3D XPoint,神秘的存储新势力

墨汁做寿 《电脑爱好者》2018年第13期 2018-11-20 13:39专题 标签:存储

3D XPoint同样是由Intel和美光共同开发的一种非易失性存储技术,但存储原理与NAND或3D NAND完全不同,性能更是非常惊人,据称其速度和耐久性可达到NAND闪存的1000倍。它不仅具有成为高端SSD的能力,甚至可以在某些情况下代替DRAM内存。

● 3D XPoint技术到底是什么?

至今为止,Intel和美光都没有对3D XPoint技术进行详细说明,根据描述,3D XPoint不是像NAND闪存和DRAM这样基于电荷和晶体管的存储,也和电阻式RAM(ReRAM)或忆阻器这两种新兴的非易失性存储技术不同。虽然在最近的交流中,Intel同样否认了它是一种相变存储器(PCM,Phase Change Memory),但考虑到美光曾经开发过特性与3D XPoint类似的相变存储器,且有一些分析人士对3D XPoint进行解剖后发现了相变存储器的特征结构,因此笔者个人认为,3D XPoint很可能是结合了电荷存储与相变存储器的产品。

美光开发的相变存储器就是通过物体状态的变化来进行数据存储的技术,它利用了一种玻璃状材料(硫属化物)的结晶到非结晶状态导电性差异来存储数据。这两种状态可以迅速转化,转化即可持续保持存储状态,直到对这一单元再次进行操作,通过极小的电流就可以进行快速读取。

可能是受到相变存储器结构的影响,目前的3D XPoint颗粒比NAND或3D NAND芯片要大得多,20nm制程下的32GB芯片面积达到206.5平方毫米,而芯片面积越大,不仅原料成本越高,良品率也越低,所以生产成本肯定要高得多。以存储密度而言,目前的3D XPoint也比大多数NAND芯片要低得多,所以容量价格比就更不用想了。当然3D XPoint的存储密度还是高于内存DRAM芯片的,其20nm产品存储密度大约是同制程DRAM芯片的4.5倍,甚至是最新的10/12nm制程DRAM的3倍左右。

相对较高的成本使得3D XPoint至少在2021年前,不会有取代NAND的能力,而较大的面积也让相应产品的容量受到了限制,例如在面向高端商业用户的PCI-E接口板卡上,也只是勉强能做到1.5TB容量,而在消费级市场上,采用M.2规格的傲腾内存、800P SSD,在同类产品中都只能算是小容量产品。

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图11:采用PCI-E接口的3D XPoint产品,可以看到其上的芯片面积较大,对扩充容量非常不利

不过如果看3D XPoint芯片的具体设计,就会发现其中存储阵列的面积达到了91.4%,而常见的NAND闪存芯片最大也只有85%,说明3D XPoint的控制电路异常简单,如果采用类似3D NAND的堆叠设计,可以大幅提升容量,而且因为控制比较简单,甚至比3D NAND更容易实现(3D NAND控制更为复杂,在堆叠时的存储阵列面积比例是降低的,例如三星48层V-NAND的存储阵列面积仅有70%)。

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图12:存储阵列比例非常高的3D XPoint芯片

● 3D XPoint的性能

尽管官方宣称3D XPoint的速度可达到NAND的1000倍,不过从测试来看,目前的3D XPoint产品显然还未能达到其宣称的水平,但达到NAND闪存的10倍以上应该是没有问题的。3D XPoint产品在响应速度方面优势非常明显,其延迟虽然比DRAM略高一些,但仅有SSD的1000分之一。而且像DRAM一样,3D XPoint可以按字节寻址,这意味着每个存储单元都有一个独特的位置,与数据块模式的NAND不同,在应用程序搜索数据时没有开销。最重要的是,目前3D XPoint产品的价格仅有DRAM的一半左右,因此已经受到很多数据中心追捧,有望替代原先的数据载入DRAM模块。

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图13:使用3D XPoint产品的数据中心新架构

在写入方面,目前的3D XPoint产品在理论测试中并没有表现出什么优势,但它在长时间使用后也不会出现明显的写入性能衰减,而使用NAND技术的SSD因为采用块写入技术,在使用一段时间,空白块减少后,就需要在存储的同时对存储块进行整理,效率大幅下降。与此同时,3D XPoint可以提供更高的擦写周期,因此在耐久性,特别是对频繁写入操作的承受力方面,3D XPoint也有相当的优势。

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图14:随时间、负载和占用量变化的SSD和3D XPoint产品存储性能曲线。

另一方面,3D XPoint产品的随机读写能力非常强大,虽然其峰值数据与高端SSD差不多,但实际使用中,它在大量的小数据存取时就能达到峰值,而SSD需要数据队列深度达到一定程度,才会表现出峰值水平。因此在基于实际应用的测试如PCMark10、PCMark8中,我们都会发现使用3D XPoint产品会比使用类似速度的SSD成绩更好,虽然两者的持续读写测试成绩可能相差不大。

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图15:在白领实际工作时间测得的数据读写深度统计,可见绝大部分数据队列深度都比较小

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图16:3D XPoint产品在低数据队列深度时的性能更有优势

出色的读取性能、低数据深度下的高随机读写性能、不随使用下降的写入性能,以及高耐久性,都使得3D XPoint产品特别适合现在一些高端应用需要的小深度,高频率读写。

● 3D XPoint典型产品

3D XPoint首先应用在专业市场上,在近期才开始登陆消费级市场,推出了3D XPoint的傲腾内存(Optane Memory)和P800 SSD。这两款产品均采用NVMe M.2接口,但应用方式完全不同,傲腾内存的容量仅有16GB~64GB,利用Intel快速存储技术(RST)来加速硬盘,相关应用方式和测试内容可以参考本刊第11期《机械硬盘变成SSD 傲腾内存的魔法》。它安装在第七代或更新的Intel平台上,与任意SATA存储设备配合进行加速,而符合傲腾使用条件的平台则会被指定为“Intel Optane内存就绪”产品,近期Intel更会将处理器与傲腾内存销售进行捆绑,推出名称为“酷睿 i5/7/9 +(Core i5/7/9 Plus)”的套装产品。

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图17,18:三星960Pro(左)和傲腾内存(右)的测试对比,可以看出傲腾的持续读写速度并不占优,但4K速度、响应时间(Acc.time)等表现却要好得多(注意根据实际排版调整图注中的左、右或者上、下)

在2018年中期,新的3D XPoint消费级产品——800P SSD也将要进入市场,由于芯片面积和成本等因素,其容量比较小,目前公布的仅有58GB和118GB两款,且价格昂贵,只能作为系统盘使用,必须搭配更大容量的机械硬盘或SSD进行容量补充。从性能上看,由于仅采用了PCI-E ×2通道,因此其速度并不惊人,读写速率分别为1450MB/s和640MB/s,不过正如前面提到的,在低数据深度时的高随机写入性能,更高的响应速度等,会使其在实际使用时获得比普通SSD更好的体验。

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图19:800P SSD,板载的硕大3D XPoint芯片非常醒目

在高端商用市场,例如数据服务中心方面,除了Intel的傲腾产品线外,还有美光的QuantX品牌。与Intel用傲腾品牌在商用与消费市场同时发力不同,美光认为消费级市场并不需要这种低延迟、高耐久产品,因此QuantX是一个专门针对高端商用领域的品牌。

目前Intel面向数据中心的傲腾SSD——DC P4800X硬盘已经被国内的阿里、腾讯、华为等公司选用,为其新一代数据中心服务。它采用PCI-E 3.0 ×4接口,持续读写速度在2000MB/s以上,而4K读写、响应时间等性能更是远超SSD产品,目前其主力容量仅为375GB/750GB,近期可能会推出1.5TB容量型号。

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图20:750GB容量的DC P4800X硬盘

● 3D XPoint的前景

一般认为,虽然3D XPoint看起来更像是NAND的接班人,但在近期,由于成本、容量等问题,它并不会直接取代NAND芯片或SSD产品,而是更多地进行合作,这也是为什么Intel和美光都在同时大力研发3D NAND。相对来讲,更有可能在某些领域被3D XPoint取代的是基于DRAM的内存产品,在一些服务器上,3D XPoint已经取代了部分内存的工作,Intel更计划以DRAM型DIMM模块的形式发售傲腾产品。在近期的沟通会上,Intel也无意中透露了傲腾的一个新搭档——PCI-E 4.0,在未来的这一新标准支持下,3D XPoint产品的性能还可以得到进一步提升,在接管DRAM的任务时更有把握。不过我们也知道,在DRAM阵营中也有呼之欲出的HBM(高带宽内存)、DDR5等新秀,届时鹿死谁手,尚未可知。

目前3D XPoint产品只有Intel和美光两家提供商,不过Intel很可能会将其授权给其他半导体厂商,以进一步提升影响力和产品的覆盖能力。此外,三星的新型Z-NAND内存也在近期正式宣布,它的运行速度达到3D NAND闪存的4倍,顺序读取速度提高1.6倍,很可能成为3D XPoint的竞争对手。

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图21:三星Z-NAND产品与3D XPoint产品的设计、市场定位等都非常相似

多读写臂技术、3D NAND技术、3D XPoint技术从三个不同的方面,为我们展示了未来存储产品的可能性。更有意义的是,它们不仅会在相应的领域推动产品发展,还能形成非常出色的配合。例如以多读写臂技术制造的大容量机械硬盘、配合高速大容量SSD,以及具有不丢失数据能力的3D XPoint“内存”,可以成为计算机存储的最佳解决方案。在这一方案中,我们可以将不常用的安装文件、备份文件、影音文件等放在机械硬盘中,而将常用文件放在大容量SSD中,甚至将操作系统直接安装在3D XPoint内存中。每次关机后,内存中的数据都不会因为断电而消失,加上内存中的操作系统可以直接载入,因此每次开关机都可以瞬间完成,开机后更可以直接使用上次关机时正在运行的所有程序和数据,让两次使用完全无缝连接,又无需以“睡眠”等模式,保持供电来留存数据。