3D XPoint je technologie ukládání paměti, kterou společně vyvinuly společnosti Intel a Micron Technology Inc. Oba výrobci tuto novou technologii popisují jako vyplnění mezery na trhu pamětí mezi dynamickou pamětí RAM (DRAM) a pamětí NAND flash.
Intel a Micron vyvinuly technologii 3D XPoint společně, ale na vývoji a prodeji produktů, které tuto technologii využívají, pracují samostatně.
Jak funguje paměť 3D XPoint
V roce 2015 při oznámení této technologie společnosti Intel a Micron tvrdily, že paměť 3D XPoint bude až 1 000krát rychlejší a bude mít až 1 000krát větší výdrž než paměť NAND flash a desetkrát větší hustotu uložení než běžné paměti. První produkty jsou rychlejší a odolnější než NAND a mají větší hustotu než konvenční paměti, ale tvrzení výrobců zatím nenaplnily v plném rozsahu.
3D XPoint má jinou architekturu než ostatní flash produkty. Údajně je založena na technologii fázové změny paměti s beztranzistorovou architekturou s křížovými body, která umisťuje selektory a paměťové buňky na křížení kolmých vodičů. K těmto buňkám, vyrobeným z blíže nespecifikovaného materiálu, lze přistupovat individuálně pomocí proudu vysílaného přes horní a dolní vodiče, které se dotýkají každé buňky. Pro zvýšení hustoty paměti lze buňky 3D XPoint skládat na sebe ve třech rozměrech.
Každá buňka ukládá jeden kus dat, díky čemuž buňka představuje buď 1, nebo 0 prostřednictvím změny objemové vlastnosti materiálu buňky, která mění úroveň odporu buňky. Buňka může zaujmout buď stav s vysokým, nebo nízkým odporem a změnou úrovně odporu buňky se mění, zda je buňka čtena jako 1, nebo 0. Protože jsou buňky trvalé, uchovávají své hodnoty po neomezenou dobu, i když dojde ke ztrátě napájení.
Operace čtení a zápisu probíhají změnou velikosti napětí přivedeného na každý selektor. Při operacích zápisu se přes vodiče kolem buňky a selektoru posílá určité napětí. Tím se aktivuje selektor a umožní průchod napětí do buňky, čímž se zahájí hromadná změna vlastností. Při operacích čtení je přes buňku posíláno jiné napětí, které určuje, zda je buňka ve stavu s vysokým nebo nízkým odporem.
3D XPoint má schopnost zapisovat data na úrovni bitů, což je výhoda oproti NAND. Před zápisem dat je nutné vymazat všechny bity v bloku NAND flash. Teoreticky tato schopnost umožňuje 3D XPoint mít vyšší výkon a nižší spotřebu energie než NAND flash.
Významné produkty a dodavatelé
Intel začal dodávat své první produkty 3D XPoint na jaře 2017. Jeho 375gigabajtové (GB) SSD Optane DC řady P4800X byly vybraným zákazníkům odeslány v březnu. Široká dostupnost se očekává později v roce 2017.
Paměti Optane společnosti Intel pro spotřebitelské počítače byly dodány později na jaře 2017. Jedná se o cache disk, který se dodává v kapacitách 16 GB nebo 32 GB. Paměť Optane funguje pouze v počítačích s procesory Intel Core sedmé generace a zapojuje se do slotu M.2 na základních deskách s čipovou sadou Intel řady 200.
Micron plánuje, že v roce 2017 budou pod značkou QuantX k dispozici paměťové a úložné produkty založené na technologii 3D XPoint. Produkty 3D XPoint Optane i QuantX využívají pro ukládání dat stejné jádro die vyráběné ve společném podniku Intel-Micron v Lehi ve státě Utah.
Rychlost a výkon 3D XPoint
Díky architektuře 3D XPoint již není nutné ukládat data ve 4 KB blocích pomocí pomalého souborového I/O zásobníku. Nová technologie umožňuje zápis a čtení malých objemů dat, takže proces čtení/zápisu je rychlejší a efektivnější než u paměti NAND. První produkty využívající technologii 3D XPoint to potvrzují, i když ne na takové úrovni rychlosti a výkonu, jakou společnosti Intel a Micron slibovaly při zavádění této technologie.
Přestože 3D XPoint není tak rychlá jako paměť DRAM, její výhodou je, že se jedná o nevolatilní paměť. Z hlediska výkonu a ceny se technologie 3D XPoint nachází mezi rychlou, ale nákladnou pamětí DRAM a pomalejší a levnější pamětí NAND flash.
Podle společnosti Intel byl disk P4800X v interních testech při nízké hloubce fronty se smíšenou pracovní zátěží pětkrát až osmkrát rychlejší než firemní disk DC P3700 založený na technologii NAND flash. Disk P4800X může dosáhnout až 500 000 IOPS – tedy přibližně 2 GB/s – při hloubce fronty 11, tvrdí společnost Intel.
Objevitelé spekulují, že sběrnice PCI Express (PCIe), kterou disk P4800X používá, mu brání ve slibované rychlosti 1 000krát vyšší než NAND. K dalším systémovým změnám, o nichž se předpokládá, že jsou nutné, aby technologie 3D XPoint splnila vyšší výkonnostní cíle, patří oddělení perzistentní paměti od neperzistentní při zpracování chyb strojové kontroly a použití kompilátoru, který umožňuje deklarovat perzistentní paměť, spolu s použitím linkových editorů, které dokáží tuto paměť zabudovat do aplikace. Samotné aplikace musí být přepsány tak, aby eliminovaly souborové I/O a používaly jednoduché instrukce a vektorové operace.
Pomoci dosáhnout plného výkonnostního potenciálu technologie 3D XPoint mohou také nevolatilní paměťové moduly 3D XPoint dual in-line (DIMM), které se vejdou do slotů DRAM a využívají sběrnici s dvojnásobnou rychlostí přenosu dat.
Cena
Paměť Intel Optane pro počítače stojí 44 USD za 16GB modul a 79 USD za 32GB modul.
Případy použití 3D XPoint
Paměť 3D XPoint se používá jako další vrstva úložiště mezi pamětí flash a DRAM. Jedná se o poměrně běžnou praxi vrstvení úložišť mezi pevné disky (HDD) a flash. Data s vysokou intenzitou a aplikace, které více využívají vysoké rychlosti, se ukládají na vrstvu flash, zatímco data a aplikace, ke kterým se přistupuje méně často, se umisťují na disk. 3D XPoint je další vrstva úložiště nad pamětí flash pro data a aplikace, které potřebují ještě vyšší rychlost.
Intel očekává, že SSD disky 3D XPoint Optane budou využívány pro vysoce výkonná úložiště a mezipaměť a také pro rozšíření a náhradu paměti. Podle prognóz společnosti budou moci uživatelé zvýšit paměť serverů až osmkrát a nahradit paměť DRAM až v poměru 10:1 pro vybrané pracovní zátěže.
Intel nabídl tři způsoby rozšíření paměti pomocí disků SSD 3D XPoint Optane:
- prostřednictvím stránkovacího mechanismu operačního systému, který přesune data na disk SSD připojený k sběrnici PCIe, když se paměť DRAM pro pracovní zátěž zaplní;
- prostřednictvím optimalizovaných aplikací nebo
- prostřednictvím technologie Intel Memory Drive Technology podporované procesory Xeon.
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.