3D XPoint est une technologie de stockage de mémoire développée conjointement par Intel et Micron Technology Inc. Les deux fournisseurs ont décrit cette nouvelle technologie comme comblant un vide sur le marché du stockage entre la RAM dynamique (DRAM) et la flash NAND.
Intel et Micron ont développé ensemble la technologie 3D XPoint, mais ils travaillent séparément pour développer et vendre des produits qui utilisent cette technologie.
Comment fonctionne la mémoire 3D XPoint
Lors de l’annonce de la technologie en 2015, Intel et Micron ont affirmé que 3D XPoint serait jusqu’à 1 000 fois plus rapide et aurait une endurance jusqu’à 1 000 fois supérieure à celle de la flash NAND, et aurait une densité de stockage 10 fois supérieure à celle de la mémoire conventionnelle. Les premiers produits sont plus rapides et plus durables que la NAND et plus denses que la mémoire conventionnelle, mais ils n’ont pas été à la hauteur des affirmations des vendeurs.
La technologie 3D XPoint a une architecture différente des autres produits flash. Elle est réputée être basée sur la technologie de mémoire à changement de phase, avec une architecture sans transistor et à points croisés qui positionne les sélecteurs et les cellules de mémoire à l’intersection de fils perpendiculaires. Ces cellules, constituées d’un matériau non spécifié, sont accessibles individuellement par un courant envoyé par les fils supérieur et inférieur touchant chaque cellule. Pour améliorer la densité de stockage, les cellules 3D XPoint peuvent être empilées en trois dimensions.
Chaque cellule stocke une seule donnée, faisant en sorte qu’une cellule représente soit un 1, soit un 0 par un changement de propriété de masse dans le matériau de la cellule, qui modifie le niveau de résistance de la cellule. La cellule peut occuper un état de haute ou de basse résistance, et la modification du niveau de résistance de la cellule change le fait que la cellule soit lue comme un 1 ou un 0. Comme les cellules sont persistantes, elles conservent leurs valeurs indéfiniment, même en cas de perte de puissance.
Les opérations de lecture et d’écriture se produisent en faisant varier la quantité de tension envoyée à chaque sélecteur. Pour les opérations d’écriture, une tension spécifique est envoyée à travers les fils autour d’une cellule et d’un sélecteur. Cela active le sélecteur et permet à la tension de traverser la cellule pour initier le changement de propriété en vrac. Pour les opérations de lecture, une tension différente est envoyée à travers pour déterminer si la cellule est dans un état de haute ou de basse résistance.
La technologie 3D XPoint a la capacité d’écrire des données au niveau du bit, un avantage par rapport à la technologie NAND. Tous les bits d’un bloc de flash NAND doivent être effacés avant que les données puissent être écrites. En théorie, cette capacité permet à 3D XPoint d’avoir des performances plus élevées et une consommation d’énergie plus faible que la flash NAND.
Principaux produits et fournisseurs
Intel a commencé à livrer ses premiers produits 3D XPoint au printemps 2017. Sa série de SSD Optane DC P4800X de 375 gigaoctets (Go) a été envoyée à certains clients en mars. Une large disponibilité est prévue plus tard en 2017.
La mémoire Optane d’Intel pour les PC grand public a été expédiée plus tard au printemps 2017. Il s’agit d’un lecteur de cache qui se décline en capacités de 16 ou 32 Go. La mémoire Optane ne fonctionne que sur les PC équipés de processeurs Intel Core de septième génération, se branchant sur un emplacement M.2 des cartes mères à chipset Intel série 200.
Micron prévoit d’avoir des produits de mémoire et de stockage basés sur 3D XPoint disponibles sous la marque QuantX en 2017. Les produits 3D XPoint Optane et QuantX utilisent tous deux la même matrice de base pour le stockage qui est produite dans l’usine de la coentreprise Intel-Micron à Lehi, dans l’Utah.
Vitesse et performances de 3D XPoint
Avec l’architecture 3D XPoint, les données n’ont plus besoin d’être stockées dans des blocs de 4 Ko en utilisant une pile d’E/S lente et de fichiers. Cette nouvelle technologie permet d’écrire et de lire de petites quantités de données, ce qui rend le processus de lecture/écriture plus rapide et plus efficace que la technologie NAND. Les premiers produits utilisant la technologie 3D XPoint le confirment, même si ce n’est pas aux niveaux de vitesse et de performance promis par Intel et Micron lorsqu’ils ont déployé la technologie.
Bien qu’elle ne soit pas aussi rapide que la DRAM, la 3D XPoint a l’avantage d’être une mémoire non volatile. Du point de vue des performances et du prix, la technologie 3D XPoint se situe entre la DRAM rapide, mais coûteuse, et la flash NAND plus lente et moins chère.
Selon Intel, le disque P4800X a été cinq à huit fois plus rapide que le DC P3700 à base de flash NAND de la société lors de tests internes à faible profondeur de file d’attente en utilisant une charge de travail mixte. Le P4800X peut atteindre jusqu’à 500 000 IOPS — soit environ 2 Go/s — à une profondeur de file d’attente de 11, a affirmé Intel.
Les observateurs ont émis l’hypothèse que le bus PCI Express (PCIe) utilisé par le P4800X l’empêche d’atteindre la vitesse promise de 1 000 fois plus rapide que la NAND. Parmi les autres modifications du système jugées nécessaires pour que la technologie 3D XPoint atteigne des objectifs de performance plus élevés, citons la séparation de la mémoire persistante et de la mémoire non persistante lors de la gestion des erreurs de contrôle machine et l’utilisation d’un compilateur permettant de déclarer la mémoire persistante, ainsi que l’utilisation d’éditeurs de liens capables d’intégrer cette mémoire dans une application. Les applications elles-mêmes doivent être réécrites pour éliminer les E/S de fichiers et pour utiliser des instructions uniques et des opérations vectorielles.
Des modules de mémoire double en ligne (DIMM) 3D XPoint non volatils qui s’insèrent dans les emplacements DRAM et utilisent le bus à double débit de données peuvent également aider 3D XPoint à atteindre son plein potentiel de performance.
Coût
La mémoire Intel Optane pour PC est de 44 $ pour un module de 16 Go et de 79 $ pour un module de 32 Go.
Cas d’utilisation de 3D XPoint
3D XPoint est utilisé comme une couche supplémentaire de stockage entre la flash et la DRAM. C’est une pratique relativement courante de hiérarchiser le stockage entre les disques durs (HDD) et la flash. Les données et les applications à forte intensité qui bénéficient davantage de vitesses élevées sont stockées sur la couche flash, tandis que les données et les applications auxquelles on accède moins fréquemment sont placées sur le disque. 3D XPoint est une autre couche de stockage au-dessus de la flash pour les données et les applications qui ont besoin de vitesses encore plus élevées.
Intel prévoit que le SSD Optane 3D XPoint sera utilisé pour le stockage et la mise en cache à haute performance, ainsi que pour étendre et remplacer la mémoire. Selon les projections de l’entreprise, les utilisateurs seront en mesure d’augmenter la mémoire des serveurs jusqu’à huit fois et de remplacer la DRAM dans un rapport de 10:1 pour certaines charges de travail.
Intel a prévu trois façons d’étendre la mémoire avec les SSD 3D XPoint Optane :
- via un mécanisme de pagination du système d’exploitation qui déplace les données vers le SSD connecté au PCIe lorsque la DRAM se remplit pour une charge de travail ;
- via des applications optimisées ; ou
- via la technologie Memory Drive d’Intel prise en charge sur ses processeurs 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.