你知道的关于的Intel&Micron 3D XPoint的事不一定是对的

你知道的关于的Intel&Micron 3D XPoint的事不一定是对的

【科技真探】2015年第1期（总第1期）

这是一个叫做《科技真探》的栏目，我们只关注真正的科学和技术。这里没有人云亦云，只有需要经过思考才能得到的真相。第一期，我们讨论的技术是Intel Micron 3D XPoint。或许你已经听过它了，但是有些东西，你可能只会在这篇文章里看到。

前言：3D XPoint是什么？

    提问：最近有一个方案在业内引起了轰动，很多人都在讨论这个技术，今天我们就想来探讨一下这个技术。这个技术是英特尔美光最新推出的一个3D存储技术，它的拼写是XPoint，这是一个非易失性存储技术，这是一个什么样的技术呢？

    ZD Research：从这个介绍来看，这个技术具有两个核心的要素。第一，它是非易失性的存储技术，所以它和现在的Flash是同一类。第二，它的名字3D XPoint当中的X其实是Cross的缩写，Cross是十字架或者交叉，这个技术读作3D CrossPoint，为什么特别注明这个Cross的发音呢？那是因为它的架构就跟这个很有关系，所以它就读做3D CrossPoint。

Intel的官方新闻稿仅仅给出了3D XPoint的晶圆大图

3D XPoint晶圆大图二

    提问：也就是说名字里面的X某种程度上说明了它是如何去设计的。我们先来讨论一个作为非易失性内存方案，它所给计算机带来的变化是什么，我看到一个数字，这个数字说它的速度提升1000倍，我们怎么去理解这个1000倍？

    ZD Research：它提到了几个数字，其中第一个是1000倍，但是对它的理解有一些问题。有些人直接说它的速度提升了1000倍，但其实并不是它的传输速率，我们一般人说的速度是指的传输速率，比如说100MB/s，提升1000倍就变成了100GB/s，实际不是这样。新闻稿的原文上面写有，通过包括架构在内的各种改进，让存储架构切换状态的速率提升了1000倍。

    ZD Research：对于3D XPoint的优势首先还是先得从它的本质说起，首先它是一种新的非易失性存储技术，它要对比的对象有两种，一种是内存，我们知道内存很快，但是它是易失性的，你关机了内容就没有了。另外，还有一种是现在我们也很常用的Flash闪存，它是非易失性的，但是很慢，相比内存大概要慢几万倍，或者到十万倍左右，但是它是非易失性，它可以代替硬盘来用，内存就不行。

    新出的这个3D CrossPoint它刚好拥有前面两者部分优点，其实它是介于它们之间的。

    提问：它拥有两者的优点，目前看来没有两者的缺点。

    ZD Research：它其实也不能达到完全代替这两个，但是它可以很好地代替Flash。

    提问：是比内存的速度快1000倍，还是比硬盘的速度快1000倍呢？

    ZD Research：我们已经不拿硬盘来比了，它其实是比现在用的Flash要快1000倍，它稍微比不上内存，但是它刚好又拥有非易失性的优点，所以它就是在存储分成了介于内存和Flash之间，它其实是可以替代掉闪存的。

    提问：但是它可能还不能替代内存。

    ZD Research：对，没错，它现在还替代不了。

    提问：我们都知道计算机在存储这方面一直是个瓶颈，即便如此它主要作用是替代外部存储，它的速度提升也已经非常惊人了。

    ZD Research：对。

3D XPoint性能处于内存和NAND Flash之间

3D XPoint：Architecture

    提问：我们刚才提到，说它的名字叫做CrossPoint，我们怎么理解这个Cross？

    ZD Research：这需要涉及到它的具体架构，由于涉及到一些基础物理，目前市面上对它的解读问题比较多。

    提问：目前来看在解读方面大家会有什么误会吗？关于它的架构方面。

    ZD Research：关于3D XPoint的技术架构，主要有两方面的内容，第一就是这个存储单元具体是怎么做成和怎么工作的。第二点是关于这些存储单元是怎么组织起来的。其实大家对这两个方面的误解都是比较多的，

3D XPoint：交叉架构

    ZD Research：我们先说架构方面，为什么用了Cross这个词呢？我们看它的结构图，在每一层的存储单元，是通过互相交叉的两条线路连接的，最后形成了一个平面矩阵，我们还要看到，目前这个技术做成了叠加的两层，所以称之为“3D XPoint”，实际上就是一个立体的网格。

3D XPoint架构是由三维的存储单元网格组成

    ZD Research：这个架构最根本的不同就在于每一个存储单元你都可以直接定位到，它就跟现在有的闪存，和现有的NAND Flash不同，因为NAND Flash没办法定位到具体每一个存储单元，只能定位到一个page（每个page大约是4KiB或者8KiB）的内容，写入需要整个page写入，擦除这需要整个block（每个block大概是256KiB）擦除，这种架构导致了NAND Flash，随机访问的性能是很差的，而像3D CrossPoint就可以具有很好的随机性能，这个特点是跟内存相象的，跟闪存不同。

    提问：这种特性也间接提高了很多速度，可以这么理解吗？

    ZD Research：对，前面提到过的快1000倍，指的就是随机性能，特别地，随机写入性能，而不是数据传输速率，或者说吞吐量。如果比吞吐量，我们目前没有数据，但是应该不会有1000倍提升这么高，这个架构方面的不同就决定了随机写入性能不同的很大一部分。

(从最新的IDF上面的资讯来看，随机读取的性能提升大概不到10倍的样子)

    提问：这种技术在某一天会不会也取代内存？

    ZD Research：架构的不同也决定了它能像内存一样使用，并且不需要垃圾回收，磨损、控制等等这些额外的组件，现在这个闪存技术是需要有的，这导致了管理的复杂和性能的不稳定性。3D XPoint架构改变了这个情况。

3D XPoint：存储单元

    ZD Research：接下来还有存储单元的改变，这个存储单元有一些人认为它使用的晶体管，但是我们看这个新闻稿其实不是，新闻稿原文里面有一个词叫Transistor-less，后面这个“less”，翻译过来并不是说“少”晶体管，其实是“无”的意思。

    提问：无需晶体管。

    ZD Research：对，就是说这个架构的存储单元里面是没有晶体管的。像现在的闪存是晶体管的，内存也是晶体管的，用晶体管为什么不好呢，一个是因为它需要消耗电能，发热，所以你Flash就不能做得太密集，会有一个发热性的限制，还要消耗电。但是现在是无晶体管的设计，所以3D CrossPoint的存储密度可以提升，发热量和耗电应该都变少了。

下方带0和1字样的组件就是Memroy Cell，其上方是Selector

    ZD Research：这个存储单元它怎么做的呢？这个存储单元它是由两个部分组合工作的，一部分叫做Selector，选择器或者选通器，一部分就是真正的存储单元Memory Cell。在NAND Flash里面这个存储单元本身是一个晶体管，它并没有这个Selector。现在3D XPoint的无晶体管架构里面，这个Memory Cell是怎么做得到的我们并不清楚，可选的技术可能有很多，如STT自旋转矩效应，或者是Spin-Crossover自旋交叉等技术，这一点我们只能等英特尔来说，它跟材料学有关，材料做不出来做不到这个单元。

    ZD Research：在新闻稿里面我们可以看到存储单元是怎么工作的，它是加在Selector和Memory Cell这个串联体之间的电压来决定的，擦写，或者写入，或者读取，这三个状态是三个电压（也有可能是两个电压）。

3D XPoint: 产品和应用

成本和价格

    提问：这个技术从目前来看，它的商用时间是什么样的？

    ZD Research：英特尔跟美光的新闻稿里说年底会有样片出来，真的要商用可能得明年或者后年才会有真正的产品。

    提问：也就是说差不多两年之后能够看到这样的产品，这样的产品出来之后价格可能也非常贵，一个新的架构出来，它制作良品率可能也是一个问题。

    ZD Research：良品率这个是跟工艺制成的曲线有关的，所有产品都跟这个相关。我们先说它的价格，其实如果你同样的面积能有更多的存储单元，那你成本就会低。同样如果生产这个单元的工艺要求越简单，那你可能这个成本就会越低，用便宜的工厂也都可以生产，在这一点上密度上来看它可以达到现在这个闪存技术的10倍，而且现在只是两层，如果技术进步的话它可以叠更多的层数，或者说叠10层，因为现在的3D NAND闪存技术它都已经叠了32层，48层，没理由3D CrossPoint就不可以。

    提问：所以它的原材料成本是在下降的？

    ZD Research：我们只能说它的架构可以带来很大的存储密度，至于原材料成本其实我们不知道它用的是什么材料，用的是什么架构，用的是什么技术，我们只能知道它的存储密度是现在的10倍。

    提问：但是它的价格是不是也提升了10倍？

    ZD Research：不可能提升10倍，应该是降低10倍。

    提问：但是一个东西量产和小批量生产价格可能是不一样的，大批量生产它的价格一定是降低的，因为毕竟它的技术更先进，也遵循摩尔定律，摩尔定律就是性能提升，成本应该是下降的，但是就像每一代新的CPU出来的时候，实际上新的CPU的价格有时候会更贵，这可能是市场方面的原因，或者是大家良品率还没有上升的原因，没有足够多的工厂去开工生产这样的设备，所以如果价格不是障碍的时候，我相信这个技术现在看起来它的市场应用是没有任何阻碍的。

    ZD Research：从价格看我估计刚上来其实能跟现在差不多持平。

    提问：应该是很乐观的。

    ZD Research：同容量的情况下你跟现在持平，我觉得其实对它来说是已经很不成熟的表现了。

    提问：主要是在我看来可能有一种固有的印象，就是当我们从传统的硬盘转到固态盘的时候，价格上升了10倍，所以当我们听说有新的外部存储技术出现的时候，我们本能就认为这个价格是不是也会提高10倍，现在按ZD Research的分析来看是不会，看起来是非常好的消息。

    ZD Research：因为同容量价格相持的情况下，性能提高这么高，我觉得是完全可以接受的。

    提问：这个技术的生产工艺什么时候能提高，设计的环节已经突破了。

    ZD Research：因为已经快流片了，其实和正式生产就不是太远了，因为它毕竟不是还在实验室里面研究的技术。

类似技术

    提问：据你所知它现在有没有同类的竞争性技术？在非易失性存储这个领域。

    ZD Research：这种技术非常多，因为从好多年开始人们就在研究各种闪存的下一代产品，大家都叫NVM（Non-Volatile Memory）非易失性存储。譬如说有RRAM，阻抗内存，另外还有FeRAM它是跟用铁材料相关的，还有MRAM，相变内存等等，这些非易失性闪存技术很大的共同点就是它们和随机访问性能相关，能接近内存的水准，其实这个3D CrossPoint也是接近了内存的性能，用起来也跟内存差不多。

    提问：有没有其它的技术的步伐能和CrossPoint接近？

    ZD Research：没有，现在看起来CrossPoint是最接近我们大众的产品。

    提问：其它的技术可能还在实验室里？

    ZD Research：都在实验室里。

    提问：看起来英特尔以前在CPU这个领域比较领先，现在看来在存储芯片这个领域比竞争对手快了比较大的一步。我还有一个问题，为什么是英特尔美光，而不是英特尔自己或者只是美光自己，这两家合作的？

    ZD Research：他们在闪存领域就一直在合作，他们合资的工厂叫做IMFT，合资的工厂，他们现在的那种芯片我们市面上买没有单独叫英特尔的，大部分都是冠以IMFT开头。

3D XPoint: 技术前景

    提问：我们继续说市场前景，如果真的计算机的速度达到这么快的突破，可能是在两年之内，软件应该说也有相当大的变化，比如说计算机能够做的事情，比如说在虚拟现实或者游戏这样的领域，或者更性能计算和新计算的领域，应该说软件应该也达到了，对软件的利用是形成一个挑战，还是说？

    ZD Research：首先分成两个部分，第一个是对软件要不要改？其实是不用改，其实它是比之前更简单了，现在的NAND闪存它只能一块一块的插除，一页一页的写入，但是内存就不用这样操作，3D CrossPoint这个技术内存相象，它也不需要这样的操作，所以说它的应用会比现在的闪存更简单。现在的架构里面还存在着叫磨损控制以及垃圾回收的机制，在3D CrossPoint里面这样的机制不是取消了就是简化了。

    提问：也就是软件结构是不需要修改的，只是单纯提升了这个软件的运行速度。按我的设想，听了你的介绍我认为无论是桌面计算机还是在服务器端，特别在桌面端计算机可能做的关于虚拟现实，或者Game这类的应用，可以做得更加仿真，如果是我现在我可能去投资做VR技术的相关公司，因为这代表着相应的技术，现在之所以不能走到用户的桌面，就是因为它的效果还不尽如人意，更快的速度或许这个就会变得更加真实，我相对看好关于仿真或者是虚拟现实相关技术的快速商用。

    ZD Research：其实这种技术对于具体的这种3D CrossPoint还是没有直接相关的，因为跟它们相关的都是大数据处理之类的，像VR可能只是基于上面的应用。

    提问：对，比如说我虚拟一个场景，原来的硬盘速度不够快，导致我看起来有一定的延时，让我看起来很头晕，就像很多人头戴VR头盔，因为转动视线的时候这个场景的速度跟不上人自然场景切换的速度，有了这个技术是不是这个速度会提升，这个效果看起来会更好。

    ZD Research：首先这个技术带来的两点，一个是高性能，一个是成熟了之后的低成本，或者同样的成本更大的容量。现在的技术达不到主要还是大数据分析之类的很多还是基于硬盘的，有些时候用的是闪存，但其一个性能还不够快，另外就是容量还不够大，如果所有的资料都能存放在闪存里面其实速度也还行，但是所有的东西都能保存在3D CrossPoint里面呢，那你可能就更快，并且更有可行性，因为它这个存储密度提升了，容量也更大。此外成本降低了，这就导致了以前做不到的，现在可以做得到。

    提问：一些大数据的处理和分析速度更快，可能应用的领域非常多，所有行业都会用得到。

    ZD Research：对，几乎所有的行业都可能用得到。

    提问：我还是改了，我可能会去买大数据处理公司的股票，可能更合理一些。

    ZD Research：没错。