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殺死NAND Flash,替代DRAM;3D Xpoint有這個能力嗎?
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在3D NAND Flash大行其道的21世紀,當Intel和美光在2015年首次介紹3D Xpoint的時候,市場掀起了軒然大波。據當時的介紹,3D Xpoint的會比NAND Flash快1000倍,且壽命也會比其長1000倍。

但實際上,這樣的性能表現只能出現在PPT裡。根據實際的測試,3D Xpoint只是比NAND快10倍,且在讀入新資料的時候,需要先擦除老資料。
 
但是這個新興的固態記憶體將會在資料中心找到他的位置,因為他的價格只有DRAM的一半,只主要是因為它會和傳統的存儲技術搭配來提升性能。但是相比於NAND Flash,3D Xpoint的價格還是會貴很多。

隨著傳輸資料、雲計算、資料分析等多樣需求的增長,更高性能的存儲也成為廠商的目標。這就給3D Xpoint帶來了新的機會。

下面,我們來看一下3D Xpoint。

“毫無疑問,這項技術會給資料中心帶來重要的影響,但是在PC端的影響則沒有那麼大”,Gartner的半導體和NAND Flash VP Joseph Unsworth表示。“無論是超大規模資料中心、雲服務供應商,或者是傳統的企業存儲客戶,他們對這項技術都會感興趣”,他補充說。

但是3D Xpoint供應商並不能說服客戶用其去替代所有的DRAM,即使使用這項新技術能夠幫忙降低成本。主要因為在NAND Flash的SSD中,其性能遭到了質疑。

什麼是3D Xpoint?
相信大家看過很多這個新技術的介紹。簡單來說,這就是一個新型的非易失性固態存儲,擁有比NAND Flash更強悍的性能,以及更長久的壽命。而從價格來說,他是處於DRAM和NAND Flash之間的。

根據Gartner的資料顯示,現在DRAM的售價基本是每gigabyte 5美金,而NAND的價格則是25美分每gigabyte。3D Xpoint的大批量採購價格則會在每gigabyte 2.4美金這個區間。按目前看來,到2021年,3D Xpoint的售價也會比NAND Flash貴許多。

但是其實無論是Intel或者美光,都沒有談過太多關於這項新技術的細節,他們只說這是一項基於電子存儲的技術,和Flash存儲和DRAM一樣,也沒有用到電晶體。他們也聲稱這並不是ReRAM或者憶阻器。這兩者被認為是NAND未來的最大挑戰者。

根據專家用排除法分析,可以得到3D Xpoint應該是相變存儲(PCM)技術,和美光先前開發過的一種技術差不多,而性能也相近。

PCM 作為新一代存儲技術,利用特殊材料在晶態和非晶態之間相互轉換的相變來儲存資料,其晶片目前廣泛使用的核心材料是GST(由鍺銻碲按比例混合而成)。這和美光Russ Meyer之前說的不謀而合——“存儲單元本身是在兩個不同狀態之間簡單變動的”。

在PCM中,非晶態的高阻率是保存為0,低阻率的靜態則保存為1.
3D Xpoint的架構和顯微鏡下的窗格子類似。而那些支援則是由硫族化合物組成,且搭配了開關,能夠允許資料的讀寫。

Intel非易失性存儲事業部GM Rob Crook表示,3D Xpoint並不像DRAM那樣,把資料存儲在電容的電子裡,也不像NAND那樣把資料存儲在浮動柵的電子阱裡。它使用一種物理材料,這種材料本身能夠改變0或1狀態,然後存儲資料。但是他們需要將其尺寸變小,以適合更多應用。

為什麼3D Xpoint能夠吸引如此多的關注?當然是因為他在PCIe/NVMe介面連接的時候,擁有比NAND Flash高十倍的性能,且使用時間會長1000倍。這也就意味著持續讀寫次迴圈超過100萬次,也就意味著,這個存儲一旦裝上,在不壞的情況下能永久使用。與之對比,現在的NAND Flash只有3000到10000的持續讀寫迴圈。如果帶有損耗平衡和誤差糾正軟體,這個迴圈能提升,但和100萬比,這還是小巫見大巫。

3D Xpoint還有比較低的延遲。與NAND Flash相比,這個資料是1000倍,與DRAM相比,則是十倍。明顯看出,在高速讀取的應用中,這回事更明智的選擇。

這種優勢讓3D Xpoint能夠降低資料中心存儲體系的落差(包括處理器上的SRAM,DRAM,NAND FLAHS,HHD、磁帶或光碟)。這個還能夠彌補易失性的DRAM和非易失性NAND Flash SSD 之間的差距。

也許這是資料中心的未來。Intel NVM方案部門主管James Myers表示,他們的3D Xpoint產品Optane能夠用來執行有限的資料集或者即時存儲和升級資料。

相反地,傳統的NAND Flash 只能批次地處理存儲資料,利用列式資料庫系統分析。這就需要非常多的讀寫操作。

“不會有很多人為更高的連續輸送量支付額外的錢,因為很多的分析可以在淩晨2點到5點完成,因為哪個時段不會有很多的業務操作”,Myers表示。

Intel的首個3D Xpoint SSD P4800x每秒能夠執行550000次的讀寫操作(IOPS),與之對比,Intel最頂尖的NAND Flash SSD的IOPS只能達到400000。

和DRAM一樣,3D Xpoint可以按位元組定址,這就意味著每一個存儲單元有一個不同的位置,這不像分區的NAND,在應用在為資料搜索的時候,不允許“超車”。

“這個不是Flash,也不是DRAM, 3D Xpoint是一個介乎這兩者之間的技術,而生態系統的支援對於這項技術的拓展極為重要。”Unsworth說。目前我們還沒看到任何一個飛翼式的DIMM被裝配,因此這會是一個很大的挖掘空間。

3D Xpoint什麼時候可以準備好?
Intel已經開拓出了一個不同於美光的3D Xpoint路線。按照他們的說法,其Optane品牌適合於資料中心和桌面PC。美光則表示其Quantx SSD非常適合於資料中心,他們也或多或少提到,其產品也會適合消費級別的SSD。

在2015年,Intel小批量生產了使用IM Flash技術的3D Xpoint Wafer。到了去年,Intel和Micron則投資了做立在猶他州Lehi的Fab,大批量生產3D Xpoint產品。

上個月,Intel開始出貨他的手系列新品:專為PC打造的 Intel Optane 存儲加速模組(16GB/MSRP $44和 32GB/$77),另外還有資料中心級別的375GB Intel Optane SSD DC P4800X擴展卡,售價1520美金。DC P4800X使用的是PCIe NVMe 3.0×4(四路)介面。

Optane 存儲PC加速器模組能夠被應用到在一個七代Intel Kaby Lake平臺上,加速各種SATA連接的存放裝置。在存儲中加上Optane模組就像在桌面PC或者筆記本上加了某種類型的緩存。

DC P4800X是首個為資料中心生產的3D Xpoint SSD,Intel方面表示,後續會推出更多此類應用,包括一個企業泣別的Optane SSD,他的容量為750GB。Intel方面表示,這會在今年第二季度到來。而1.5TB的SSD則會在今年下半年推出。

這些SSD同樣以模組的形式存在,並適用於PCIe/NVMe和U.2插槽,這就意味著他們適用於使用AMD 32核Naples 處理器平臺的工作站和伺服器。

Intel還計畫明年推出他們DRAM類型的DIMM模組Optane。而美光方面則打算在20147年下半年推出其QuantX產品。

3D Xpoint會對電腦性能造成什麼影響?
Intel表示,其Optane將PC的啟動時間減少了一半,並將整體系統性能增加了28%,載入遊戲速度也快了65%。

DC P4800在隨機讀寫環境下的表現也非常出色,因此我們可以用它來增強伺服器的DRAM。在隨機讀寫的狀態下,Optane會自動啟動,這在高端PC和伺服器中非常常見。Optane的隨機寫速度比傳統的SSD快10倍,而讀速度也有三倍左右的提升。

除此之外,新的DC P4800 SSD 的讀寫延遲低於10微秒,這在NAND Flash的SSD中是不可能任務,後者的延遲在30到100ms這個範圍。而DC 3700的平均延遲則有20ms,這是DC P4800的兩倍。P4800X的讀寫延遲接近相同,這不同於Flash存儲的SSD。

3D Xpoint會“殺死”NAND Flash嗎?
或者這樣的結局不會產生,Intel和美光雙方都認為3D Xpoint與NAND是互補的。他的出現主要是彌補NAND和DRAM的差距。然而,隨著新3D Xpoint的普及,SSD的經濟規模會增長,分析師們認為它會挑戰現存的存儲技術,不是指NAND,而是DRAM。

Gartner預測,到2018年,3D Xpoint 會在資料中心中佔領上風。屆時它會吸引很多關鍵客戶的目光。這不僅僅限於伺服器、存儲,超算中心或者雲計算,軟體客戶也是他們的潛在關注者,Unsworth說。一旦你能夠在資料庫分析速度和成本上找到一個平衡,那麼就會吸引更多的客戶執行即時的資料分析處理。

因此我認為這是一個革命性的技術,他補充說。但這個最終被廣泛採納需要一段時間,資料中心生態鏈需要一點時間去接納這個新存儲技術,晶片組和協力廠商應用的支援也需要時間去相容。

另外,現在只有Intel和美光兩家供應商提供3D Xpoint,從長期看來,這個技術應該也會授權給其他廠商。
再者,包括ReRAM和憶阻器在內的競爭技術也會在未來某一天到來,但他們當中沒有哪一個可以滿足高存儲和大批量出貨的需求。

去年秋天,三星介紹了其新的Z-NAND存儲,這是3D Xpoint的一個明顯競爭者。這個即將發佈的Z-NAND SSD延遲會較3D NAND Flahs降低四分之三,而順序讀速度也會快1.6倍,三星計畫在今年推出其Z-NAND。
那麼,這意味著NAND的“死亡”麼?我認為近期內都不可能。

隨著挑戰3D Xpoint的非易失性存儲技術逐漸出現,傳統的NAND Flahs依然有很長的路要走,直到2025年,這個技術都是安然無憂的。

而最新版本的3D或者垂直NAND堆疊已經到了64層,這比傳統的平面NAND的密度有了很大提升。製造們打算在明年將其擴展到96層,並打算在未來幾年將其擴展到128層。

初次之外,現在的的3bit/ cell TLC NAND有望轉向4bit/cell 的 QLC 技術,這樣能夠增加密度,同時降低生產成本。

這是一個很有彈性的產業,因為在世界範圍內有很多很大的供應商。同時,中國也會在當中充當非常重要的角色。Unsworth認為,如果NAND在幾年內會死亡,他們就不會花費數百億美元進入這個NAND Flaash產業。我看到了3D NAND慢下來了,但他們依然沒碰到天花板,他補充說。
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