3D XPoint

3D XPoint è una tecnologia di memoria sviluppata congiuntamente da Intel e Micron Technology Inc. I due venditori hanno descritto questa nuova tecnologia come il riempimento di un vuoto nel mercato dello storage tra la RAM dinamica (DRAM) e la NAND flash.

Intel e Micron hanno sviluppato la tecnologia 3D XPoint insieme, ma stanno lavorando separatamente per sviluppare e vendere prodotti che fanno uso della tecnologia.

Come funziona la memoria 3D XPoint

Nel loro annuncio del 2015 della tecnologia, Intel e Micron hanno affermato che 3D XPoint sarebbe stato fino a 1.000 volte più veloce e avrebbe avuto fino a 1.000 volte più resistenza di NAND flash, e avrebbe avuto 10 volte la densità di stoccaggio della memoria convenzionale. I primi prodotti sono più veloci e più durevoli di NAND e più densi della memoria convenzionale, ma non sono stati all’altezza delle affermazioni dei venditori.

3D XPoint ha un’architettura diversa dagli altri prodotti flash. Si ritiene che sia basata sulla tecnologia di memoria a cambiamento di fase, con un’architettura a punti incrociati senza transistor che posiziona selettori e celle di memoria all’intersezione di fili perpendicolari. Queste celle, fatte di un materiale non specificato, possono essere raggiunte individualmente da una corrente inviata attraverso i fili superiori e inferiori che toccano ogni cella. Per migliorare la densità di memorizzazione, le celle 3D XPoint possono essere impilate in tre dimensioni.

Ogni cella memorizza un singolo pezzo di dati, facendo sì che una cella rappresenti un 1 o uno 0 attraverso un cambiamento di proprietà di massa nel materiale della cella, che modifica il livello di resistenza della cella. La cella può occupare uno stato di alta o bassa resistenza, e cambiando il livello di resistenza della cella cambia se la cella viene letta come un 1 o uno 0. Poiché le celle sono persistenti, mantengono i loro valori indefinitamente, anche quando c’è una perdita di potenza.

Le operazioni di lettura e scrittura avvengono variando la quantità di tensione inviata a ciascun selettore. Per le operazioni di scrittura, viene inviata una tensione specifica attraverso i fili che circondano una cella e un selettore. Questo attiva il selettore e abilita la tensione attraverso la cella per avviare il cambiamento di proprietà di massa. Per le operazioni di lettura, viene inviata una tensione diversa per determinare se la cella è in uno stato di alta o bassa resistenza.

3D XPoint ha la capacità di scrivere dati a livello di bit, un vantaggio rispetto alla NAND. Tutti i bit in un blocco flash NAND devono essere cancellati prima che i dati possano essere scritti. In teoria, questa capacità permette a 3D XPoint di avere prestazioni più elevate e un consumo energetico inferiore rispetto a NAND flash.

Prodotti e fornitori principali

Intel ha iniziato a spedire i suoi primi prodotti 3D XPoint nella primavera del 2017. I suoi 375 gigabyte (GB) Optane SSD DC P4800X Series sono stati inviati a clienti selezionati in marzo. L’ampia disponibilità è prevista più avanti nel 2017.

La memoria Intel Optane per i PC consumer è stata spedita più tardi nella primavera del 2017. Si tratta di un’unità cache disponibile in capacità di 16 GB o 32 GB. La memoria Optane funziona solo su PC con processori Intel Core di settima generazione, inserendosi in uno slot M.2 sulle schede madri con chipset Intel serie 200.

Micron prevede di avere memoria basata su 3D XPoint e prodotti di storage disponibili sotto il marchio QuantX nel 2017. Entrambi i prodotti 3D XPoint Optane e QuantX utilizzano lo stesso core die per lo storage, prodotto nella struttura della joint venture Intel-Micron a Lehi, Utah.

3D XPoint velocità e prestazioni

Con l’architettura 3D XPoint, i dati non devono più essere memorizzati in blocchi da 4 KB utilizzando un lento stack I/O su file. La nuova tecnologia permette di scrivere e leggere piccole quantità di dati, rendendo il processo di lettura/scrittura più veloce ed efficiente della NAND. I primi prodotti che utilizzano la tecnologia 3D XPoint lo confermano, anche se non ai livelli di velocità e prestazioni che Intel e Micron hanno promesso quando hanno lanciato la tecnologia.

Anche se non è veloce come la DRAM, 3D XPoint ha il vantaggio di essere una memoria non volatile. Dal punto di vista delle prestazioni e del prezzo, la tecnologia 3D XPoint si colloca tra la veloce, ma costosa DRAM e la più lenta ed economica NAND flash.

Secondo Intel, il drive P4800X è stato da cinque a otto volte più veloce del DC P3700 basato su NAND flash della società nei test interni a basse profondità di coda utilizzando un carico di lavoro misto. Il P4800X può raggiungere fino a 500.000 IOPS — o circa 2 GBps — ad una profondità di coda di 11, ha affermato Intel.

Gli osservatori hanno ipotizzato che il bus PCI Express (PCIe) usato dal P4800X lo sta trattenendo dalla velocità promessa di 1.000 volte più veloce del NAND. Altri cambiamenti di sistema ritenuti necessari per la tecnologia 3D XPoint per soddisfare gli obiettivi di prestazioni più elevate includono la segregazione della memoria persistente da quella non persistente quando si gestiscono gli errori di controllo della macchina e l’uso di un compilatore che permette di dichiarare la memoria persistente, insieme all’uso di editor di link che possono costruire quella memoria in un’applicazione. Le applicazioni stesse devono essere riscritte per eliminare l’I/O su file e per usare istruzioni singole e operazioni vettoriali.

I moduli di memoria non volatili 3D XPoint dual in-line (DIMM) che si inseriscono negli slot DRAM e usano il bus a doppia velocità di dati possono anche aiutare 3D XPoint a raggiungere il suo pieno potenziale di prestazioni.

Costo

La memoria Intel Optane per i PC costa 44 dollari per un modulo da 16 GB e 79 dollari per un modulo da 32 GB.

Casi d’uso di 3D XPoint

3D XPoint è usato come uno strato aggiuntivo di memoria tra flash e DRAM. Si tratta di una pratica relativamente comune per classificare lo storage tra le unità disco rigido (HDD) e la memoria flash. I dati ad alta intensità e le applicazioni che beneficiano maggiormente delle alte velocità sono memorizzati sullo strato flash, mentre i dati e le applicazioni a cui si accede meno frequentemente sono messi su disco. 3D XPoint è un altro strato di storage sopra la flash per i dati e le applicazioni che hanno bisogno di velocità ancora maggiori.

Intel si aspetta che il 3D XPoint Optane SSD sarà utilizzato per lo storage ad alte prestazioni e il caching, così come per estendere e sostituire la memoria. Secondo le proiezioni dell’azienda, gli utenti saranno in grado di aumentare la memoria del server fino a otto volte e sostituire la DRAM con un rapporto di 10:1 per carichi di lavoro selezionati.

Intel ha fornito tre modi per estendere la memoria con gli SSD 3D XPoint Optane:

• attraverso un meccanismo di paginazione del sistema operativo che sposta i dati sull’SSD collegato al PCIe quando la DRAM si riempie per un carico di lavoro;
• attraverso applicazioni ottimizzate; o
• attraverso la tecnologia Intel Memory Drive supportata sui suoi processori 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.