隨著更高性能的存儲火爆 也給3D Xpoint帶來了新的機會

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(jù)當時的介紹，3D Xpoint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(xiàn)只能出現(xiàn)在PPT里。根據(jù)實際的測試，3D Xpoint只是比NAND快10倍，且在讀入新數(shù)據(jù)的時候，需要先擦除老數(shù)據(jù)。

但是這個新興的固態(tài)存儲器將會在數(shù)據(jù)中心找到他的位置，因為他的價格只有DRAM的一半，主要是因為它可以和傳統(tǒng)的存儲技術(shù)搭配提升性能。但是相比于NAND Flash，3D Xpoint的價格還是會貴很多。

隨著傳輸數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)據(jù)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(shù)會給數(shù)據(jù)中心帶來重要的影響，但是在PC端的影響則沒有那么大”，Gartner的半導(dǎo)體和NAND Flash VP Joseph Unsworth表示。“無論是超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、云服務(wù)供應(yīng)商，或者是傳統(tǒng)的企業(yè)存儲客戶，他們對這項技術(shù)都會感興趣”，他補充說。

但是3D Xpoint供應(yīng)商并不能說服客戶用其替代所有的DRAM，即使使用這項新技術(shù)能夠幫忙降低成本。但在NAND Flash的SSD中，其性能遭到了質(zhì)疑。

什么是3D Xpoint？

相信大家看過很多這個新技術(shù)的介紹。簡單來說，這就是一個新型的非易失性固態(tài)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，他是處于DRAM和NAND Flash之間的。

根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)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的大批量采購價格則會在每gigabyte 2.4美金這個區(qū)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(guān)于這項新技術(shù)的細節(jié)，他們只說這是一項基于電子存儲的技術(shù)，和Flash存儲、DRAM一樣，也沒有用到晶體管。他們也聲稱這并不是ReRAM或者憶阻器。這兩者被認為是NAND未來的最大挑戰(zhàn)者。

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

PCM 作為新一代存儲技術(shù)，利用特殊材料在晶態(tài)和非晶態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換的相變來儲存數(shù)據(jù)，其芯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(tài)之間簡單變動的”。

在PCM中，非晶態(tài)的高阻率是保存為0，低阻率的靜態(tài)則保存為1。

3D Xpoint的架構(gòu)和顯微鏡下的窗格子類似。而那些支持則是由硫族化合物組成，且搭配了開關(guān)，能夠允許數(shù)據(jù)的讀寫。

Intel非易失性存儲事業(yè)部GM Rob Crook表示，3D Xpoint并不像DRAM那樣，把數(shù)據(jù)存儲在電容的電子里，也不像NAND那樣把數(shù)據(jù)存儲在浮動?xùn)诺碾娮于謇?。它使用一種物理材料，這種材料本身能夠改變0或1狀態(tài)，然后存儲數(shù)據(jù)。但是他們需要將其尺寸變小，以適合更多應(yīng)用。

為什么3D Xpoint能夠吸引如此多的關(guān)注？當然是因為他在PCIe/NVMe接口連接的時候，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(xù)讀寫次循環(huán)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(xiàn)在的NAND Flash只有3000到10000的持續(xù)讀寫循環(huán)。如果帶有損耗平衡和誤差糾正軟件，這個循環(huán)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，這個數(shù)據(jù)是1000倍，與DRAM相比，則是十倍。明顯看出，在高速讀取的應(yīng)用中，這會是更明智的選擇。

這種優(yōu)勢讓3D Xpoint能夠降低數(shù)據(jù)中心存儲體系的落差（包括處理器上的SRAM，DRAM，NAND FLAHS，HHD、磁帶或光盤）。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。

也許這是數(shù)據(jù)中心的未來。Intel NVM方案部門主管James Myers表示，他們的3D Xpoint產(chǎn)品Optane能夠用來執(zhí)行有限的數(shù)據(jù)集或者實時存儲和升級數(shù)據(jù)。

相反地，傳統(tǒng)的NAND Flash 只能批次地處理存儲數(shù)據(jù)，利用列式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)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(xù)吞吐量支付額外的錢，因為很多的分析可以在凌晨2點到5點完成，因為那個時段不會有很多的業(yè)務(wù)操作”，Myers表示。

Intel的首個3D Xpoint SSD P4800x每秒能夠執(zhí)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可以按字節(jié)尋址，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(qū)的NAND，在應(yīng)用在為數(shù)據(jù)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(shù)，而生態(tài)系統(tǒng)的支持對于這項技術(shù)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什么時候可以準備好？

Intel已經(jīng)開拓出了一個不同于美光的3D Xpoint路線。按照他們的說法，其Optane品牌適合于數(shù)據(jù)中心和桌面PC。美光則表示其Quantx SSD非常適合于數(shù)據(jù)中心，他們也或多或少提到，其產(chǎn)品也會適合消費級別的SSD。

在2015年，Intel小批量生產(chǎn)了使用IM Flash技術(shù)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(chǎn)3D Xpoint產(chǎn)品。

上個月，Intel開始出貨他旗下的新品：專為PC打造的 Intel Optane 存儲加速模塊（16GB/MSRP $44和 32GB/$77），另外還有數(shù)據(jù)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）接口。

Optane 存儲PC加速器模組能夠被應(yīng)用到在一個七代Intel Kaby Lake平臺上，加速各種SATA連接的存儲設(shè)備。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是首個為數(shù)據(jù)中心生產(chǎn)的3D Xpoint SSD，Intel方面表示，后續(xù)會推出更多此類應(yīng)用，包括一個企業(yè)級別的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，并適用于PCIe/NVMe和U.2插槽，這就意味著他們適用于使用AMD 32核Naples 處理器平臺的工作站和服務(wù)器。

Intel還計劃明年推出他們DRAM類型的DIMM模組Optane。而美光方面則打算在2017年下半年推出其QuantX產(chǎn)品。

3D Xpoint會對電腦性能造成什么影響？

Intel表示，Optane將PC的啟動時間減少了一半，并將整體系統(tǒng)性能增加了28%，加載游戲速度也快了65%。

DC P4800在隨機讀寫環(huán)境下的表現(xiàn)也非常出色，因此我們可以用它來增強服務(wù)器的DRAM。在隨機讀寫的狀態(tài)下，Optane會自動啟動，這在高端PC和服務(wù)器中非常常見。Optane的隨機寫速度比傳統(tǒng)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 的讀寫延遲低于10微秒，這在NAND Flash的SSD中是不可能任務(wù)，后者的延遲在30到100ms這個范圍。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，這不同于Flash存儲的SSD。

3D Xpoint會“殺死”NAND Flash嗎？

或者這樣的結(jié)局不會產(chǎn)生，Intel和美光雙方都認為3D Xpoint與NAND是互補的。他的出現(xiàn)主要是彌補NAND和DRAM的差距。然而，隨著新3D Xpoint的普及，SSD的經(jīng)濟規(guī)模會增長，分析師們認為它會挑戰(zhàn)現(xiàn)存的存儲技術(shù)，不是指NAND，而是DRAM。

Gartner預(yù)測，到2018年，3D Xpoint 會在數(shù)據(jù)中心中占領(lǐng)上風(fēng)。屆時它會吸引很多關(guān)鍵客戶的目光。這不僅僅限于服務(wù)器、存儲，超算中心或者云計算，軟件客戶也是他們的潛在關(guān)注者，Unsworth說。一旦你能夠在數(shù)據(jù)庫分析速度和成本上找到一個平衡，那么就會吸引更多的客戶執(zhí)行實時的數(shù)據(jù)分析處理。

因此我認為這是一個革命性的技術(shù)，他補充說。但這個最終被廣泛采納需要一段時間，數(shù)據(jù)中心生態(tài)鏈需要一點時間去接納這個新存儲技術(shù)，芯片組和第三方應(yīng)用的支持也需要時間去兼容。

另外，現(xiàn)在只有Intel和美光兩家供應(yīng)商提供3D Xpoint，從長期看來，這個技術(shù)應(yīng)該也會授權(quán)給其他廠商。

再者，包括ReRAM和憶阻器在內(nèi)的競爭技術(shù)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(fā)布的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，三星計劃在今年推出其Z-NAND。

那么，這意味著NAND的“死亡”么？我認為近期內(nèi)都不可能。

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

而最新版本的3D或者垂直NAND堆棧已經(jīng)到了64層，這比傳統(tǒng)的平面NAND的密度有了很大提升。制造們打算在明年將其擴展到96層，并打算在未來幾年將其擴展到128層。

除此之外，現(xiàn)在的的3bit/ cell TLC NAND有望轉(zhuǎn)向4bit/cell 的 QLC 技術(shù)，這樣能夠增加密度，同時降低生產(chǎn)成本。

這是一個很有彈性的產(chǎn)業(yè)，因為在世界范圍內(nèi)有很多很大的供應(yīng)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(nèi)會死亡，他們就不會花費數(shù)百億美元進入這個NAND Flaash產(chǎn)業(yè)。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。