如何讓閃存快1000倍？Intel 采用3D XPoint 技術(shù)的秘密

　　摘要：前不久，英特爾與美光即將開始生產(chǎn)速度更快的新式內(nèi)存芯片，據(jù)兩家公司表示，其中的新技術(shù)將改變計算機(jī)存取大量數(shù)據(jù)的方式。兩家公司在聲明中表示，新芯片中的“3D XPoint”技術(shù)是25年來內(nèi)存芯片市場上首次出現(xiàn)的主流新技術(shù)速度比目前市場上的閃存快1000倍，這種芯片可用于移動設(shè)備存儲數(shù)據(jù)，同時被越來越多的電腦使用。

　　美光總裁馬克·亞當(dāng)斯(Mark Adams)在聲明中表示：“在現(xiàn)代計算機(jī)中，最大的一項障礙便是處理器在長期存儲設(shè)備中找到數(shù)據(jù)的時間太長。這種新的、非短期的內(nèi)存是一項技術(shù)革命。它可以快速存取巨量數(shù)據(jù)集，支持全新的應(yīng)用。

　　長期以來，儲存器的速度和容量都是計算機(jī)的最大瓶頸，即使在SSD硬盤已經(jīng)普及的今天也不例外。為了硬盤的速度，我們搞出來Raid 0，從機(jī)械硬盤進(jìn)化到閃存盤，但是儲存器本身的存儲速度還是慢慢進(jìn)步的，英特爾與美光搞得這個革命性的東西是什么呢?為什么會快到如此地步呢?

　　一、傳統(tǒng)閃存是怎么干活的?

　　我們正在使用的閃存雖然發(fā)展了很多年，但是本質(zhì)上還是利用一個個微小的晶體管來儲存數(shù)據(jù)。

　　晶體管是NAND芯片的核心。NAND芯片靠電子在晶體管的“浮動?xùn)?rdquo;來回移動工作。

　　(編者注：NAND閃存是1989年問世的第一代非易失性存儲技術(shù)。非易失性存儲意味著在關(guān)掉電源的情況下還能存儲數(shù)據(jù)。)

　　浮動?xùn)虐粚庸柩趸そ^緣體。它是控制傳導(dǎo)電流的選擇控制柵。閃存晶體管里面數(shù)據(jù)是0或1取決于在硅底板上形成的浮動?xùn)胖惺欠裼须娮?。有電子就?，沒電子為1。

　　閃存在存取數(shù)據(jù)的時候，要先把所有單元的電子都清掉，具體說就是從所有浮動?xùn)胖袑?dǎo)出電子。即將有所數(shù)據(jù)歸“1”。寫入時只有數(shù)據(jù)為0時才進(jìn)行寫入，數(shù)據(jù)為1時則什么也不做。

　　要寫入就是施加高電壓，讓電子就會突破氧化膜絕緣體，進(jìn)入浮動?xùn)拧Ｓ须娮恿?，這個晶體管就是0了，這樣寫入就完成了。

　　而讀取數(shù)據(jù)時，就施加一定的電壓，因為硅底板上的浮動?xùn)庞械挠须娮樱械臎]電子，同樣施加電壓，出來的電流就不一樣，這樣就能讀出0或者1。

　　因為你得先擦除再寫入，所以閃存的速度不如內(nèi)存快，用英特爾總裁羅勃·克魯克比喻說：“這有點(diǎn)像一個停車場，要想移動一輛車，會讓其他汽車擠在一起。你不得不把它們重新排列，才能讓一個新的汽車進(jìn)來。”

　　此外，你存一次數(shù)據(jù)，就得加一個高電壓穿過絕緣氧化膜。這個膜不是無限壽命的，高電壓次數(shù)加多了，這個膜就失效了。這個時候閃存就沒法用了，就是我們說的閃存的壽命到了。

　　另外，晶體管的大小是跟著制造工藝來的，摩爾定律發(fā)展到哪一步，就有哪一步的速度和容量，不會有突破性發(fā)展。

　　速度、容量、壽命就成了閃存的三大問題。

　　二、3D XPoint的突破

　　新存儲芯片是一種多層線路構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)，每一層上線路互相平行，并與上下層的線路互成直角，層與層間的有“柱子”似的線在上下層的交錯點(diǎn)連接。

　　橫向的層是絕緣層，每根“柱子”分兩節(jié)，一節(jié)是“記憶單元”，用來存數(shù)據(jù)，記憶單元能存儲一個比特的數(shù)據(jù)，代表二進(jìn)制代碼中的一個1或0;一節(jié)是一個“選擇器”，選擇器允許讀寫特定的記憶單元，通過改變線路電壓來控制訪問。

　　現(xiàn)在有意思的就是這個“記憶單元”，它不是晶體管。這意味著和傳統(tǒng)閃存完全不同，所以他才能有更大儲存密度，更快的速度。

　　但是它是什么?用什么材料?英特爾與美光打死也不說，我們只能推測。

　　其實，不用晶體管的儲存器，這些年一直在搞。cross-point架構(gòu)舍棄了晶體管，采用柵狀電線(a latticework of wires)電阻來表示0和1，高電阻狀態(tài)時，電不能輕易通過，cell表示0，當(dāng)處于低電阻時，cell表示1。

　　這種用電阻差異來存數(shù)據(jù)的東西叫電阻式RAM(簡稱RRAM)，三星、閃迪等巨頭都在投入，但是真正接近實用化的是一家名為Crossbar的創(chuàng)業(yè)公司(首席科學(xué)家個叫盧偉的華裔)，它在2013年推出了郵票大小的ReRAM產(chǎn)品原型，它可以存儲1TB數(shù)據(jù)。2014年已經(jīng)進(jìn)入準(zhǔn)備商用的階段。Crossbar的架構(gòu)圖和英特爾、鎂光的這個3D XPoint的架構(gòu)圖就很接近了。

　　鎂光在2014年也拿出來索尼聯(lián)合研發(fā)ReRAM，原理類似，還公布了一些材料的信息。如今時隔不到一年，這個3D XPoint我們相信就是個新名詞而已。

　　本質(zhì)上，它就是電阻式RAM，架構(gòu)參考了Crossbar的架構(gòu)。材料上鎂光有了一定的突破，最后加上Intel的工藝，基本可以把這個東西實用化，這就是3D XPoint。

　　三、3D XPoint能干什么?

　　不考慮成本的話，這個東西是目前儲存器的良好替代品，壽命比機(jī)械硬盤還長，速度比閃存快1000倍，接近內(nèi)存的速度，容量密度還很大。要求低一點(diǎn)的計算設(shè)備，可以一種儲存器打天下了。

　　對于要求高的地方，它可以在內(nèi)存和硬盤之間當(dāng)一個緩沖，類似于現(xiàn)在SSD盤這么一個角色，需要快速讀取寫入的，用3D XPoint，不需要的還是用硬盤。只是相對于現(xiàn)在的SSD盤，它的速度更快，壽命更長，容量更大。

　　這個東西初期價格會很高，會先應(yīng)用于超級計算機(jī)，高性能服務(wù)器這些不差錢的地方。但是因為這個東西的制造工藝和現(xiàn)在的半導(dǎo)體芯片沒有太大區(qū)別，技術(shù)搞清楚后很多廠都可以做，價格也會很快下來。樂觀估計，大約5年內(nèi)這類東西就會普及。也許5年后我們的電腦手機(jī)很快就會用上。