3D XPoint is een geheugenopslagtechnologie die gezamenlijk is ontwikkeld door Intel en Micron Technology Inc. De twee leveranciers hebben deze nieuwe technologie beschreven als het vullen van een gat in de opslagmarkt tussen dynamisch RAM (DRAM) en NAND-flash.
Intel en Micron hebben de 3D XPoint-technologie samen ontwikkeld, maar ze werken afzonderlijk aan de ontwikkeling en verkoop van producten die gebruikmaken van de technologie.
Hoe 3D XPoint-geheugen werkt
In hun aankondiging van de technologie in 2015 beweerden Intel en Micron dat 3D XPoint tot 1.000 keer sneller zou zijn en tot 1.000 keer meer uithoudingsvermogen zou hebben dan NAND-flash, en 10 keer de opslagdichtheid van conventioneel geheugen zou hebben. De eerste producten zijn sneller en duurzamer dan NAND en dichter dan conventioneel geheugen, maar ze hebben de beweringen van de leveranciers nog niet helemaal waargemaakt.
3D XPoint heeft een andere architectuur dan andere flash-producten. Het is naar verluidt gebaseerd op phase-change memory-technologie, met een transistor-loze, cross-point architectuur die selectors en geheugencellen op het kruispunt van loodrechte draden plaatst. Die cellen, gemaakt van een niet nader gespecificeerd materiaal, kunnen afzonderlijk worden benaderd door een stroom die wordt gestuurd door de bovenste en onderste draden die elke cel raken. Om de opslagdichtheid te verbeteren, kunnen de 3D XPoint-cellen in drie dimensies worden gestapeld.
architectuur
Elke cel slaat een enkel stukje data op, waardoor een cel een 1 of een 0 weergeeft door een verandering van de bulkeigenschap in het celmateriaal, waardoor het weerstandsniveau van de cel wordt gewijzigd. De cel kan in een hoge of lage weerstandstoestand verkeren, en door het weerstandsniveau van de cel te veranderen, verandert of de cel als een 1 of een 0 wordt gelezen. Omdat de cellen persistent zijn, houden zij hun waarden voor onbepaalde tijd vast, zelfs wanneer er een stroomonderbreking is.
Lees- en schrijfbewerkingen vinden plaats door de hoeveelheid spanning te variëren die naar elke selector wordt gestuurd. Voor schrijfoperaties wordt een bepaalde spanning door de draden rond een cel en selector gestuurd. Hierdoor wordt de selector geactiveerd en kan er spanning naar de cel worden gestuurd om de verandering van de bulkeigenschap in gang te zetten. Voor leesbewerkingen wordt een andere spanning doorgestuurd om te bepalen of de cel in een hoge- of lage-resistentiestatus verkeert.
3D XPoint heeft de mogelijkheid om gegevens op bitniveau te schrijven, een voordeel ten opzichte van NAND. Alle bits in een NAND-flashblok moeten worden gewist voordat gegevens kunnen worden geschreven. In theorie kan 3D XPoint dankzij deze mogelijkheid hogere prestaties leveren en een lager energieverbruik hebben dan NAND-flash.
Grootste producten en leveranciers
Intel is in het voorjaar van 2017 begonnen met het verschepen van zijn eerste 3D XPoint-producten. Zijn 375 gigabyte (GB) Optane SSD DC P4800X-serie werd in maart naar selecte klanten gestuurd. Brede beschikbaarheid wordt later in 2017 verwacht.
Intel Optane-geheugen voor consumenten-pc’s verscheepte later in het voorjaar van 2017. Het is een cache drive die wordt geleverd in 16 GB of 32 GB capaciteiten. Optane-geheugen werkt alleen op pc’s met Intel Core-processors van de zevende generatie, die in een M.2-sleuf op Intel 200-serie chipset-moederborden worden gestoken.
Micron is van plan om in 2017 3D XPoint-gebaseerde geheugen- en opslagproducten beschikbaar te hebben onder het QuantX-merk. Zowel 3D XPoint Optane- als QuantX-producten maken gebruik van dezelfde core-die voor opslag die wordt geproduceerd in de joint venture-faciliteit van Intel-Micron in Lehi, Utah.
3D XPoint-snelheid en -prestaties
Met de 3D XPoint-architectuur hoeven gegevens niet langer te worden opgeslagen in blokken van 4 KB met behulp van een langzame, bestands-I/O-stack. Met de nieuwe technologie kunnen kleine hoeveelheden gegevens worden geschreven en gelezen, waardoor het lees-/schrijfproces sneller en efficiënter verloopt dan bij NAND. De eerste producten die gebruik maken van de 3D XPoint-technologie bewijzen dit, hoewel niet op de snelheids- en prestatieniveaus die Intel en Micron beloofden toen ze de technologie uitrolden.
Hoewel 3D XPoint niet zo snel is als DRAM, heeft het het voordeel dat het niet-vluchtig geheugen is. Vanuit het oogpunt van prestaties en prijs valt 3D XPoint-technologie tussen snelle, maar dure DRAM en langzamere, goedkopere NAND-flash.
Volgens Intel presteerde de P4800X-schijf vijf tot acht keer sneller dan de op NAND-flash gebaseerde DC P3700 van het bedrijf in interne tests bij lage wachtrijdieptes met een gemengde werkbelasting. De P4800X kan maar liefst 500.000 IOPS bereiken — of ongeveer 2 GBps — bij een wachtrijdiepte van 11, aldus Intel.
Observers hebben gespeculeerd dat de PCI Express (PCIe) bus die door de P4800X wordt gebruikt, hem afhoudt van de beloofde snelheid van 1000 keer sneller dan NAND. Andere systeemwijzigingen die nodig worden geacht om de 3D XPoint-technologie aan hogere prestatiedoelstellingen te laten voldoen, zijn onder meer het scheiden van persistent en niet-persistent geheugen bij het afhandelen van machinecontrolefouten en het gebruik van een compiler die het mogelijk maakt persistent geheugen te declareren, samen met het gebruik van link-editors die dat geheugen in een toepassing kunnen inbouwen. De toepassingen zelf moeten worden herschreven om bestands-I/O te elimineren en enkelvoudige instructie- en vectorbewerkingen te gebruiken.
Nonvolatiele 3D XPoint dual in-line geheugenmodules (DIMM’s) die in DRAM-slots passen en de dubbele datasnelheidsbus gebruiken, kunnen 3D XPoint ook helpen zijn volledige prestatiepotentieel te bereiken.
Kosten
Intel Optane-geheugen voor pc’s kost $ 44 voor een module van 16 GB en $ 79 voor een module van 32 GB.
3D XPoint use cases
3D XPoint wordt gebruikt als een extra opslaglaag tussen flash en DRAM. Het is een relatief gangbare praktijk om opslag te rangschikken tussen harde schijven (HDD’s) en flash. Gegevens met een hoge intensiteit en toepassingen die meer baat hebben bij hoge snelheden worden opgeslagen op de flashlaag, terwijl gegevens en toepassingen die minder vaak worden geraadpleegd op schijf worden gezet. 3D XPoint is een andere opslaglaag boven flash voor gegevens en toepassingen die nog hogere snelheden nodig hebben.
Intel verwacht dat de 3D XPoint Optane SSD zal worden gebruikt voor high-performance opslag en caching, maar ook om geheugen uit te breiden en te vervangen. Volgens de prognoses van het bedrijf zullen gebruikers in staat zijn om het servergeheugen tot acht keer te vergroten en DRAM te vervangen met een verhouding van maar liefst 10:1 voor bepaalde werkbelastingen.
Intel biedt drie manieren om het geheugen uit te breiden met 3D XPoint Optane SSD’s:
- via een paging-mechanisme van het besturingssysteem dat gegevens verplaatst naar de PCIe-attached SSD wanneer DRAM vol raakt voor een werklast;
- via geoptimaliseerde applicaties; of
- via Intel’s Memory Drive Technology die wordt ondersteund op zijn Xeon-processors.
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.