3D XPoint

A 3D XPoint az Intel és a Micron Technology Inc. által közösen kifejlesztett memóriatárolási technológia. A két gyártó úgy jellemezte ezt az új technológiát, hogy a dinamikus RAM (DRAM) és a NAND flash közötti rést tölti be a tárolópiacon.

Az Intel és a Micron közösen fejlesztette ki a 3D XPoint technológiát, de külön-külön dolgoznak a technológiát alkalmazó termékek fejlesztésén és értékesítésén.

Hogyan működik a 3D XPoint memória

A technológia 2015-ös bejelentésekor az Intel és a Micron azt állította, hogy a 3D XPoint akár 1000-szer gyorsabb és akár 1000-szer hosszabb élettartamú lesz, mint a NAND flash, valamint 10-szer nagyobb tárolási sűrűséggel rendelkezik, mint a hagyományos memória. A korai termékek gyorsabbak és tartósabbak, mint a NAND és sűrűbbek, mint a hagyományos memória, de nem váltották be a gyártók állításainak teljes mértékét.

A 3D XPoint architektúrája eltér a többi flash termékétől. Állítólag a fázisváltó memóriatechnológián alapul, tranzisztor nélküli, keresztpontos architektúrával, amely a szelektorokat és a memóriacellákat egymásra merőleges vezetékek kereszteződésében helyezi el. Ezek az ismeretlen anyagból készült cellák külön-külön elérhetők az egyes cellákat érintő felső és alsó vezetékeken keresztül küldött árammal. A tárolási sűrűség növelése érdekében a 3D XPoint cellák három dimenzióban egymásra helyezhetők.

Minden cella egyetlen adatot tárol, így egy cella a cella anyagának ömlesztett tulajdonságváltozása révén, amely módosítja a cella ellenállási szintjét, 1-et vagy 0-t jelent. A cella magas vagy alacsony ellenállású állapotot foglalhat el, és a cella ellenállási szintjének megváltoztatása megváltoztatja, hogy a cellát 1-nek vagy 0-nak olvassa-e. Mivel a cellák tartósak, értéküket korlátlan ideig megtartják, még áramkimaradás esetén is.

Az olvasási és írási műveletek az egyes szelektorokra küldött feszültség mennyiségének változtatásával történnek. Az írási műveletekhez egy adott feszültséget küldünk a cella és a szelektor körüli vezetékeken keresztül. Ez aktiválja a szelektort, és lehetővé teszi a cellán átmenő feszültséget a tömeges tulajdonságváltás elindításához. Olvasási műveleteknél más feszültséget küldenek át, hogy meghatározzák, hogy a cella magas vagy alacsony ellenállású állapotban van-e.

A 3D XPoint képes az adatok bit szintű írására, ami előny a NAND-hoz képest. Egy NAND flash blokkban az összes bitet törölni kell, mielőtt adatot lehetne írni. Ez a képesség elméletileg lehetővé teszi, hogy a 3D XPoint nagyobb teljesítményt és alacsonyabb energiafogyasztást érjen el, mint a NAND flash.

Főbb termékek és gyártók

Az Intel 2017 tavaszán kezdte meg az első 3D XPoint termékek szállítását. A 375 gigabájtos (GB) Optane SSD DC P4800X sorozatát márciusban küldték el a kiválasztott ügyfeleknek. A széles körű elérhetőség 2017 folyamán várható.

Az Intel Optane memóriát fogyasztói PC-khez 2017 tavaszán szállították ki. Ez egy gyorsítótáras meghajtó, amely 16 GB-os vagy 32 GB-os kapacitással kapható. Az Optane memória csak hetedik generációs Intel Core processzorokkal rendelkező PC-kben működik, és az Intel 200-as sorozatú chipkészletű alaplapok M.2 foglalatába csatlakoztatható.

A Micron tervei szerint 2017-ben QuantX márkanév alatt 3D XPoint-alapú memória- és tárolótermékek lesznek elérhetőek. Mind a 3D XPoint Optane, mind a QuantX termékek ugyanazt a core die-t használják a tároláshoz, amelyet az Intel-Micron közös vállalat Lehiben, Utah államban található létesítményében gyártanak.

3D XPoint sebesség és teljesítmény

A 3D XPoint architektúrával az adatokat már nem kell 4 KB-os blokkokban tárolni egy lassú, fájl I/O stack segítségével. Az új technológia lehetővé teszi kis adatmennyiségek írását és olvasását, így az olvasási/írási folyamat gyorsabb és hatékonyabb, mint a NAND. A 3D XPoint technológiát használó első termékek ezt igazolják, bár nem olyan sebességgel és teljesítménnyel, mint amilyet az Intel és a Micron a technológia bevezetésekor ígért.

A 3D XPoint előnye, hogy nem illékony memória, bár nem olyan gyors, mint a DRAM. Teljesítmény és ár szempontjából a 3D XPoint technológia a gyors, de drága DRAM és a lassabb, olcsóbb NAND flash közé esik.

A P4800X meghajtó az Intel szerint a belső tesztek során alacsony várakozási mélységnél, vegyes munkaterheléssel végzett belső tesztek során öt-nyolcszor gyorsabban teljesített, mint a vállalat NAND flash alapú DC P3700-as meghajtója. A P4800X akár 500 000 IOPS – azaz körülbelül 2 GBps – elérésére is képes 11-es sorbanállási mélységnél, állította az Intel.

A megfigyelők azt feltételezték, hogy a P4800X által használt PCI Express (PCIe) busz hátráltatja a NAND-nál 1000-szer gyorsabbnak ígért sebességtől. A 3D XPoint technológia nagyobb teljesítménycélok eléréséhez szükségesnek tartott egyéb rendszermódosítások közé tartozik a perzisztens és nem perzisztens memória elkülönítése a gépi ellenőrzési hibák kezelése során, valamint olyan fordítóprogram használata, amely lehetővé teszi a perzisztens memória deklarálását, valamint olyan linkszerkesztők használata, amelyek képesek beépíteni ezt a memóriát az alkalmazásba. Magukat az alkalmazásokat is át kell írni, hogy kiküszöböljék a fájl I/O-t, és egyetlen utasítást és vektorműveleteket használjanak.

A DRAM slotokba illeszkedő és a dupla adatátviteli sebességű buszt használó nem-illékony 3D XPoint dual in-line memóriamodulok (DIMM) szintén segíthetnek a 3D XPoint teljes teljesítményének elérésében.

Költség

A PC-kbe szánt Intel Optane memória ára 44 dollár egy 16 GB-os modulért és 79 dollár egy 32 GB-os modulért.

3D XPoint felhasználási esetek

A 3D XPointot a flash és a DRAM közötti kiegészítő tárolórétegként használják. Viszonylag elterjedt gyakorlat a merevlemezek (HDD-k) és a flash meghajtók közötti tárolási szintek kialakítása. A nagy intenzitású adatokat és a nagy sebességből nagyobb hasznot húzó alkalmazásokat a flash-rétegen tárolják, míg a ritkábban használt adatokat és alkalmazásokat a lemezre helyezik. A 3D XPoint egy újabb tárolóréteg a flash felett a még nagyobb sebességet igénylő adatok és alkalmazások számára.

Az Intel arra számít, hogy a 3D XPoint Optane SSD-t nagy teljesítményű tárolásra és gyorsítótárazásra, valamint a memória bővítésére és helyettesítésére használják majd. A vállalat előrejelzései szerint a felhasználók akár nyolcszorosára is növelhetik majd a szervermemóriát, és akár 10:1 arányban is kiszoríthatják a DRAM-ot a kiválasztott munkaterheléseknél.

Az Intel a 3D XPoint Optane SSD-kkel a memória bővítésének három módját biztosította:

• az operációs rendszer lapozási mechanizmusa révén, amely a PCIe-csatlakozású SSD-re helyezi ki az adatokat, amikor a DRAM betelik egy munkaterheléshez;
• optimalizált alkalmazások révén; vagy
• az Intel Xeon processzorokon támogatott Memory Drive technológiája révén.

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.