的。

除此之外,XPoint的存储细胞(cell)可以通过改变发送给每个“选择器”的电压值来写入或读取,也就是说只要电压值有高有低,就可分别代表1或0。

“这就消除了对晶体管的需求,增加了容量,降低了成本,”美光在其宣传资料中如是说。

“到今天为止,大多数的电阻RAM都是丝状的,所以你得编程来统计每一次丝状的变化。因此要想扩展非常困难,而且速度也非常慢,”Meyers说。

英特尔和美光并未透露他们采用了什么材料来制造这种新的内存。

“双方很精心地在回避此类问题。看来是有意让这个问题保持神秘的,”Handy说。

Forward Insights的一位分析师Gregory Wong认为,英特尔和美光似乎要比其他研制交叉点存储器的厂商领先了大约两年。

3D XPoint技术利用这种新材料来切换电阻态,因此不必再依赖可靠性较低且成本更高的其他要素,如忆阻器所用的二氧化钛和铂金膜,或者PCM所用的银丝线,此类材料都会随着时间而发生磨损。而且与其他厂商不同的是,英特尔和镁光都声称(+本站微信networkworldweixin),他们的产品已经可以进入制造阶段。

“此外,存储细胞及选择器所采用的架构与独特材料的组合,使得3D XPoint技术可以实现在密度、性能和寿命上的巨大提升,”Micro的材料写道。

对消费者意味着什么

对消费者来说,XPoint可能意味着台式机和笔记本存储占用的空间会更少而容量会更庞大,如果相信英特尔和美光所提供的数据,它可能会让今天NAND的速度从500MB/s提升到500GB/s。

Gartner副总裁Joseph Unsworth认为,消费者要想在PC活笔记本中看到3D XPoint内存还需要等待几年,“因为其成本和性能都表明它对数据中心和内存计算应用的价值更高,而对价格很敏感的消费者其价值目前来看还不高。”

正如NAND闪存一样,新的内存技术还需要花几年时间才能成为主流。不过新的内存肯定会在数据中心大放异彩,适用于诸如内存计算和高性能计算等应用,Unsworth说。

今天,数据中心采用DRAM用于高性能计算和其他I/O密集型应用,电容器也能保证在电源中断时,DRAM能维持几秒钟的电量可将数据传输到非易失性存储器上。而用了XPoint内存的话,便可无需DRAM也能做更高性能的处理,可减少超级电容器和一些NAND闪存的使用数量。

“我不认为它可以完全取代DRAM,”Wong说。“我认为最有可能的情况是少量的DRAM加大量的3D XPoint内存。”

3D XPoint也能间接惠及消费者。“每天所产生的海量数据需要消化,就得有价格昂贵的分析能力,而3D XPoint显然能够改善身份欺诈检测、事务处理、基因组研究、油气田勘探开采、IoT的影响,等等。”Unsworth说。

一切皆在于速度

3D XPoint内存的另一个重要属性就是快速,超快的速度。

就目前而言,在一台电脑中,内存和闪存得依靠两个单独的接口。笔记本或台式机一般使用SATA总线接口或通过PCI Express(PCIe)扩展槽直接连到主板上。而DRAM或系统内存则有自己的板槽直接连到CPU上。正因为两者的接口不同,性能也不一样。

英特尔和美光称,他们的3D XPoint内存会引入全新的系统架构,取代DRAM和NAND闪存。

举例说,DRAM的延迟只有纳秒级,NAND闪存的延迟则为微秒级,这仍然要比硬盘的I/O速度快上1000倍。尽管没有公布具体技术参数,但美光和英特尔宣称3D XPoint的速度接近DRAM。

3D XPoint所使用的新材料至关重要。NAND存储已经接近光刻极限,也就是说它的晶体管已不可能做得更小了。目前最小的光刻印刷是在10纳米到20纳米之间。所以像英特尔、美光、三星、SanDisk和东芝等生产NAND闪存的企业都在构建3D NAND,这种方法是一个摞一个地堆叠成最多48个微层,如此来增加存储的密度和容量。

3D Xpoint存储阵列由垂直排列的导体构成,共连接有1280亿个密密麻麻的存储细胞。每个存储细胞存储一个数据位。这种紧凑的结构便导致了新内存的高性能和高密度。

“几十年来,业界一直在寻找可以降低处理器与数据之间延迟的方法,以便可以进行更快速的处理分析,”英特尔非易失性存储解决方案群组总经理Rob Crooke说。“这种新类型的非易失性存储实现了这一目标,为内存和存储解决方案带来了可改变游戏规则的性能提升。”(波波编译)

[责任编辑:周源 zhou_yuan@cnw.com.cn]

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