3D XPoint

3D XPoint to technologia pamięci masowej opracowana wspólnie przez firmy Intel i Micron Technology Inc. Obaj producenci opisali tę nową technologię jako wypełnienie luki na rynku pamięci pomiędzy dynamiczną pamięcią RAM (DRAM) a pamięcią NAND flash.

Intel i Micron opracowały technologię 3D XPoint wspólnie, ale pracują osobno nad rozwojem i sprzedażą produktów wykorzystujących tę technologię.

Jak działa pamięć 3D XPoint

W ogłoszeniu technologii w 2015 roku Intel i Micron twierdziły, że 3D XPoint będzie do 1000 razy szybszy i będzie miał do 1000 razy większą wytrzymałość niż NAND flash, a także będzie miał 10-krotnie większą gęstość zapisu niż konwencjonalna pamięć. Wczesne produkty są szybsze i bardziej wytrzymałe niż NAND i gęstsze niż pamięć konwencjonalna, ale nie spełniły w pełni oczekiwań sprzedawców.

3D XPoint ma inną architekturę niż inne produkty flash. Mówi się, że jest ona oparta na technologii pamięci z wymianą fazy, z architekturą bez tranzystorów, z punktami krzyżowymi, która umieszcza selektory i komórki pamięci na przecięciu prostopadłych przewodów. Komórki te, wykonane z nieokreślonego materiału, mogą być dostępne indywidualnie dzięki prądowi przesyłanemu przez górne i dolne przewody dotykające każdej komórki. Aby zwiększyć gęstość pamięci, komórki 3D XPoint można układać w stosy w trzech wymiarach.

Każda komórka przechowuje pojedynczy element danych, dzięki czemu komórka reprezentuje 1 lub 0 poprzez zmianę właściwości materiału komórki, która modyfikuje poziom oporu komórki. Komórka może znajdować się w stanie wysokiej lub niskiej rezystancji, a zmiana poziomu rezystancji komórki zmienia to, czy komórka jest odczytywana jako 1 czy 0. Ponieważ komórki są trwałe, zachowują swoje wartości w nieskończoność, nawet w przypadku utraty zasilania.

Operacje odczytu i zapisu odbywają się poprzez zmianę ilości napięcia wysyłanego do każdego selektora. W przypadku operacji zapisu, określone napięcie jest przesyłane przez przewody wokół komórki i selektora. Aktywuje to selektor i umożliwia przepływ napięcia do ogniwa w celu zainicjowania zmiany właściwości masowych. W przypadku operacji odczytu, inne napięcie jest przesyłane, aby określić, czy komórka jest w stanie wysokiej czy niskiej rezystancji.

3D XPoint ma możliwość zapisu danych na poziomie bitów, co stanowi przewagę nad NAND. Wszystkie bity w bloku NAND flash muszą zostać wymazane, zanim dane mogą zostać zapisane. W teorii, ta zdolność umożliwia 3D XPoint mieć wyższą wydajność i niższe zużycie energii niż NAND flash.

Główne produkty i dostawcy

Intel rozpoczął wysyłkę swoich pierwszych produktów 3D XPoint na wiosnę 2017 roku. Jego 375-gigabajtowy (GB) dysk Optane SSD DC P4800X Series został wysłany do wybranych klientów w marcu. Szeroka dostępność spodziewana jest w dalszej części 2017 roku.

Pamięć Optane firmy Intel dla komputerów konsumenckich została dostarczona później wiosną 2017 roku. Jest to dysk pamięci podręcznej dostępny w wersjach o pojemności 16 GB lub 32 GB. Pamięć Optane działa tylko na komputerach z procesorami Intel Core siódmej generacji, podłączając się do gniazda M.2 na płytach głównych z chipsetem Intel serii 200.

Micron planuje, że w 2017 r. pamięć i produkty pamięci masowej oparte na technologii 3D XPoint będą dostępne pod marką QuantX. Oba produkty 3D XPoint Optane i QuantX wykorzystują tę samą matrycę do przechowywania danych produkowaną w zakładzie joint venture Intel-Micron w Lehi w stanie Utah.

Szybkość i wydajność 3D XPoint

Dzięki architekturze 3D XPoint dane nie muszą już być przechowywane w blokach o rozmiarze 4 KB przy użyciu powolnego, plikowego stosu I/O. Nowa technologia umożliwia zapis i odczyt małych ilości danych, dzięki czemu proces odczytu/zapisu jest szybszy i bardziej wydajny niż w przypadku pamięci NAND. Pierwsze produkty wykorzystujące technologię 3D XPoint potwierdzają to, choć nie na poziomie prędkości i wydajności, które Intel i Micron obiecywały, gdy wprowadzały tę technologię na rynek.

Choć nie tak szybka jak DRAM, 3D XPoint ma tę zaletę, że jest pamięcią nieulotną. Z punktu widzenia wydajności i ceny, technologia 3D XPoint plasuje się pomiędzy szybką, ale kosztowną pamięcią DRAM, a wolniejszą i tańszą NAND flash.

Według firmy Intel, dysk P4800X działał od pięciu do ośmiu razy szybciej niż firmowy dysk DC P3700 oparty na pamięci NAND flash w wewnętrznych testach przy niskiej głębokości kolejki, wykorzystując mieszane obciążenie. P4800X może osiągnąć nawet 500 000 IOPS — lub około 2 GBps — przy głębokości kolejki 11, twierdzi Intel.

Obserwatorzy spekulowali, że magistrala PCI Express (PCIe) używana przez P4800X powstrzymuje go przed osiągnięciem obiecanej prędkości 1000 razy szybszej niż NAND. Inne zmiany systemowe uważane za konieczne, aby technologia 3D XPoint mogła osiągnąć wyższą wydajność, obejmują oddzielenie pamięci trwałej od nietrwałej podczas obsługi błędów kontroli maszynowej oraz użycie kompilatora, który umożliwia zadeklarowanie pamięci trwałej, wraz z użyciem edytorów linków, które mogą wbudować tę pamięć w aplikację. Same aplikacje muszą zostać przepisane tak, aby wyeliminować operacje wejścia/wyjścia plików oraz wykorzystywać pojedyncze instrukcje i operacje wektorowe.

Nieulotne moduły pamięci 3D XPoint dual in-line (DIMMs), które mieszczą się w slotach DRAM i wykorzystują magistralę o podwójnej prędkości przesyłu danych również mogą pomóc 3D XPoint w osiągnięciu pełnego potencjału wydajnościowego.

Koszt

Pamięć Intel Optane dla komputerów PC wynosi $44 za moduł 16 GB i $79 za moduł 32 GB.

Przypadki użycia 3D XPoint

3D XPoint jest używany jako dodatkowa warstwa pamięci pomiędzy pamięcią flash i DRAM. Stosunkowo powszechną praktyką jest tworzenie warstw pamięci masowej pomiędzy dyskami twardymi (HDD) a pamięcią flash. Dane o wysokiej intensywności i aplikacje, które bardziej korzystają z wysokich prędkości są przechowywane na warstwie flash, podczas gdy dane i aplikacje, do których dostęp jest rzadszy są umieszczane na dysku. 3D XPoint to kolejna warstwa pamięci masowej nad flash dla danych i aplikacji, które wymagają jeszcze większych prędkości.

Intel oczekuje, że 3D XPoint Optane SSD będzie wykorzystywany do wysokowydajnego przechowywania i buforowania, a także do rozszerzania i zastępowania pamięci. Według prognoz firmy, użytkownicy będą mogli zwiększyć pamięć serwera nawet ośmiokrotnie i zastąpić DRAM w stosunku 10:1 dla wybranych obciążeń.

Intel przewidział trzy sposoby rozszerzenia pamięci za pomocą dysków SSD 3D XPoint Optane:

• poprzez mechanizm stronicowania systemu operacyjnego, który przenosi dane na dysk SSD podłączony do złącza PCIe, gdy DRAM zapełnia się dla danego obciążenia;
• poprzez zoptymalizowane aplikacje; lub
• poprzez technologię Intel Memory Drive obsługiwaną przez procesory 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.