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你知道的关于的Intel&Micron 3D XPoint的事不一定是对的

摘要: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。

作者:ZD Research 来源:ZDNetCBSi企业方案解决中心频道 2015年08月24日

关键字:科技真探 ZD Research 3D XPoint

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。

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Intel的官方新闻稿仅仅给出了3D XPoint的晶圆大图

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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。

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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。

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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。

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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。

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    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。

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