3D XPoint är en minneslagringsteknik som utvecklats gemensamt av Intel och Micron Technology Inc. De två leverantörerna har beskrivit den nya tekniken som ett sätt att fylla en lucka på lagringsmarknaden mellan dynamiskt RAM (DRAM) och NAND flash.
Intel och Micron har utvecklat 3D XPoint-tekniken tillsammans, men de arbetar separat för att utveckla och sälja produkter som använder sig av tekniken.
Hur 3D XPoint-minnet fungerar
I sitt tillkännagivande av tekniken 2015 hävdade Intel och Micron att 3D XPoint skulle vara upp till 1 000 gånger snabbare och ha upp till 1 000 gånger mer uthållighet än NAND-flash, samt ha 10 gånger högre lagringstäthet än konventionellt minne. Tidiga produkter är snabbare och mer hållbara än NAND och tätare än konventionellt minne, men de har inte levt upp till leverantörernas påståenden fullt ut.
3D XPoint har en annan arkitektur än andra flashprodukter. Den sägs vara baserad på fasändringsminnesteknik, med en transistorlös kors-punktsarkitektur som placerar selektorer och minnesceller i korsningen av vinkelräta trådar. Dessa celler, som är tillverkade av ett ospecificerat material, kan nås individuellt med hjälp av en ström som skickas genom de övre och nedre trådarna som berör varje cell. För att förbättra lagringstätheten kan 3D XPoint-cellerna staplas i tre dimensioner.
arkitekturen
Varje cell lagrar en enskild data, vilket gör att en cell representerar antingen en 1 eller en 0 genom en förändring av bulkegenskaperna i cellmaterialet, vilket ändrar cellens motståndsnivå. Cellen kan uppta antingen ett hög- eller lågmotståndstillstånd, och genom att ändra cellens motståndsnivå ändras om cellen läses som en 1 eller en 0. Eftersom cellerna är beständiga behåller de sina värden på obestämd tid, även vid strömavbrott.
Läs- och skrivoperationer sker genom att variera spänningsmängden som skickas till varje väljare. För skrivoperationer skickas en specifik spänning genom ledningarna runt en cell och väljare. Detta aktiverar selektorn och gör det möjligt för spänningen att passera till cellen för att initiera den stora egenskapsförändringen. Vid läsning skickas en annan spänning för att avgöra om cellen befinner sig i ett tillstånd med hög eller låg resistans.
3D XPoint har förmågan att skriva data på bitnivå, vilket är en fördel jämfört med NAND. Alla bitar i ett NAND-flashblock måste raderas innan data kan skrivas. I teorin gör denna förmåga att 3D XPoint kan ha högre prestanda och lägre energiförbrukning än NAND flash.
Större produkter och leverantörer
Intel började leverera sina första 3D XPoint-produkter under våren 2017. Dess 375 gigabyte (GB) Optane SSD DC P4800X-serie skickades till utvalda kunder i mars. En bred tillgänglighet väntas senare under 2017.
Intels Optane-minne för konsumentdatorer skickades senare under våren 2017. Det är en cache-enhet som finns i kapaciteter på 16 GB eller 32 GB. Optane-minnet fungerar endast på datorer med sjunde generationens Intel Core-processorer, som ansluts till en M.2-plats på moderkort med chipset i Intel 200-serien.
Micron planerar att ha 3D XPoint-baserade minnes- och lagringsprodukter tillgängliga under varumärket QuantX under 2017. Både 3D XPoint Optane- och QuantX-produkterna använder samma kärndel för lagring som tillverkas i Intel-Microns gemensamma anläggning för samriskföretag i Lehi, Utah.
3D XPoint-hastighet och prestanda
Med 3D XPoint-arkitekturen behöver data inte längre lagras i block på 4 KB med hjälp av en långsam, filbaserad I/O-stack. Den nya tekniken gör det möjligt att skriva och läsa små datamängder, vilket gör läs- och skrivprocessen snabbare och effektivare än NAND. De första produkterna som använder 3D XPoint-tekniken bekräftar detta, även om de inte har de hastighets- och prestandanivåer som Intel och Micron lovade när de lanserade tekniken.
Som inte är lika snabb som DRAM har 3D XPoint fördelen av att vara ett icke-flyktigt minne. Ur prestanda- och prissynpunkt ligger 3D XPoint-tekniken mellan snabba, men dyra DRAM-minnen och långsammare, men billigare NAND-flash-minnen.
Enligt Intel presterade P4800X-enheten fem till åtta gånger snabbare än företagets NAND-flash-baserade DC P3700 i interna tester vid låga ködjup med en blandad arbetsbelastning. P4800X kan nå så mycket som 500 000 IOPS – eller cirka 2 GBps – vid ett ködjup på 11, hävdade Intel.
Observerare har spekulerat i att PCI Express-bussen (PCIe) som används av P4800X håller den tillbaka från den utlovade hastigheten på 1 000 gånger snabbare än NAND. Andra systemförändringar som tros behövas för att 3D XPoint-tekniken ska kunna uppfylla högre prestandamål är bland annat att separera beständigt från icke beständigt minne när man hanterar fel i maskinkontrollen och att använda en kompilator som gör det möjligt att deklarera beständigt minne, samt att använda länkredigerare som kan bygga in detta minne i en applikation. Programmen i sig måste skrivas om för att eliminera file I/O och för att använda single instruction- och vektoroperationer.
Nonvolatila 3D XPoint DIMM-moduler (dual in-line memory modules) som passar in i DRAM-slots och som använder den dubbla datahastighetsbussen kan också hjälpa 3D XPoint att nå sin fulla prestandapotential.
Kostnad
Intel Optane-minne för datorer kostar 44 dollar för en modul på 16 GB och 79 dollar för en modul på 32 GB.
3D XPoint-användningsområden
3D XPoint används som ett extra lagringslager mellan flash och DRAM. Det är en relativt vanlig praxis att skikta lagring mellan hårddiskar (HDD) och flash. Data med hög intensitet och tillämpningar som drar större nytta av höga hastigheter lagras på flashlagret, medan data och tillämpningar som nås mer sällan lagras på hårddiskar. 3D XPoint är ytterligare ett lagringslager ovanför flash för data och applikationer som behöver ännu högre hastigheter.
Intel förväntar sig att 3D XPoint Optane SSD kommer att användas för högpresterande lagring och caching, samt för att utöka och ersätta minne. Enligt företagets prognoser kommer användarna att kunna öka serverminnet med så mycket som åtta gånger och ersätta DRAM med så mycket som ett 10:1-förhållande för utvalda arbetsbelastningar.
Intel har tillhandahållit tre sätt att utöka minnet med 3D XPoint Optane SSD:
- via en paging-mekanism i operativsystemet som flyttar ut data till den PCIe-anslutna SSD:n när DRAM fylls för en arbetsbelastning;
- via optimerade program; eller
- via Intels Memory Drive Technology som stöds i Xeon-processorer.
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.