3D XPoint

3D XPoint (читается «3D crosspoint» — «трёхмерное пересечение»[1]) — технология энергонезависимой памяти, анонсированная корпорациями Intel и Micron в июле 2015 года. Устройства компании Intel, использующие данную технологию, выходят под торговой маркой Optane, а устройства Micron будут использовать марку QuantX.

Эскизная схема двухслойной памяти 3D Xpoint. На пересечении линий (серый) показаны запоминающие ячейки (зелёный) и селектор (желтый).

Подробная информация об использованных материалах и физических принципах по состоянию на конец 2016 года не разглашалась. Для записи информации в ячейках памяти используется изменение сопротивления материала. Ячейки, предположительно вместе с неким селектором, расположены на пересечении перпендикулярных линий адресации слов и битов. Технология допускает реализацию с несколькими слоями ячеек. Устройства на основе памяти 3D XPoint предполагаются для установки в разъёмы для оперативной памяти DDR4 (NVDIMM, non-volatile DIMM), и уже выпускаются для установки в разъёмы PCI Express (NVM Express).

Технология

Разработка 3D Xpoint началась примерно в 2012 году[2]. Ранее Intel и Micron уже занимались совместной разработкой других типов энергонезависимой памяти на фазовых переходах (PCM, PRAM)[3][4]; по сообщениям сотрудника компании Micron, архитектура 3D Xpoint отличается от предыдущих вариантов реализации PCM-памяти и использует халькогенидные материалы как для селектора, так и для хранения данных в ячейках памяти. Такие материалы быстрее и более стабильны, чем традиционные для PCM материалы, например, как GeSbTe (GST)[5].

В 2015 году отмечалось, что технология «не основана на электронах»[6], а также что используется изменение электрического сопротивления материалов и возможна побитовая адресация[7]. Отмечалось также некоторое сходство с резистивной памятью произвольного доступа (RRAM), разрабатываемой компанией Crossbar, но использование при этом других физических принципов для хранения информации[2][8]. Генеральный директор Intel Брайан Кржанич, отвечая на вопросы о материалах XPoint, уточнил, что переключение основано на «объёмных свойствах материала» (англ. bulk material properties)[9]. Также заявлялось, что 3D Xpoint не использует изменение фазового состояния материала или технологии «мемристоров»[10].

Отдельные ячейки памяти в XPoint адресуются при помощи селектора, и для доступа к ним не требуется транзистор (как в технологиях NAND и DRAM), что позволяет уменьшить площадь ячейки и увеличить плотность их размещения на кристалле[11].

По данным СМИ, другие компании не представили рабочих вариантов резистивной памяти или памяти на изменении фазовых состояний, которые бы достигли такого же уровня производительности и надёжности, как XPoint[12].

TechInsights сообщает об использовании PCM-памяти на базе GST и селектора на базе As+GST (ovonic threshold switch, OTS)[13][14]

Производство

В 2015 году фабрика IM Flash — совместное предприятие Intel и Micron в Лихае (штат Юта) — изготовила с применением технологии небольшое количество чипов объёмом 128 Гбит, они использовали два слоя ячеек по 64 Гбит каждый[2][15]. В начале 2016 года генеральный директор IM Flash Ги Блалок озвучил оценку, что массовое производство чипов начнётся не ранее чем через 12—18 месяцев[16].

В середине 2015 года Intel объявила об использовании бренда «Optane» для продуктов хранения данных на базе технологии 3D XPoint[17], а в марте 2017 года выпущен первый NVMe-накопитель с памятью 3D XPoint — Optane P4800X[18].

27 октября 2017 года Intel представила накопители серии Optane SSD 900P объёмом 280 и 480 ГБ, предназначенные для настольных компьютеров. Заявленная скорость последовательного чтения информации достигает 2500 Мбайт/с, скорость последовательной записи — 2000 Мбайт/с[19].

Поскольку себестоимость 3D XPoint превышает себестоимость привычной TLC 3D NAND примерно на порядок и, по имеющимся оценкам, производство 1 Гбайт подобной памяти обходится как минимум в 0,5 долл., что не позволяет Intel выйти с накопителями на такой памяти на массовый рынок (однако, компания нашла выход, выпуская в гибридный потребительский продукт, который построен как совокупность микросхем 3D XPoint и QLC 3D NAND, используя преимущества и тех и других)[20].

Весной 2021 г. компания Micron, стратегический партнёр Intel в данном направлении, объявила, что полностью утратила веру в возможность коммерческого успеха 3D XPoint, и продала предприятие, которое занималось её производством; покупатель завода, Texas Instruments, намерен полностью переоборудовать его на другую продукцию[20].

Оценки производительности

В начале 2016 года IM Flash заявила, что первое поколение твердотельных накопителей достигнет 95 тысяч операций ввода-вывода в секунду и с задержками порядка 9 микросекунд[16]. На форуме Intel для разработчиков 2016 года были продемонстрированы PCIe-накопители объёмом 140 ГБ, показавшие двух-трёхкратное улучшение показателей по сравнению с твердотельными накопителями NVMe на NAND[21].

В середине 2016 года Intel заявляла, что по сравнению с флэш-памятью NAND новая технология имеет в 10 раз меньшие задержки операций, в 3 раза более высокий ресурс по перезаписи, в 4 раза большее количество операций записи в секунду, в 3 раза большее количество операций чтения в секунду, используя при этом около 30 % от энергопотребления флэш-памяти[22][23].

В октябре 2016 года вице-президент подразделения решений для хранения данных Micron заявил, что «3D Xpoint будет примерно в два раза дешевле DRAM, и четыре-пять раз дороже, чем флэш-память NAND» (при равном объёме)[24][25], но ниже, чем у DRAM[26].

Независимые тесты первых вышедших NVMe-устройств на 3D XPoint (Intel Optane Memory) на применимость их как блочных устройств на характерных для индивидуальных пользователей нагрузках не продемонстрировали какого-либо заметного преимущества в сравнении с NVMe-накопителями на базе NAND, а с учётом их высокой цены — и конкурентоспособности, с этим же связывают фокус Intel и Micron на продвижение этого типа памяти на корпоративный, а не потребительский рынок[27].

Примечания
  1. 3D XPoint™ Technology Revolutionizes Storage Memory, Intel, <https://www.youtube.com/watch?v=Wgk4U4qVpNY>
  2. Clarke, Peter (28 July 2015), Intel, Micron Launch "Bulk-Switching" ReRAM, <http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1327289>
  3. Intel и Numonyx представили 64 Гбит стекируемые чипы PCM в 2009: McGrath, Dylan (28 Oct 2009), Intel, Numonyx claim phase-change memory milestone, <http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1172109>
  4. https://www.flashmemorysummit.com/English/Collaterals/Proceedings/2011/20110811_S303_Atwood.pdf
  5. Clarke, Peter (31 July 2015), Patent Search Supports View 3D XPoint Based on Phase-Change, <http://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1327313>
  6. Neale, Ron (14 Aug 2015), Imagining What’s Inside 3D XPoint, <http://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1327417>
  7. Hruska, Joel Intel, Micron reveal Xpoint, a new memory architecture that could outclass DDR4 and NAND. ExtremeTech (29 July 2015).
  8. Clarke, Peter (28 July 2015), Intel, Micron Launch "Bulk-Switching" ReRAM, <http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1327289>
  9. Merrick, Rick, Intel’s Krzanich: CEO Q&A at IDF, с. 2, <http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1327478>
  10. Mellor, Chris Just ONE THOUSAND times BETTER than FLASH! Intel, Micron's amazing claim. The Register (28 July 2015). — «An Intel spokesperson categorically denied that it was a phase-change memory process or a memristor technology. Spin-transfer torque was also dismissed».
  11. Intel’s Xpoint is pretty much broken. Дата обращения: 8 октября 2016.
  12. By Chris Mellor, The Register. «Goodbye: XPoint is Intel’s best exit from NAND production hell.» / April 21, 2016. April 22, 2016.
  13. Intel 3D XPoint Memory Die Removed from Intel Optane™ PCM (Phase Change Memory)
  14. http://techinsights.com/about-techinsights/overview/blog/memory-selector-elements-for-intel-optane-xpoint-memory/ Intel XPoint memory has adopted chalcogenide-based phase change materials. A GST (Ge-Sb-Te) alloy layer is used for the memory element, which we call a Phase Change Memory (PCM) … Intel XPoint memory uses another chalcogenide-based alloy with arsenic (As) doped which is different from the memory element material used. This means the selector Intel used on XPoint memory is an ovonic threshold switch (OTS) material.
  15. Smith, Ryan (18 August 2015), Intel Announces Optane Storage Brand For 3D XPoint Products, <http://www.anandtech.com/show/9541/intel-announces-optane-storage-brand-for-3d-xpoint-products>
  16. Merrick, Rick (14 Jan 2016), 3D XPoint Steps Into the Light, <http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1328682>
  17. Smith, Ryan (18 Aug 2015), Intel Announces Optane Storage Brand For 3D XPoint Products, <http://www.anandtech.com/show/9541/intel-announces-optane-storage-brand-for-3d-xpoint-products>
  18. Intel Optane SSD DC P4800X 750GB // Hands-On Review
  19. Intel Optane SSD 900P: дебют быстрых накопителей нового поколения (рус.), 3DNews - Daily Digital Digest. Дата обращения 30 октября 2017.
  20. Итоги 2021 года: SSD-накопители - А что там с 3D XPoint // 3DNews, 14 января 2022
  21. Intel's 140GB Optane 3D Xpoint PCIe SSD Spotted at IDF, Anandtech (26 August 2016). Дата обращения 26 августа 2016.
  22. Demerjian, Charlie Intel’s Xpoint is pretty much broken. In their own words it isn’t close to the promises. semiaccurate.com (Sep 12, 2016). Дата обращения: 15 ноября 2016.
  23.  (недоступная ссылка с 15-11-2016 [1926 дней])https://hubb.blob.core.windows.net/5a741d00-0c8a-45e4-9112-cfe073fe4ed1-published/3fde87a3-3307-485e-8528-2c1f6436d737/MASTC01%20-%20MASTC01_-_SF16_MASTC01_102?sv=2014-02-14&sr=c&sig=QY6WHaQ267MeMFMaYT%2BfUJuBzMTkEwjrsv7%2BCzSr6pY%3D&se=2016-10-09T17%3A50%3A09Z&sp=r (недоступная+ссылка)
  24. Micron reveals marketing details about 3D XPoint memory QuantX. Дата обращения: 14 октября 2016.
  25. Антон Тестов. Intel: Стоимость SSD на базе 3D XPoint может быть в разы выше обычных. 3dnews (23.11.2015). Дата обращения: 15 ноября 2016.
  26. Evangelho, Jason Intel And Micron Jointly Unveil Disruptive, Game-Changing 3D XPoint Memory, 1000x Faster Than NAND (недоступная ссылка) (28 July 2015). — «Intel's Rob Crooke explained, 'You could put the cost somewhere between NAND and DRAM.'». Дата обращения: 15 ноября 2016. Архивировано 15 августа 2016 года.
  27. Андрей Кожемяко. SSD-накопитель Intel Optane Memory емкостью 32 ГБ. iXBT.com (24 июля 2017). Дата обращения: 3 августа 2017.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.