Что такое 3D XPoint - описание технологии и прогноз перспектив

Не так давно Intel представила свою новую технологию систем хранения данных – Intel Optane Memory. Конкретно что она собой представляет мы разберемся в другой раз, а сейчас обратим внимание на ту память, которая используется этой технологией. Это энергонезависимая память, сохраняющая данные при выключении компьютера, анонс которой компаниями Intel и Micron был в 2015-м году. При этом с NAND, которая используется во всем уже привычных SSD, она имеет мало общего. 3D XPoint - что это? Давайте разбираться.

Что такое 3D XPoint

При всей внешней схожести Intel Optane Memory с памятью, используемой в SSD, данная технология коренным образом от нее отличается. Впрочем, отличается она и от применяемой при производстве DRAM. 3D XPoint – в некоторой степени попытка скомбинировать достоинства этих двух технологий, представив собственную, оригинальную разработку, которая, вполне возможно, сможет существенно изменить будущее систем хранения данных.

Для начала вспомним, а какие преимущества у DRAM? Это:

• Низкие задержки (латентность) – единицы наносекунд.
• Практически неограниченная надежность ячеек.
• Побитовый доступ.

Есть и существенные недостатки:

• Необходимость регенерации.
• Потеря данных при обесточивании.
• Невозможность использования в качестве постоянного хранилища данных.
• Большой размер ячеек, что становится причиной небольшой емкости кристалла, являющейся одной из причин увеличения стоимости.
• Высокое энергопотребление.

В свою очередь NAND-память, применяемая в твердотельных накопителях, обладает своим набором достоинств и недостатков. Из положительных свойств можно отметить:

• Сохранение информации при выключении питания.
• Пригодность для использования в накопителях в качестве постоянного хранилища данных.
• Компактность ячеек, что позволяет увеличить емкость кристалла по сравнению с DRAM.
• Низкое энергопотребление.

Есть и весьма существенные недостатки:

• Большая латентность – десятки микросекунд, причем при операциях записи задержки могут составлять сотни микросекунд.
• Ограниченное количество циклов перезаписи, причем весьма ограниченное.
• Доступ к данным на уровне страниц. Побитовый доступ невозможен.

Цель разработки 3D XPoint состояла в объединении двух этих технологий, вернее, их положительных свойств. Что было заявлено? Латентность нового вида памяти составляет уже десятки наносекунд. До DRAM пока не дотянулись, но уже близко. Стойкость ячеек к износу, как утверждают разработчики, превышает таковую у NAND в 1000 раз. До (потенциально) «вечных» ячеек DRAM тоже пока на добрались, но по сравнению с NAND – прогресс существенный. Если верить обещаниям, количество циклов перезаписи измеряется миллионами.

При этом плотность расположения ячеек на кристалле выше, чем у DRAM. Во многом это определяется архитектурой, тем, как устроена ячейка памяти 3D XPoint.

Архитектура ячеек 3D XPoint

Если описывать кратко, то можно сказать следующее. Сама ячейка, в отличие от таковой у DRAM или NAND, не имеет транзистора, который сам по себе довольно крупный элемент и существенно влияет на размер ячейки и плотность расположения их на кристалле.

Ячейка состоит из двух областей: селектора и собственно ячейки памяти. Причем, тут как раз и кроется отличие от DRAM и NAND. В первом случае хранящееся значение определяется уровнем заряда конденсатора в цепи транзистора, а у NAND для этого служит плавающий затвор опять-таки транзистора. 3D XPoint не использует транзистор, что позволяет сэкономить место на кристалле.

Если говорить о том, как организована память 3D XPoint, то в первую очередь следует сказать, что аббревиатура «3D» тут упоминается не просто так. Ячейки расположены в несколько слоев. Правда, в данном случае «несколько» - это всего два. Причем существенного увеличения их в ближайшем будущем не ожидается. Ожидается, что разрабатываемое в настоящее время второе поколение 3D XPoint, которое должно появиться к конце этого года, также не приведет к увеличению количества слоев. Цель – увеличение производительности.

Связано это с особенностями технологического процесса изготовления чипов. Слои изготавливаются последовательно, и процесс литографии проводится несколько раз, постепенно формируя всю структуру чипа. Причем количество операций литографии существенно больше, чем при производстве 3D NAND. Это несколько удорожает производство, но 

учитывая, что плотность ячеек в 8-10 раз превышает таковую у DRAM, экономическая выгода налицо.

На иллюстрации показана архитектура ячеек 3D XPoint. Линии выборки слов и битов расположены перпендикулярно, что сразу говорит о том, что этот вид памяти позволяет осуществлять доступ к отдельному биту, в отличие от NAND, где приходится оперировать страницами в несколько килобайт, что становится причиной проблем с быстродействием операций записи, ведь даже в случаях, когда надо изменить всего один бит, приходится считывать всю страницу, менять в ней бит информации, и записывать все обратно. Понятно, что все это затратно по времени.

Одновременно отпадает необходимость в сложных алгоритмах «сборки мусора» для поддержания производительности накопителя на высоком уровне, что осуществляется при использовании NAND. Это приводит к тому, что архитектура контроллера упрощается, как и микропрограмма, управляющая его работой.

Присутствует также возможность хранения нескольких бит информации в ячейке. Правда, в данный момент каждая из них хранит один бит, т. е. работает в режиме SLC, и в ближайшее время переход на режим MLC и т. п. не планируется.

Технологии

Принцип работы ячеек, их устройство, архитектура, на самом деле довольно просты и понятны. Побитовый доступ, многослойное расположение ячеек, элементарное, если можно так сказать, их строение. Вот только остается вопрос, а как работает ячейка, как она устроена, на базе каких физических процессов происходит сохранение и манипулирование данными?

Какое значение (логический 0 или 1) записано в ячейку памяти 3D XPoint, определяется по электрическому сопротивлению ячейки. Остается не до конца выясненным вопрос о том, каким образом меняется характеристика ячейки. Изменять ее сопротивление для отражения хранящегося в ней значения можно, например, при помощи использования изменения фазового состояния материала, из которого она сделана.

Напомню, что этот принцип основан на том, что одно и то же вещество ячейки, в зависимости от внешнего воздействия, может находится в двух разных состояниях – либо иметь упорядоченную кристаллическую решетку (низкое сопротивление), либо находиться в аморфном состоянии, при котором решетка разрушается (высокое сопротивление). Это и позволяет идентифицировать значение, содержащееся в ячейке.

Дело в том, что разработчики опровергли предположения об использовании принципа изменения фазового состояния материала, мотивируя это, в частности, возможными проблемами с долговечностью таких ячеек.

Впрочем, не подтверждают они и использование альтернативных технологий, например, ReRAM, основанной на использовании мемристоров. Напомню, что суть данной технологии заключатся в том, что в веществе, в обычном состоянии являющимся диэлектриком, под воздействием напряжения возникают токопроводящие нити или, как вариант, области, существенно снижающие сопротивление. Под воздействием сигнала другой полярности или другом уровне напряжения происходит разрушение нитей в веществе, и оно вновь становится диэлетриком.

Что именно применяется в 3D XPoint – в точности неизвестно. Пока неизвестно. Известно только, что память производится по 20-нм процессу.

Перспективы. 3D XPoint - что это, будущее?

Заявленные характеристики (в 1000 раз быстрее и надежнее), скорее всего, на данный момент не более чем теоретические. Возможно, у этой технологии действительно есть такой потенциал, но в реальности подобных результатов пока что нет. Хотя надо признать, что задержки существенно меньше, чем у NAND-памяти, надежность также выше, ячейки меньше по размеру. Хотя конкурировать по емкости чипа с используемой в современных SSD-накопителях памятью пока что рано. Зато с DRAM – вполне можно. 3D XPoint предлагает более емкие чипы по меньшей стоимости.

Ждать ли эту память в твердотельных накопителях? В обозримом будущем нет. Идет активная миграция на многослойный вид памяти, и возможности этой технологии еще не скоро будут исчерпаны.

Так же, как и не станет она заменой привычной DRAM, тем более, что ни Intel, ни Micron, не рассматривают 3D XPoint в качестве замены высокоскоростной ОЗУ. Для этого пока что слишком высока латентность и недостаточна износостойкость ячеек.

Цель – занять нишу между DRAM и NAND, снизив разрыв в производительности между этими двумя типами памяти. На данный момент 3D XPoint используется в SSD Intel Optane, которые являются, по сути, кэширующими накопителями. Впрочем, с ними познакомимся в следующий раз.