3D XPoint es una tecnología de almacenamiento de memoria desarrollada conjuntamente por Intel y Micron Technology Inc. Los dos proveedores han descrito esta nueva tecnología como una forma de llenar un vacío en el mercado de almacenamiento entre la memoria RAM dinámica (DRAM) y la memoria flash NAND.
Intel y Micron han desarrollado la tecnología 3D XPoint juntos, pero están trabajando por separado para desarrollar y vender productos que hagan uso de la tecnología.
Cómo funciona la memoria 3D XPoint
En su anuncio de la tecnología en 2015, Intel y Micron afirmaron que 3D XPoint sería hasta 1.000 veces más rápida y tendría hasta 1.000 veces más resistencia que la memoria flash NAND, y tendría 10 veces más densidad de almacenamiento que la memoria convencional. Los primeros productos son más rápidos y duraderos que la NAND y más densos que la memoria convencional, pero no han cumplido todas las afirmaciones de los proveedores.
La 3D XPoint tiene una arquitectura diferente a la de otros productos flash. Se dice que se basa en la tecnología de memoria de cambio de fase, con una arquitectura de puntos cruzados sin transistores que sitúa los selectores y las celdas de memoria en la intersección de cables perpendiculares. Se puede acceder a esas células, hechas de un material no especificado, de forma individual mediante una corriente enviada a través de los cables superior e inferior que tocan cada célula. Para mejorar la densidad de almacenamiento, las celdas 3D XPoint pueden apilarse en tres dimensiones.
Cada celda almacena un único dato, lo que hace que una celda represente un 1 o un 0 a través de un cambio de propiedades en el material de la celda, que modifica el nivel de resistencia de la misma. La celda puede ocupar un estado de alta o baja resistencia, y el cambio del nivel de resistencia de la celda cambia si la celda se lee como un 1 o un 0. Como las celdas son persistentes, mantienen sus valores indefinidamente, incluso cuando hay una pérdida de energía.
Las operaciones de lectura y escritura se producen variando la cantidad de tensión enviada a cada selector. Para las operaciones de escritura, se envía un voltaje específico a través de los cables que rodean una célula y un selector. Esto activa el selector y permite el paso de la tensión a la célula para iniciar el cambio de la propiedad de la masa. Para las operaciones de lectura, se envía un voltaje diferente para determinar si la celda está en un estado de alta o baja resistencia.
La tecnología 3D XPoint tiene la capacidad de escribir datos a nivel de bits, una ventaja sobre la NAND. Todos los bits de un bloque flash NAND deben borrarse antes de poder escribir los datos. En teoría, esta capacidad permite que 3D XPoint tenga un mayor rendimiento y un menor consumo de energía que la flash NAND.
Productos y proveedores principales
Intel comenzó a distribuir sus primeros productos 3D XPoint en la primavera de 2017. Su serie de SSD Optane DC P4800X de 375 gigabytes (GB) se envió a clientes seleccionados en marzo. Se espera una amplia disponibilidad a finales de 2017.
La memoria Optane de Intel para PC de consumo se envió más tarde en la primavera de 2017. Es una unidad de caché que viene en capacidades de 16 GB o 32 GB. La memoria Optane solo funciona en PC con procesadores Intel Core de séptima generación, conectándose a una ranura M.2 en las placas base con chipset de la serie 200 de Intel.
Micron planea tener productos de memoria y almacenamiento basados en 3D XPoint disponibles bajo la marca QuantX en 2017. Tanto los productos 3D XPoint Optane como QuantX utilizan el mismo troquel central para el almacenamiento que se produce en las instalaciones de la empresa conjunta Intel-Micron en Lehi, Utah.
Velocidad y rendimiento de 3D XPoint
Con la arquitectura 3D XPoint, los datos ya no tienen que almacenarse en bloques de 4 KB utilizando una pila de E/S lenta y de archivo. La nueva tecnología permite escribir y leer pequeñas cantidades de datos, lo que hace que el proceso de lectura/escritura sea más rápido y eficiente que la NAND. Los primeros productos que utilizan la tecnología 3D XPoint lo confirman, aunque no a los niveles de velocidad y rendimiento que Intel y Micron prometieron cuando lanzaron la tecnología.
Aunque no es tan rápida como la DRAM, 3D XPoint tiene la ventaja de ser una memoria no volátil. Desde el punto de vista del rendimiento y el precio, la tecnología 3D XPoint se sitúa entre la rápida pero costosa DRAM y la más lenta y barata NAND flash.
Según Intel, la unidad P4800X rindió entre cinco y ocho veces más rápido que la DC P3700 basada en NAND flash de la compañía en pruebas internas a bajas profundidades de cola utilizando una carga de trabajo mixta. La P4800X puede alcanzar hasta 500.000 IOPS -o aproximadamente 2 GBps- a una profundidad de cola de 11, según Intel.
Los observadores han especulado con que el bus PCI Express (PCIe) utilizado por la P4800X le impide alcanzar la velocidad prometida de 1.000 veces más rápida que la NAND. Otros cambios en el sistema que se consideran necesarios para que la tecnología 3D XPoint alcance los objetivos de rendimiento más elevados son la separación de la memoria persistente de la no persistente a la hora de gestionar los errores de comprobación de la máquina y el uso de un compilador que permita declarar la memoria persistente, junto con el uso de editores de enlaces que puedan incorporar esa memoria a una aplicación. Las propias aplicaciones deben reescribirse para eliminar la E/S de archivos y utilizar operaciones vectoriales y de una sola instrucción.
Los módulos de memoria dual en línea (DIMM) no volátiles de 3D XPoint que encajan en las ranuras de DRAM y utilizan el bus de doble velocidad de datos también pueden ayudar a que 3D XPoint alcance todo su potencial de rendimiento.
Coste
La memoria Optane de Intel para PC cuesta 44 dólares el módulo de 16 GB y 79 dólares el de 32 GB.
Casos de uso de 3D XPoint
3D XPoint se utiliza como una capa adicional de almacenamiento entre la memoria flash y la DRAM. Es una práctica relativamente común situar el almacenamiento por niveles entre las unidades de disco duro (HDD) y el flash. Los datos de alta intensidad y las aplicaciones que se benefician más de las altas velocidades se almacenan en la capa flash, mientras que los datos y las aplicaciones a los que se accede con menos frecuencia se colocan en el disco. 3D XPoint es otra capa de almacenamiento por encima de la flash para los datos y aplicaciones que necesitan velocidades aún mayores.
Intel espera que las SSD 3D XPoint Optane se utilicen para el almacenamiento de alto rendimiento y el almacenamiento en caché, así como para ampliar y sustituir la memoria. Según las previsiones de la compañía, los usuarios podrán aumentar la memoria de los servidores hasta ocho veces y desplazar la DRAM en una proporción de hasta 10:1 para determinadas cargas de trabajo.
Intel ha proporcionado tres formas de ampliar la memoria con las SSD 3D XPoint Optane:
- mediante un mecanismo de paginación del sistema operativo que traslada los datos a la SSD conectada al PCIe cuando la DRAM se llena para una carga de trabajo;
- mediante aplicaciones optimizadas; o
- mediante la tecnología Memory Drive de Intel compatible con sus procesadores 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.