3D XPoint ist eine gemeinsam von Intel und Micron Technology Inc. entwickelte Speichertechnologie. Die beiden Hersteller haben diese neue Technologie als Lückenfüller auf dem Speichermarkt zwischen dynamischem RAM (DRAM) und NAND-Flash beschrieben.
Intel und Micron haben die 3D XPoint-Technologie gemeinsam entwickelt, arbeiten aber getrennt an der Entwicklung und dem Verkauf von Produkten, die diese Technologie nutzen.
Wie 3D XPoint-Speicher funktioniert
In ihrer Ankündigung der Technologie im Jahr 2015 behaupteten Intel und Micron, dass 3D XPoint bis zu 1.000-mal schneller und bis zu 1.000-mal ausdauernder als NAND-Flash sei und eine zehnmal höhere Speicherdichte als herkömmlicher Speicher habe. Die ersten Produkte sind schneller und haltbarer als NAND und dichter als herkömmlicher Speicher, aber sie haben die Behauptungen der Hersteller nicht ganz erfüllt.
3D XPoint hat eine andere Architektur als andere Flash-Produkte. Sie soll auf der Technologie des Phasenwechselspeichers basieren, mit einer transistorlosen Kreuzpunktarchitektur, bei der Selektoren und Speicherzellen an der Kreuzung senkrechter Drähte angeordnet sind. Auf diese Zellen, die aus einem nicht näher spezifizierten Material bestehen, kann einzeln zugegriffen werden, indem ein Strom durch die oberen und unteren Drähte geschickt wird, die jede Zelle berühren. Um die Speicherdichte zu erhöhen, können die 3D-XPoint-Zellen dreidimensional gestapelt werden.
Jede Zelle speichert ein einzelnes Datenelement, wobei eine Zelle durch eine Änderung der Volumeneigenschaften des Zellmaterials, die den Widerstandswert der Zelle ändert, entweder eine 1 oder eine 0 darstellt. Die Zelle kann entweder einen hoch- oder niederohmigen Zustand einnehmen, und die Änderung des Widerstandsniveaus der Zelle ändert, ob die Zelle als 1 oder 0 gelesen wird. Da die Zellen beständig sind, behalten sie ihre Werte auf unbestimmte Zeit, selbst bei Stromausfall.
Lese- und Schreibvorgänge erfolgen durch Änderung der an jeden Selektor gesendeten Spannungsmenge. Bei Schreibvorgängen wird eine bestimmte Spannung durch die Drähte um eine Zelle und einen Selektor geschickt. Dadurch wird der Selektor aktiviert und die Spannung an die Zelle geleitet, um die Änderung der Masseneigenschaften einzuleiten. Bei Lesevorgängen wird eine andere Spannung durchgeschickt, um festzustellen, ob sich die Zelle in einem hoch- oder niederohmigen Zustand befindet.
3D XPoint hat die Fähigkeit, Daten auf Bitebene zu schreiben, ein Vorteil gegenüber NAND. Alle Bits in einem NAND-Flash-Block müssen gelöscht werden, bevor Daten geschrieben werden können. Theoretisch ermöglicht diese Fähigkeit 3D XPoint eine höhere Leistung und einen geringeren Stromverbrauch als NAND-Flash.
Große Produkte und Anbieter
Intel begann im Frühjahr 2017 mit der Auslieferung seiner ersten 3D XPoint-Produkte. Die 375 Gigabyte (GB) große Optane SSD DC P4800X Serie wurde im März an ausgewählte Kunden verschickt. Die breite Verfügbarkeit wird im Laufe des Jahres 2017 erwartet.
Intel Optane-Speicher für Consumer-PCs wurden später im Frühjahr 2017 ausgeliefert. Es handelt sich dabei um ein Cache-Laufwerk mit 16 GB oder 32 GB Kapazität. Optane-Speicher funktioniert nur in PCs mit Intel Core-Prozessoren der siebten Generation, die in einen M.2-Steckplatz auf Motherboards mit Intel-Chipsatz der 200er-Serie eingesteckt werden.
Micron plant, im Jahr 2017 3D XPoint-basierte Speicher- und Storage-Produkte unter der Marke QuantX zu vertreiben. Sowohl die 3D XPoint Optane- als auch die QuantX-Produkte verwenden denselben Kern-Die für die Speicherung, der in der Intel-Micron-Joint-Venture-Einrichtung in Lehi, Utah, hergestellt wird.
3D XPoint Geschwindigkeit und Leistung
Mit der 3D XPoint-Architektur müssen Daten nicht mehr in 4-KB-Blöcken unter Verwendung eines langsamen Datei-I/O-Stacks gespeichert werden. Die neue Technologie ermöglicht das Schreiben und Lesen kleiner Datenmengen und macht den Lese-/Schreibprozess schneller und effizienter als NAND. Die ersten Produkte, die die 3D XPoint-Technologie verwenden, bestätigen dies, wenn auch nicht mit der Geschwindigkeit und Leistung, die Intel und Micron bei der Einführung der Technologie versprochen haben.
Obwohl 3D XPoint nicht so schnell wie DRAM ist, hat es den Vorteil, ein nichtflüchtiger Speicher zu sein. In Bezug auf Leistung und Preis liegt die 3D XPoint-Technologie zwischen schnellem, aber teurem DRAM und langsamerem, billigerem NAND-Flash.
Nach Angaben von Intel war das P4800X-Laufwerk in internen Tests bei geringer Warteschlangentiefe und gemischter Arbeitslast fünf bis acht Mal schneller als die NAND-Flash-basierte DC P3700 des Unternehmens. Bei einer Warteschlangentiefe von 11 erreicht die P4800X laut Intel bis zu 500.000 IOPS oder etwa 2 GBps.
Beobachter haben spekuliert, dass der von der P4800X verwendete PCI-Express-Bus (PCIe) sie von der versprochenen 1.000-fachen Geschwindigkeit gegenüber NAND abhält. Andere Systemänderungen, die vermutlich erforderlich sind, damit die 3D XPoint-Technologie höhere Leistungsziele erreicht, umfassen die Trennung von persistentem und nicht persistentem Speicher bei der Behandlung von Maschinenprüfungsfehlern und die Verwendung eines Compilers, der die Deklaration von persistentem Speicher ermöglicht, sowie die Verwendung von Link-Editoren, die diesen Speicher in eine Anwendung integrieren können. Die Anwendungen selbst müssen umgeschrieben werden, um Datei-I/O zu eliminieren und Einzelbefehls- und Vektoroperationen zu verwenden.
Nichtflüchtige 3D XPoint Dual-in-Line-Speichermodule (DIMMs), die in DRAM-Steckplätze passen und den Bus mit doppelter Datenrate nutzen, können ebenfalls dazu beitragen, dass 3D XPoint sein volles Leistungspotenzial erreicht.
Kosten
Intel Optane-Speicher für PCs kostet 44 Dollar für ein 16-GB-Modul und 79 Dollar für ein 32-GB-Modul.
3D XPoint Anwendungsfälle
3D XPoint wird als zusätzliche Speicherebene zwischen Flash und DRAM verwendet. Es ist eine relativ gängige Praxis, Speicher zwischen Festplattenlaufwerken (HDDs) und Flash zu schichten. Daten mit hohem Datenaufkommen und Anwendungen, die eher von hohen Geschwindigkeiten profitieren, werden auf der Flash-Ebene gespeichert, während Daten und Anwendungen, auf die weniger häufig zugegriffen wird, auf der Festplatte abgelegt werden. 3D XPoint ist eine weitere Speicherebene über Flash für Daten und Anwendungen, die noch höhere Geschwindigkeiten benötigen.
Intel erwartet, dass die 3D XPoint Optane SSD für Hochleistungsspeicher und Caching sowie zur Erweiterung und zum Ersatz von Arbeitsspeicher eingesetzt werden wird. Nach den Prognosen des Unternehmens werden die Nutzer in der Lage sein, den Serverspeicher um das Achtfache zu erhöhen und DRAM bei ausgewählten Arbeitslasten bis zu einem Verhältnis von 10:1 zu verdrängen.
Intel bietet drei Möglichkeiten, den Speicher mit 3D XPoint Optane SSDs zu erweitern:
- über einen Paging-Mechanismus des Betriebssystems, der Daten auf die PCIe-angeschlossene SSD auslagert, wenn der DRAM für eine Arbeitslast voll ist;
- über optimierte Anwendungen; oder
- über Intels Memory Drive Technology, die von den Xeon-Prozessoren unterstützt wird.
In the future, it will be possible to extend memory with the 3D XPoint DIMMs that Intel plans to release. Observers speculate that 3D XPoint Optane, and particularly Optane NVDIMMs, will be used to:
- expand the apparent size of DRAM;
- enable bigger, more-effective databases;
- help overcome big data network bottlenecks;
- facilitate high-performance computing applications;
- extend memory and boost instance storage performance in the cloud;
- provide the storage capacity and speed that hybrid clouds need; and
- possibly serve as primary memory tiers in hyper-converged systems.