什么是3D XPoint？為什么它無人能敵卻又前景堪憂？
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近日，美光宣布將出售位于猶他州Lehi市的3D XPoint存儲芯片工廠，計劃在2021年底前完成出售，并退出3D XPoint技術(shù)業(yè)務(wù)。美光這一決定，使得這項(xiàng)新型存儲技術(shù)的前景更加黯淡。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202105/425827.htm3D Xpoint技術(shù)是美光與英特爾共同開發(fā)的一種非易失性存儲技術(shù)。據(jù)悉，3D Xpoint的延遲速度僅以納秒計算，比NAND閃存速度提升1000倍，耐用性也更高，使得在靠近處理器的位置存儲更多的數(shù)據(jù)成為可能，可填補(bǔ)DRAM和NAND閃存之間的存儲空白。
目前存儲器存在的一些問題
拋開和處理器緊密相關(guān)的高速緩存和寄存器不說，先來看內(nèi)存和外部存儲這兩個級別。目前我們使用的內(nèi)存主要是DRAM：DRAM的核心問題是易失性，其它方面的表現(xiàn)優(yōu)秀 —— 比如在性能上DRAM的延遲很低（納秒級別）、帶寬較為充裕；壽命方面由于原理所致，DRAM壽命很長。
不過，DRAM的存儲需要不停供電，斷電就會丟失存儲的數(shù)據(jù)。從DRAM被發(fā)明出來到現(xiàn)在，DRAM只是不斷地在預(yù)取值和總線上進(jìn)行調(diào)整，核心的存儲架構(gòu)其實(shí)變化不大。
再來看目前廣泛應(yīng)用于存儲設(shè)備的NAND閃存。NAND閃存分為SLC、MLC、TLC等多種分支顆粒。從壽命上說，NAND是有平均讀寫次數(shù)的壽命的，即使是性能最好的SLC NAND顆粒，其壽命也比DRAM小得多。雖然可以通過設(shè)置緩沖空間、平衡磨損算法、提前設(shè)置壽命預(yù)警來確保NAND不會在使用時“掉鏈子”、引發(fā)數(shù)據(jù)丟失，但壽命依舊是NAND在使用中不可回避的問題。
此外，受制于存儲原理，NAND延遲較高，尤其是寫入時存在充電時間，怎么也快不起來，目前只能被用作外部存儲設(shè)備。但在今天，由于之前有性能更低的HDD機(jī)械硬盤的存在，基于NAND顆粒的SSD仍舊讓用戶感受到了性能的巨大提升。
實(shí)際上內(nèi)存和外部存儲之間的性能差距過大，已經(jīng)成為影響用戶體驗(yàn)繼續(xù)提升的瓶頸。所以研究機(jī)構(gòu)一直在提出很多解決方案，試圖解決這個鴻溝，比如相變存儲器、賽道存儲器、全新的高速磁存儲設(shè)備等。直到作為存儲業(yè)界的領(lǐng)軍企業(yè)之一的英特爾和美光，終于將其中一種全新的存儲技術(shù)推向了前臺，這種技術(shù)同時擁有高性能和非易失性兩種特性，這就是今天的主角：3D XPoint。
3D Xpoint技術(shù)發(fā)展歷程
美光與英特爾于2006年開始合作研發(fā)。猶他州Lehi工廠也是美光與英特爾于2006年開始合作后建設(shè)的。然而，這項(xiàng)新型存儲技術(shù)一路行業(yè)波折不斷。歷經(jīng)10年的研發(fā)周期后，英特爾與美光于2016年正式發(fā)布3D Xpoint技術(shù)。
2017年，英特爾推出基于3D Xpoint的存儲設(shè)備傲騰系列。2018年，由于對下一代技術(shù)的發(fā)展認(rèn)識不一致，美光與英特爾達(dá)成協(xié)議，在完成第二代3D Xpoint的開發(fā)后結(jié)束在3D Xpoint上的合作，各自開發(fā)基于3D Xpoint 技術(shù)的第三代產(chǎn)品。2019 年，美光購買了英特爾在Lehi工廠的股份，英特爾與美光簽署代工協(xié)議在Lehi工廠生產(chǎn)。但是英特爾的傲騰系列并不足以充分利用Lehi工廠的產(chǎn)能，美光每年的非GAAP運(yùn)營利潤要因此遭受超過4億美元的損失，使得美光最終決定出售該廠。不過，美光仍將保留其手上與3D XPoint相關(guān)的所有知識產(chǎn)權(quán)。
回顧存儲的發(fā)展歷程，3D Xpoint是自NAND Flash推出以來，最具突破性的一項(xiàng)存儲技術(shù)。由于具備以下四點(diǎn)優(yōu)勢，3D Xpoint被看做是存儲產(chǎn)業(yè)的一個顛覆者：
· 比NAND Flash快1000倍
· 成本只有DRAM的一半
· 使用壽命是NAND的1000倍
· 密度是傳統(tǒng)存儲的10倍
3D XPoint工作原理
3D XPoint工作原理和NAND有本質(zhì)不同。和NAND相比，NAND通過向絕緣浮柵壓入一定數(shù)量的電子從而區(qū)分比特值，3D XPoint是基于阻抗的技術(shù)，通過大量屬性的變化去改變單元的阻抗值，以此來區(qū)分0和1。3D XPoint的結(jié)構(gòu)非常簡單，其由一個選擇器（selector）和一個存儲單元組成，兩者位于一根Wordline和Bitline之間（Crosspoint由此得名）。
在Wordling和Bitliane上加載一個特定電壓值就激活了一個選擇器，使得其中的存儲單元做一個寫操作（即在單元介質(zhì)大量的屬性改變）或讀操作（允許電流通過，檢查存儲單元的阻抗值代表高或低）。
3D XPoint工作原理示意圖
當(dāng)下業(yè)界普遍將希望寄托在EUV身上，而英特爾與美光則稱3D XPoint將（不出所料）兼容EUV光刻，而且存儲單元設(shè)計尺寸可以最大縮水至個位數(shù)納米級別，同時不會對使用幫助/可靠性造成顯著影響（事實(shí)上，隨著物理尺寸的下降，其在某些方面反而有所改善）。
3D XPoint技術(shù)的“定位”
據(jù)英特爾給出的說法是，3D XPoint并不是用于徹底替代DRAM和NAND的技術(shù)，它的定位是計算機(jī)存儲中的一個新的層級，可以在不同的應(yīng)用領(lǐng)域增強(qiáng)目前的存儲結(jié)構(gòu)體系。
從英特爾給出的延遲數(shù)據(jù)來看，3D XPoint產(chǎn)品的讀取延遲大約在10納秒級別（寫入延遲更長一些），和DRAM最低可達(dá)幾納秒還存在一點(diǎn)點(diǎn)差距，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于NAND的微秒級別；壽命方面，3D XPoint的壽命約為百萬級讀寫次數(shù)，相比NAND中MLC的數(shù)千次讀寫提升了幾個數(shù)量級，當(dāng)然，和DRAM還是沒法比；帶寬方面，多通道技術(shù)的應(yīng)用使得3D XPoint在帶寬上并不存在什么劣勢。
在英特爾的官方宣傳中，3D XPoint擁有NAND類似的容量和DRAM類似的性能。包括比NAND速度快（應(yīng)該是指延遲低）1000倍以上，壽命是NAND的1000倍以上，數(shù)據(jù)密度則達(dá)到了DRAM的十倍以上。
英特爾認(rèn)為，這樣的性能可以讓用戶根據(jù)不同的需求來選擇新的存儲系統(tǒng)組合，比如可以選擇組成DRAM+3DXPoint+NAND三級存儲系統(tǒng)，或者是3D XPoint接管DRAM+NAND，亦或者組成DRAM+3D XPoint的方案，甚至也可以是3D XPoint+NAND的系統(tǒng)，不同方案的成本、側(cè)重點(diǎn)和性能都有所不同，結(jié)局是開放性的，并沒有氣勢洶洶地取代誰，而是根據(jù)市場選擇來搭配合適的方案。
一般來說，一個產(chǎn)品的市場定位是由其在市場中所處的性能位置所決定的。目前3D XPoint的性能定位在DRAM之下、NAND之上，但是更偏向于DRAM，因此也應(yīng)該具有類似的市場定位。考慮到目前DRAM的價格，可以說3D XPoint的價格應(yīng)該不會太便宜。
另一方面，英特爾自己也有龐大的NAND工廠和不小的市場份額，3DXPoint無論從技術(shù)上還是商業(yè)利益上來看，都不會在目前這個時候去搶NAND的飯碗。而如果從企業(yè)級和消費(fèi)級來劃分，按照慣例，產(chǎn)品成熟后，英特爾顯然會更傾向于將這一新技術(shù)首先運(yùn)用于面向利潤較高的企業(yè)級產(chǎn)品中。
3D XPoint技術(shù)的應(yīng)用
得益3D Xpoint技術(shù)的自身優(yōu)勢，它能被廣泛應(yīng)用在游戲、媒體制作、基因組測序、金融服務(wù)交易和個體化治療等領(lǐng)域。下面介紹3D Xpoint的一些應(yīng)用示例，我們可以看出，3D Xpoint未來的應(yīng)用非常有潛力。
· 3D XPoint最直接的應(yīng)用將是作為DRAM和SSD之間的中間層：在計算機(jī)歷史中，在存儲器和處理器間構(gòu)建了許多中間層、比片上緩存、片下緩存、緩存SSD等，3D XPoint內(nèi)存作為存儲介質(zhì)很適合這個分層結(jié)構(gòu)，可以填補(bǔ)DRAM和現(xiàn)今最快速的非易失性存儲之間的空白。當(dāng)作為另一層緩存，3D XPoint可以進(jìn)一步加速目前受限于容量或者存儲器延遲的應(yīng)用。
· 使用3D XPoint的服務(wù)器：英特爾和美光迫不及待地指出了這個技術(shù)在“大型科學(xué)”上的應(yīng)用，此類項(xiàng)目和系統(tǒng)有大型強(qiáng)子對撞機(jī)和Oak Ridge公司的Titan超級計算機(jī)，這些設(shè)備會產(chǎn)生巨量的數(shù)據(jù)。然而處理器遇到了麻煩，如何處理所有這些的數(shù)據(jù)是首要和最重要的需求，把數(shù)據(jù)傳給處理器同樣也是大問題。如果獨(dú)立處理器可以像訪問DRAM那樣訪問SSD級別容量的數(shù)據(jù)池，任何收益于此機(jī)制的分析系統(tǒng)都可以從3D XPoint獲益。
· 金融行業(yè)可能會率先采用3D XPoint：因?yàn)榻鹑谛袠I(yè)最傾向于使用重要的技術(shù)，以使得自己在高度競爭和賺錢的領(lǐng)域中占據(jù)領(lǐng)先。從這個角度而言，3D XPoint倒不會增加太多處理速度，數(shù)據(jù)處理工作已經(jīng)盡可能部署到大容量DRAM池中了，但是3D XPoint可以讓交易員和分析師更高效地運(yùn)行大數(shù)據(jù)集模擬程序。
由于3D XPoint是一個前所未有的技術(shù)，不可能一次想到所有將來3D XPoint的潛在應(yīng)用。3D XPoint有潛力改變現(xiàn)代計算機(jī)體系架構(gòu)和我們看待計算的方式，但這種轉(zhuǎn)換并非一夜之間，可能也需要其他廠商有相應(yīng)的競爭技術(shù)去滿足需求。然而很明確的一點(diǎn)是，3D XPoint很可能會把我們帶入內(nèi)存和計算的一個新時代。
3D XPoint技術(shù)還有很多可以咀嚼消化。盡管DRAM和NAND在幾十年中已經(jīng)改進(jìn)并縮小了很多，但3D XPoint的發(fā)布仍然算得上是自1989年發(fā)明NAND以來存儲行業(yè)前所未有的大事件。3D XPoint實(shí)際上是一個全新種類的存儲器。其速度快，耐用，可擴(kuò)展并且非易失，而DRAM和NAND各自只能達(dá)到其中兩個標(biāo)準(zhǔn)。3D XPoint填補(bǔ)了DRAM和NAND之間的空白，利用這兩種技術(shù)最佳的特性創(chuàng)造出了我們從未見過的一種內(nèi)存。
3D XPoint尚需克服的技術(shù)難點(diǎn)
美光決定退出3D Xpoint，與該技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程不佳有著重要關(guān)系。據(jù)悉，目前只有英特爾的傲騰系列采用3D Xpoint技術(shù)。美光曾公布了幾款基于3D XPoint閃存芯片的存儲設(shè)備，例如X100，但一直沒有正式上市。此外，3D Xpoint一直沒能成功建立起完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。美光公司首席商務(wù)管蘇米特·薩達(dá)納在接受媒體采訪時曾表示，很多客戶對X100并不滿意，因?yàn)樗麄儽仨氈貙懘蟛糠周浖拍芾眯滦蛢?nèi)存，因此該款產(chǎn)品發(fā)售數(shù)量非常有限。
未來，3D Xpoint技術(shù)將會如何發(fā)展頗為引人關(guān)注。據(jù)悉，英特爾將在新墨西哥州的晶圓廠中為自己的傲騰產(chǎn)品線生產(chǎn)3D XPoint芯片。雖然英特爾已經(jīng)將NAND閃存業(yè)務(wù)出售給了SK海力士，但仍可能接盤美光Lehi工廠以保證自己產(chǎn)品線的供應(yīng)。畢竟英特爾在數(shù)據(jù)中心等企業(yè)產(chǎn)品線中仍然提供使用3D XPoint技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品。但是，如果3D Xpoint僅僅停留在這種商業(yè)化程度，這項(xiàng)新型存儲技術(shù)的前景依然不夠明朗。
目前，3D XPoint想要大規(guī)模量產(chǎn)仍有一些挑戰(zhàn)需要克服。首先，3D XPoint需要用到大約100種新的制造原料。在這些原料中，有些原料目前的供應(yīng)量非常有限，因此需要仔細(xì)調(diào)整供應(yīng)鏈。
其次，由于3D Xpoint需要更多道工序，加工廠需要把廠房用地以及初始資本增加大約3到5倍。例如，生產(chǎn)第一代3D XPoint內(nèi)存需要占地2.5平方米的濕加工設(shè)備能在每小時處理180塊晶圓，而到了第二代3D XPoint就需要占地相同的設(shè)備每小時處理1000塊晶圓，3D XPoint加大了加工廠對于廠房和資本的需求。另外，3D XPoint也需要生產(chǎn)力更強(qiáng)的設(shè)備。
以上的挑戰(zhàn)都增加了3D XPoint的成本。然而，對于3D XPoint市場，成本是關(guān)鍵。第二代3D XPoint可以實(shí)現(xiàn)四層層疊，而其售價大約是DRAM的一半。從目前的市場趨勢來看，如果3D XPoint的成本沒法做到DRAM的一半以下，消費(fèi)者會更傾向于使用DRAM而不是3D XPoint。由于DRAM仍保持著每年大約30%的成本下降速度，3D XPoint想要保持成本比DRAM低一半的難度并不小。
除了3D XPoint自身的技術(shù)難點(diǎn)外，來自于其他新內(nèi)存技術(shù)的挑戰(zhàn)也不容小覷。
例如，軟件NVDIMM-P就是一個有力的挑戰(zhàn)者。軟件NVDIMM-P使用軟件算法來預(yù)測數(shù)據(jù)的訪問頻率，并依據(jù)訪問頻率的預(yù)測把數(shù)據(jù)存放到DRAM（存放高訪問頻率數(shù)據(jù)）或NAND（訪問低訪問頻率數(shù)據(jù)）中。這樣的技術(shù)可以平衡成本和性能，因?yàn)镈RAM訪問速度較快但是成本高，而NAND成本低存儲密度大但是訪問速度較慢。顯然，軟件NVDIMM-P的綜合性能取決于軟件算法和應(yīng)用場合，在有些應(yīng)用中軟件NVDIMM-P算法的預(yù)測準(zhǔn)度較高但是在另一些應(yīng)用中數(shù)據(jù)的訪問頻率卻很難預(yù)測。
3D Super-NOR也非常有潛力。3D Super-NOR技術(shù)使用3D堆疊技術(shù)并能提供很低的延遲。而且，3D Super-NOR的制造工藝相比3D XPoint來說要簡單，并不需要新材料。3D Super-NOR的制造商BeSang宣稱3D Super-Nor可以實(shí)現(xiàn)成本比3D XPoint低十倍，當(dāng)然我們?nèi)匀恍枰?D Super-NOR真正量產(chǎn)才能驗(yàn)證它能否取代3D XPoint。
3D XPoint的市場潛力巨大，然而其復(fù)雜的制造工藝導(dǎo)致成本居高不下，在近期3D XPoint仍然很難取代DRAM。但我們應(yīng)該保持樂觀的態(tài)度。
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