Объясняем. Что революционного в памяти 3D XPoint и накопителях Intel Optane

1. Что такое 3D XPoint и Intel Optane?

3D XPoint — это принципиально новая энергонезависимая память, конкурент NAND — технологии, по которой с 1989 года делают флеш- и SSD-накопители. Эпитет «революционный» используется неспроста. Даже в прошлом году, после первой презентации, оставалось вопросом, что же такое 3D XPoint. Изначально считалось, что мы имеем дело с разновидностью технологии ReRAM, использующей мемристоры. В них для создания логического нуля и единицы в ячейке меняется сопротивление. В NAND, как известно, данные записываются путем удерживания электрона в затворе транзистора.

В то же время генеральный директор компании IM Flash Гай Блелок недавно заявил, что 3D XPoint опирается на эффект обратимого изменения фазового состояния вещества — на память PRAM (Phase-change Random Access Memory), разработанную еще в 60-х года прошлого столетия. В ней за единицу информации принимают поведение особого химического соединения — халькогенида, который при нагреве перетекает из кристаллического состояния в аморфное. Однако Яна Кутресса, сотрудника anandtech.com, представители Intel уверили в том, что никаких материалов с фазовым переходом в 3D XPoint не используется. Возможно, мы имеем дело с гибридной технологией. Вероятно, подобная секретность со стороны Intel и Micron обусловлена потенциальными патентными разбирательствами.

Intel Optane — это серия накопителей, в которых используется память 3D XPoint.

2. Как устроена память 3D XPoint?

Структура 3D XPoint весьма проста. Пары из селектора и ячейки памяти располагаются на пересечении перпендикулярных рядов проводников — wordline и bitline. Отсюда и название: XPoint — читается как crosspoint, пересечение. При подаче определенного напряжения активируется селектор и происходит считывание или запись. При этом, в отличие от памяти DRAM, к каждой ячейке не прилагается по сравнительно сложному (и дорогому) транзистору.

Вторая часть в названии — аббревиатура 3D — означает, что ячейки на кристалле расположены в несколько слоев. Первое поколение 3D XPoint получило двуслойную структуру и выполняется по 20-нанометровому техпроцессу. С последующим применением EUV-литографии (подробно о технологии) и усложнением технологии производства до 10 нанометров структура 3D XPoint будет расти во всех измерениях. Micron уже работает над вторым поколением. Плотность упаковки ячеек у 3D XPoint выше в 8-10 раз, чем у NAND.

В теории ячейка 3D XPoint способна хранить несколько бит, но представители Intel и Micron подчеркивают, что сейчас задачи по созданию подобного типа памяти не стоит.

Принципиальное отличие нового типа памяти в сравнении с NAND заключается в том, что к каждой ячейке 3D XPoint предусмотрен индивидуальный доступ. Такой подход упрощает операции по сбору мусора, экономит энергию и не требует разработки сложного управляющего контроллера.

3. Чем 3D Xpoint так хороша, что о ней все говорят?

У 3D XPoint два плюса: высокая скорость работы и не менее высокая надежность. Теоретически заявлено, что совместное детище Intel и Micron в 1000 раз быстрее флеша и во столько же раз выносливее. При этом 3D XPoint приблизительно на порядок медленнее оперативной памяти стандарта DDR4.

Допустим, заявление Intel/Micron о надежности новой памяти — правда. Если спроецировать 1000-кратное превосходство в надежности на MLC NAND, то ячейки 3D XPoint будут перезаписываться несколько миллионов раз. Предположим, у Optane есть 3 000 000 циклов. В таком случае накопитель объемом 256 Гбайт получит жизненный ресурс в размере 768 Пбайт. Это запись данных объемом 420 Тбайт ежесуточно или 4,9 Гбайт в секунду!

По размеру данных 3D XPoint и NAND сопоставимы.

4. Насколько быстры накопители Intel Optane?

Пока прототипы на 3D XPoint не обладают скоростями, которыми Intel хвастает на всевозможных презентациях. В прошлом году глава Intel Брайан Кржанич продемонстрировал рабочий прототип Optane с шиной PCI Express, который оказался в семь раз быстрее серверного SSD Intel DC P3700 (по количеству операций в секунду).

На днях Intel снова продемонстрировала возможности накопителя Optane. На этот раз на глазах у публики провели опыт, в котором устройство на базе 3D XPoint скопировало файл объемом 25 гигабайт всего за 15 секунд: скорость накопителя составила 1,95 Гбайт/с. NAND-накопитель с интерфейсом SATA 3.0 с аналогичной задачей справился за 100 секунд, то есть оказался почти в семь раз медленнее. А после того, как иссяк SLC-кэш, скорость записи у 2,5-дюймового SSD упала до 284 Мбайт/с. Optane работал стабильнее.

Быстродействие порядка 2 Гбайт/с — не рекорд. Поэтому показанный эксперимент — чистой воды маркетинг. Во-первых, нет никакого заявленного 1000-кратного превосходства над NAND. Во-вторых, в продаже есть, например, модель Samsung 950 PRO (обзор), которая работает со скоростью 2500/1500 Мбайт/с в последовательных операциях чтения/записи. Intel не хочет сразу же выпускать устройства с максимально возможной производительностью. Или не может?

5. Какими будут устройства на базе 3D XPoint?

Накопители для потребительских устройств появятся сразу в нескольких форм-факторах: от классических 2,5-дюймовых накопителей с разъемом U.2 до плат M.2 и дискретных карт PCI Express x4 3.0. Ходят слухи, что 3D XPoint появится уже в этом году в новых Apple MacBook PRO.

Первые коммерческие Optane пропишутся в серверах. Они получат интерфейсы PCI Express 3.0 х4 и NVDIMM с 288 контактами (энергонезависимые модули DDR4). В первом случае 3D XPoint обеспечит производительность на уровне 3200 Мбайт/с. Во втором случае будет обеспечена совместимость только с новыми Intel Xeon E5 v5 поколения Broadwell-EP. Скорость чтения/записи накопителя форм-фактора NVDIMM составит 6 Гбайт/с, хотя пропускная способность стандарта PC4-19200 (DDR4-2400) составляет 19,2 Гбайт/с на канал.

6. Сколько стоит память 3D XPoint?

Официальных данных нет. Но многие эксперты говорят о том, что стоимость 3D XPoint расположится аккурат между флеш-памятью NAND и DRAM, на которой строят модули оперативной памяти. Прошлым летом Intel показала первые микросхемы емкостью 128 Гбит. Аналогичный чип MLC NAND стоит в среднем 7,5 долларов. Микросхема 3D XPoint, по разным оценкам, обойдется приблизительно в пять раз дороже.

7. Существуют ли схожие технологии?

Да, например, HP и SanDisk работают над энергонезависимой памятью Storage Class Memory (SCM). В ее основу легла технология ReRAM на основе мемристоров. Преимущества SCM все те же: скорость и надежность в 1000 раз больше, чем у флеш-памяти NAND.

8. Когда Intel Optane появится в продаже?

Осенью этого года. Скорее всего, это будут серверные устройства.