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3D XPoint——是NAND闪存杀手还是DRAM的替代品?

2015年,作为自NAND闪存以来的首项新型非易失性,规模化存储技术,3D XPoint由开发伙伴英特尔和美光首次发布,当时称其速度和耐久性都是NAND闪存的1000倍,引起巨大轰动。

但后来证实这个性能比只是理论上的,3D XPoint的实际测试结果是比NAND的速度快10倍,后者需要在新数据写入之前擦除现有数据。此外,这个新的固态存储器可能因为价格约为DRAM的一半(虽然比NAND要贵)而在数据中心如鱼得水。

与此同时,随着交易型数据的增长,云计算,数据分析和新一代工作负载将需要更高的性能存储。

Gartner半导体与NAND闪存研究副总裁,Joseph Unsworth表示:“这是一项重要的技术,它将对数据中心的使用产生重大影响,而对PC方面影响程度较小。不论是超大规模数据中心,云服务提供商还是传统企业级存储客户,它们都对这项技术感兴趣。”

虽然3D XPoint不会让公司彻底淘汰和更换它们的所有服务器DRAM,但它能让IT经理通过更换其中的一部分来降低成本,同时也增强了其基于NAND闪存的SSD性能。

3D XPoint是什么?简而言之,它是一种非易失性固态存储新形式,性能和耐久性比NAND闪存高得多。而价格方面,它处于DRAM和NAND之间。

目前DRAM的成本在每GB容量5美元左右; NAND约为每GB容量25美分。据Gartner介绍,3D XPoint预计在大批量购买基础上,每GB容量成本约2.40美元。至少到2021年,它的成本都要高于NAND。

虽然英特尔和美光都没有详细说明3D XPoint是什么,但它们表示,3D XPoint不是基于电子的存储。就像闪存和DRAM一样,它不使用晶体管。双方还表示,它也不是电阻式RAM(ReRAM)或忆阻器——被认为是NAND未来可能的竞争对手的两种新兴非易失性存储技术。

这个(由存储专家支持的)排除法得出的结论是,3D XPoint是一种相变存储器,因为美光先前开发了这项技术并且它的特性与3D XPoint非常类似。

PCM是一种非易失性存储器的形式,是将玻璃状材料(我们称为硫属化物)从结晶到非结晶状态的相互转化产生的导电性差异来存储数据。该描述与美光流程集成主管,Russ Meyer公开表示的,存储元件本身只是在两个不同的电阻状态之间移动的说法相符。在PCM中,非晶态的高电阻读作二进制0;较低电阻的结晶状态读为1。

为什么3D XPoint会如此受关注?因为3D XPoint技术跨PCIe/NVMe接口提供了10倍的NAND闪存性能,和1000倍的耐久性。NAND闪存的1000倍耐久性将超过一百万次的擦写周期,这意味着新的内存将能够处于不败之地。

相比之下,现在NAND闪存持续3000到10000次的擦写周期。采用磨损均衡和纠错软件可以改善擦写周期,但仍不能接近100万次擦写周期。

3D XPoint的低延迟——是NAND闪存的千分之一,DRAM延迟的十倍,这尤其突显了其提供高IO操作(如事务数据所需的)的能力。

该组合让3D XPoint填补了数据中心存储器体系——其中包括处理器上的SRAM,DRAM,NAND闪存(SSD),硬盘和磁带或光盘——的缺陷。它将适用于易失性DRAM和非易失性NAND闪存固态存储。

那么为什么对一些数据中心有好处呢?英特尔非易失性存储器解决方案组NVM解决方案架构总监,James Myers表示,3D XPoint旨在服务未优化内存处理的随机事务数据集服务。例如,它可以用于对现有数据集执行有限的实时分析或存储和更新记录,毕竟没有多少人想为越来越高的连续吞吐量来额外付钱。

相反地,NAND闪存将在存储近线数据方面展现优势,使用面向列的数据库管理系统执行分析。但这需要32个或更多突出的读/写操作或更高的队列深度。

英特尔首款3D XPoint SSD(P4800X)可以在16甚至更少的队列深度执行高达读取IOPS为550000,写入IOPS为500000。虽然英特尔的顶级NAND闪存SSD能够实现400000IOPS甚至更高的性能,但它们只能在更深的队列深度上才能实现。

像DRAM一样,3D XPoint可以按字节寻址,这意味着每个存储单元都有一个独特的位置。与块级NAND不同,在应用程序搜索数据时没有开销。

据IDC称,3D XPoint作为一个新存储层的推出,是从大型云和大规模数据中心成为技术主导力量以来首要技术转型之一。

3D XPoint何时可用?英特尔的Optane和美光的QuantX对3D XPoint技术发展走向不同,且已经各立门户。英特尔的Optane品牌适用于数据中心和台式机,旨在加速数据访问,同时实现经济实惠的存储容量价格。

上个月,英特尔开始利用新技术发布其首款产品——英特尔发布基于3D Xpoint存储介质,面向PC端的英特尔傲腾(Optane)内存模块,首批16GB和32GB将从4月24日起上市,英特尔建议售价为44美元和77美元。面向数据中心的375GB容量英特尔Optane SSD——DC P4800X(1520美元)硬盘,国内阿里和腾讯已经抢先预购。DC P4800X采用PCIe NVMe 3.0 x4(四通道)接口。

英特尔傲腾(Optane)内存模块可用于加速任何安装在第七代(Kaby Lake)基于英特尔核心处理器的平台上的任意SATA连接存储设备,平台则指定为“Intel Optane内存就绪”。 该内存模块充当以缓存形式来提高笔记本和台式机的性能。

虽然DC P4800是第一款基于3D XPoint的数据中心级SSD,但英特尔表示未来会推出更多的产品,包括今年第二季度推出拥有750GB容量的企业级Optane SSD,同时1.5TB SSD预计在今年下半年发售。

这些固态硬盘也会成为模块,可用于PCI-Express/NVMe和U.2插槽,这意味着它们可以应用到基于AMD 32核Naples处理器的一些工作站和服务器。

英特尔计划在明年以DRAM型DIMM模块的形式发售Optane。

目前,美光预计2017年下半年首次销售QuantX产品,2018年是“更大的一年”,2019年将是“突破性”的收入年。

3D XPoint最终会杀死NAND闪存吗?可能不会。英特尔和美光都表示,基于3D XPoint的SSD与NAND互补,弥补了它与DRAM之间的差距。然而,随着新的3D XPoint SSD的销售量的提高以及经济规模的增大,分析师认为3D XPoint最终可能会挑战现有的内存技术——不是NAND,而是DRAM。

Gartner预测,3D XPoint技术将在2018年末开始在数据中心的采用率将会显著提高。

然而,这种技术转型需要时间。数据中心生态系统必须为了适用新内存而进行调整,包括新的处理器芯片组和第三方应用程序。

此外,3D XPoint目前只有两家提供商——英特尔和美光。不久之后,该技术可能会由其他人生产。

那还有其它类型的内存呢?有。比如ReRAM和忆阻器。但是没有一个有高容量或是大批量发售的。

去年秋天,三星的新型Z-NAND内存亮相,显然是3D XPoint的竞争对手。据称尚未发布的Z-NAND SSD运行速度是3D NAND闪存的四倍,顺序读取速度提高1.6倍,三星预计今年将推出Z-NAND。

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