Объясняем. Что революционного в памяти 3D XPoint и накопителях Intel Optane

15.06.2016 8:00

Объясняем. Что революционного в памяти 3D XPoint и накопителях Intel Optane

На днях Intel продемонстрировала работу инновационных накопителей Optane, в которых используется память 3D XPoint. Спустя 27 лет в отрасли систем хранения информации произошла долгожданная революция! Плюсы и минусы новейшей технологии — в нашем обзоре.

1. Что такое 3D XPoint и Intel Optane ?

3D XPoint — это принципиально новая энергонезависимая память, конкурент NAND — технологии, по которой с 1989 года делают флеш- и SSD-накопители. Эпитет «революционный» используется неспроста. Даже в прошлом году, после первой презентации, оставалось вопросом, что же такое 3D XPoint. Изначально считалось, что мы имеем дело с разновидностью технологии ReRAM, использующей мемристоры. В них для создания логического нуля и единицы в ячейке меняется сопротивление. В NAND, как известно, данные записываются путем удерживания электрона в затворе транзистора.

В то же время генеральный директор компании IM Flash Гай Блелок недавно заявил, что 3D XPoint опирается на эффект обратимого изменения фазового состояния вещества — на память PRAM (Phase-change Random Access Memory), разработанную еще в 60-х года прошлого столетия. В ней за единицу информации принимают поведение особого химического соединения — халькогенида, который при нагреве перетекает из кристаллического состояния в аморфное. Однако Яна Кутресса, сотрудника anandtech.com, представители Intel уверили в том, что никаких материалов с фазовым переходом в 3D XPoint не используется. Возможно, мы имеем дело с гибридной технологией. Вероятно, подобная секретность со стороны Intel и Micron обусловлена потенциальными патентными разбирательствами.

Intel Optane — это серия накопителей, в которых используется память 3D XPoint.

Объясняем. Что революционного в памяти 3D XPoint и накопителях Intel Optane
Эволюция памяти

2. Как устроена память 3D XPoint?

Структура 3D XPoint весьма проста. Пары из селектора и ячейки памяти располагаются на пересечении перпендикулярных рядов проводников — wordline и bitline. Отсюда и название: XPoint — читается как crosspoint, пересечение. При подаче определенного напряжения активируется селектор и происходит считывание или запись. При этом, в отличие от памяти DRAM, к каждой ячейке не прилагается по сравнительно сложному (и дорогому) транзистору.

Вторая часть в названии — аббревиатура 3D — означает, что ячейки на кристалле расположены в несколько слоев. Первое поколение 3D XPoint получило двуслойную структуру и выполняется по 20-нанометровому техпроцессу. С последующим применением EUV-литографии (подробно о технологии) и усложнением технологии производства до 10 нанометров структура 3D XPoint будет расти во всех измерениях. Micron уже работает над вторым поколением. Плотность упаковки ячеек у 3D XPoint выше в 8-10 раз, чем у NAND.

В теории ячейка 3D XPoint способна хранить несколько бит, но представители Intel и Micron подчеркивают, что сейчас задачи по созданию подобного типа памяти не стоит.

Принципиальное отличие нового типа памяти в сравнении с NAND заключается в том, что к каждой ячейке 3D XPoint предусмотрен индивидуальный доступ. Такой подход упрощает операции по сбору мусора, экономит энергию и не требует разработки сложного управляющего контроллера.

Объясняем. Что революционного в памяти 3D XPoint и накопителях Intel Optane
Блок-схема 3D XPoint

3. Чем 3D Xpoint так хороша, что о ней все говорят?

У 3D XPoint два плюса: высокая скорость работы и не менее высокая надежность. Теоретически заявлено, что совместное детище Intel и Micron в 1000 раз быстрее флеша и во столько же раз выносливее. При этом 3D XPoint приблизительно на порядок медленнее оперативной памяти стандарта DDR4.

Объясняем. Что революционного в памяти 3D XPoint и накопителях Intel Optane
Производительность 3D XPoint в сравнении с другими типами памяти

Допустим, заявление Intel/Micron о надежности новой памяти — правда. Если спроецировать 1000-кратное превосходство в надежности на MLC NAND, то ячейки 3D XPoint будут перезаписываться несколько миллионов раз. Предположим, у Optane есть 3 000 000 циклов. В таком случае накопитель объемом 256 Гбайт получит жизненный ресурс в размере 768 Пбайт. Это запись данных объемом 420 Тбайт ежесуточно или 4,9 Гбайт в секунду!

 

DRAM

3D XPoint

NAND

Количество циклов перезаписи ячеек

1015

107

103

Задержки на чтение

наносекунды

десятки наносекунд

~100 микросекунд

По размеру данных 3D XPoint и NAND сопоставимы.

Объясняем. Что революционного в памяти 3D XPoint и накопителях Intel Optane
Сравнение 3D XPoint с другими типами памяти: Latency — задержка, Size of Data — объём данных

4. Насколько быстры накопители Intel Optane?

Пока прототипы на 3D XPoint не обладают скоростями, которыми Intel хвастает на всевозможных презентациях. В прошлом году глава Intel Брайан Кржанич продемонстрировал рабочий прототип Optane с шиной PCI Express, который оказался в семь раз быстрее серверного SSD Intel DC P3700 (по количеству операций в секунду).

Объясняем. Что революционного в памяти 3D XPoint и накопителях Intel Optane
Быстродействие Intel Optane в сравнении с Intel DC P3700

На днях Intel снова продемонстрировала возможности накопителя Optane. На этот раз на глазах у публики провели опыт, в котором устройство на базе 3D XPoint скопировало файл объемом 25 гигабайт всего за 15 секунд: скорость накопителя составила 1,95 Гбайт/с. NAND-накопитель с интерфейсом SATA 3.0 с аналогичной задачей справился за 100 секунд, то есть оказался почти в семь раз медленнее. А после того, как иссяк SLC-кэш, скорость записи у 2,5-дюймового SSD упала до 284 Мбайт/с. Optane работал стабильнее.

3D XPoint в 1000 раз быстрее NAND. На бумаге

Быстродействие порядка 2 Гбайт/с — не рекорд. Поэтому показанный эксперимент — чистой воды маркетинг. Во-первых, нет никакого заявленного 1000-кратного превосходства над NAND. Во-вторых, в продаже есть, например, модель Samsung 950 PRO (обзор), которая работает со скоростью 2500/1500 Мбайт/с в последовательных операциях чтения/записи. Intel не хочет сразу же выпускать устройства с максимально возможной производительностью. Или не может?

Объясняем. Что революционного в памяти 3D XPoint и накопителях Intel Optane
Производительность Intel Optane в сравнении с NAND SSD

5. Какими будут устройства на базе 3D XPoint?

Накопители для потребительских устройств появятся сразу в нескольких форм-факторах: от классических 2,5-дюймовых накопителей с разъемом U.2 до плат M.2 и дискретных карт PCI Express x4 3.0. Ходят слухи, что 3D XPoint появится уже в этом году в новых Apple MacBook PRO.

Первые SSD Optane испытают серьезные дяди с серьезными деньгами

Первые коммерческие Optane пропишутся в серверах. Они получат интерфейсы PCI Express 3.0 х4 и NVDIMM с 288 контактами (энергонезависимые модули DDR4). В первом случае 3D XPoint обеспечит производительность на уровне 3200 Мбайт/с. Во втором случае будет обеспечена совместимость только с новыми Intel Xeon E5 v5 поколения Broadwell-EP. Скорость чтения/записи накопителя форм-фактора NVDIMM составит 6 Гбайт/с, хотя пропускная способность стандарта PC4-19200 (DDR4-2400) составляет 19,2 Гбайт/с на канал.

Объясняем. Что революционного в памяти 3D XPoint и накопителях Intel Optane
Intel Optane в форм-факторе NVDIMM

6. Сколько стоит память 3D XPoint?

Официальных данных нет. Но многие эксперты говорят о том, что стоимость 3D XPoint расположится аккурат между флеш-памятью NAND и DRAM, на которой строят модули оперативной памяти. Прошлым летом Intel показала первые микросхемы емкостью 128 Гбит. Аналогичный чип MLC NAND стоит в среднем 7,5 долларов. Микросхема 3D XPoint, по разным оценкам, обойдется приблизительно в пять раз дороже.

7. Существуют ли схожие технологии?

Да, например, HP и SanDisk работают над энергонезависимой памятью Storage Class Memory (SCM). В ее основу легла технология ReRAM на основе мемристоров. Преимущества SCM все те же: скорость и надежность в 1000 раз больше, чем у флеш-памяти NAND.

8. Когда Intel Optane появится в продаже?

Осенью этого года. Скорее всего, это будут серверные устройства.

Компания Илона Маска построит научный центр для опытов над животными Ученые определили принципы формирования кометных колец вокруг звезд Стартовала распродажа гаджетов от Huawei Ученым удалось перестроить внутренние часы человека Археологи в Запорожской области обнаружили уникальные артефакты