Intel 3D XPoint/Optane SSD评测（二） 原创

【至顶Labs】在《Intel 3D XPoint/Optane SSD评测（一）》中我们介绍了NVM（Non-Volatile Memory，非易失性内存）、SCM（Storage Class Memory，存储类内存）、PM（Persistant Memory，持久化内存）和NVDIMM（Non-Volatile Dual In-line Memory Module，非易失性双列直插内存模块）的定义以及区别，它们是依次递进前者包含后者的关系。其中，SCM主要由IBM在2008/2009年左右提出，经过IBM以及SNIA持续性的宣传（IBM是SNIA的成员），SCM已经差不多被广泛地接受了，尽管有些的厂商对SCM的定义有不同的理解（这里就不介绍反面例子Microsoft了）：

 
SCM(Storage Class Memory)的定义，大概是由2008/2009年左右的IBM提出，来源：IBM, HotChip 22，2010

　　SCM的起源主要是其时为了寻找比当时所用的NAND Flash要速度更快、成本更低、能源效率更高而发展的一系列新型存储技术，这一系列技术包括了如今为人熟知的RRAM、PCM、MRAM等等等等技术，和上图同一个文档中如下所示：

SCM的可能候选者，来源：IBM, HotChip 22，2010

参与SCM候选技术的众多开发厂商，来源：IBM, HotChip 22，2010

可见，新的存储技术的开发总是不断的，来源：IBM, HotChip 22，2010  

　　在进一步介绍这些SCM候选技术之前，必须提醒大家一件事：这些技术的罗列是很任意的，非常多的文档都是这样，而且不同的文档有不同的排列方式。总的来说，这些文档缺乏一个归纳总结，如果想系统性地了解SCM，你会发现比较艰难。泛泛而谈的介绍并非笔者的风格，而且为了介绍3D XPoint/Optane使用的新存储介质，我们需要一个更高的、全局性的视角，因此，我们需要能总结出一个框架，从而可以对这些先进的下一代NVM/SCM存储技术进行概括分类。

　　在艰难的搜索阅读极大量的文档之后，笔者总结出了一些经验，但也幸运地——或者不幸地——发现了先行者，我们发现包括Crossbar在内的一些公司的文档对部分SCM技术进行了归纳：

依赖阻抗切换的NVM存储技术的分类，基于物理效应发生的空间几何类型，从而可以适用于所有的存储介质，来源：Crossbar，右下角的图注表示其内容亦分别来源于多篇论文

　　Crossbar的原意是十字架，在IT领域为交叉总线，不过在上图中是一个初创于2010年的NVM厂商，它们的产品是一种ReRAM，特别地，是上图中的第二种，下面我们简单地介绍一下Crossbar加笔者总结的分类法：根据物理效应发生的空间几何类型，目前，依赖于阻抗切换的存储技术可以分为1D/2D/3D三种，其中1D Filament依赖于一维的细丝，2D Interface依赖于二维的接触面，3D Bulk依赖于三维的体积/容量；笔者附加：零维（奇点）、分数维（分形几何曲线）、高于三维（超弦等）目前尚未找到对应的运用。

HDD——硬盘，作为非阻抗切换存储技术的一个例子，其盘片上的磁性信号需要经过磁头转换为电信号，来源：TOSHIBA，图为MG04近线硬盘，我们测试过这款产品

　　这个分类法在不考虑物理学的边沿时已经可以囊括所有的依赖阻抗切换的存储技术，之所以是依赖阻抗切换，原因是目前的电路中最容易集成这样的技术，不依赖于阻抗切换的存储技术最明显的有HDD（Hard Disk Drive，硬盘）和ODD（Optical Disc Drive，光学存储），前者依赖于磁场的切换，后者依赖于光的反射，它们都需要一个转换配件将介质的状态转为电的状态（磁头和光头）。在Crossbar的分类法中，基于1D和2D的技术被统称为RRAM（Resistive RAM，阻变RAM），但有时为了提供更多的信息，往往也使用ReRAM的缩写，更容易辨认一些，笔者也比较推荐这种用法。以下是对ReRAM的一个比较常见的定义和介绍：

什么是RRAM/ReRAM？ReRAM区别于基于电荷的NVM（如，Flash），基于阻抗切换，来源：Micron，2015

　　 分类为RRAM的几种存储技术又可以分为四个类型：Valence change、Electrochemical metallization、Thermochemical、Uniform V₀ exchange，其中前三个为1D Filament型，后一个为2D Interface型，在这里，我们大致介绍一下这三种1D Filament技术：

四种ReRAM，来源：Micron，2015，这个图和前面Crossbar的图的ReRAM部分是差不多一样的，但是多了一些更进一步的介绍，来源：Micron，2015

　　对于前面这三种技术，笔者略微介绍一下：

Valence change ReRAM，这个类型还有一个专门的术语叫VCM（Valence Change Memory），里面SET/RESET等专业术语我们将在下一篇文章中进行介绍，来源：Crossbar

Valence change：价态转换，负离子迁移，主要是氧化物中的带负电氧离子。负离子因为电极之间的电场而“移动”，因此这种ReRAM是双极性的。实际上，移动的并不是体积和重量都比较大的负离子，而是电子，准确来说是“空穴”，一种虚拟的“正离子”，如上图所示，Oxygen Vacancy就是“氧空穴”。如后面所示，Valence change ReRAM又被Micron称为O-ReRAM。

Electrochemical Metallization ReRAM，其电极需要使用活泼金属如Ag银，Cu铜，用来参与电化学反应，来源：Crossbar

Electrochemical metallization：电化学金属化，Crossbar的FAST和HPE的Memristor属于的类型，基于电化学变化，在电极之间实时地生成/分解新的金属化物质（化学与物理的区别大致上就是是否生成了分子级别的新物质），因此它也是双极性的，Electrochemical metallization类型又被Micron称为M-ReRAM，下图展示了O-ReRAM和M-ReRAM的区别：

O-ReRAM（Valence change）与M-ReRAM（Electrochemical metallization）的分别，大致上，M-ReRAM要新一些，也更快一些，如常听说的HPE Memristor就属于一种M-ReRAM，来源：Micron，2015

Thermochemical ReRAM，特点是单极性，利用的是不同电流产生的热量的大小区别，来源：Crossbar

Thermochemical：热化学，利用加热原理（Joule Heating，就是寻常的电流经过电阻发热），工作形式有些类似于保险丝，但其介质是根据施加的电流（及生成的热量）的不同而熔断/熔接，可见，尽管一样基于负离子的迁移，但其和第一种价态转换型是显著不同的，同时，尽管也是“化学”，但“热化学”和上面第二种的“电化学”也是截然不同的。

1D Filament ReRAM真的就是在两个电极之间生成/消去细丝状导通介质，表现出具有不同阻抗的开/关状态。上图展示了1D ReRAM的OFF状态可以有两种机制：量子点接触，以及隧道/肖特基接触，它们具有不同的尺度阻抗特征，来源：Crossbar 

　　由于ReRAM并非本文章系列的主角，因此对它们的介绍就此为止（希望日后能有机会接触HPE的Memristor或者Crossbar的产品的），曾有媒体消息：Intel表明3D XPoint/Optane并非RRAM/ReRAM。从本文提供的分类学来看，我们相信这个论断，下一篇文章我们将会详细地介绍：3D XPoint/Optane到底是基于何种存储材料？或许很多人已经知道了或者有了自己的答案，不过，还是敬请期待我们的分析。

Intel 3D XPoint/Optane SSD评测（一）
http://solution.zhiding.cn/2017/1130/3101211.shtml

你知道的关于的Intel&Micron 3D XPoint的事不一定是对的
http://solution.zhiding.cn/2015/0824/3059679.shtml