3D xpoint的信息汇总和应用分析

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作者:蛋粉

 

3D XPoint沉寂了一段时间,但业界自从出了3D XPoint这种20年来革命性的memory新介质后,大家热火朝天的讨论,似乎想知道它的更多细节和神秘的面纱,无奈英特尔和美光先生保密工作做的太好,实在无法得到更多技术数据。倒是网络上发布了一些技术信息,考量一番,有些信息相对靠谱,作为蛋蛋的粉丝,决定热情的汇总一下信息和稍加一些分析,总比蛋蛋的技术码字大法来得轻松和又有价值。再次重申,以下很多信息来源于网络搜集和网友群友分享,不能保证其正确性。

 

围绕着新介质,由于公开信息太少和保密,从笔者角度,码农和介质应用工作者们不免有以下一些问题,分类如下:

 

问题分类1:

3D xpoint的技术参数:read/write unit size, PE cycles, read/write latency per unit, retention/temperature, die size, interface speed and bus width…

问题分类2:

3D xpoint的产品形态和应用场景,新介质带来的存储分层结构变化,软件及相应的驱动

问题分类3:

3D xpoint的市场前景和给Intel/Micron带来的市场价值,竞争对手分析

 

  • 回顾一下这种新型介质的组织结构(来自网络):

 

新存储芯片是一种多层线路构成的三维结构,每一层上线路互相平行,并与上下层的线路互成直角,层与层间的有”柱子”似的线在上下层的交错点连接。

 

横向的层是绝缘层,每根”柱子”分两节,一节是”记忆单元”,用来存数据,记忆单元能存储一个比特的数据,代表二进制代码中的一个1或0;一节是一个”选择器”,选择器允许读写特定的记忆单元,通过改变线路电压来控制访问。 正是有了”选择器”,使3D XPoint能够字节寻址,vs NAND page寻址。”选择器”本身似乎也是一项黑科技…

 

现在有意思的就是这个”记忆单元”,它不是晶体管。这意味着和传统闪存完全不同,所以他才能有更大储存密度,更快的速度。但是它是什么?用什么材料?英特尔与美光打死也不说,我们只能推测。

 

其实,不用晶体管的储存器,这些年一直在搞。cross-point架构舍弃了晶体管,采用栅状电线(a latticework of wires)电阻来表示0和1,高电阻状态时,电不能轻易通过,cell表示0,当处于低电阻时,cell表示1。

 

这种用电阻差异来存数据的东西叫电阻式RAM(简称RRAM),三星、闪迪等巨头都在投入,但是真正接近实用化的是一家名为Crossbar的创业公司(首席科学家个叫卢伟的华裔),它在2013年推出了邮票大小的ReRAM产品原型,它可以存储1TB数据。2014年已经进入准备商用的阶段。Crossbar的架构图和英特尔、镁光的这个3D XPoint的架构图就很接近了。

 


 

美光在2014年也拿出来索尼联合研发ReRAM,原理类似,还公布了一些材料的信息。如今时隔不到一年,这个3D XPoint我们相信就是个新名词而已。

 

 

本质上,它就是电阻式RAM(真的吗),架构参考了Crossbar的架构。材料上美光有了一定的突破,最后加上Intel的工艺,基本可以把这个东西实用化,这就是3D XPoint。

 

这种猜测靠谱吗? 从万能google搜索得到的信息,似乎这种说法更靠谱:Phase Change Memory (PCM) a form of RRAM where the junction material is heated to change its resistance, unlike filamentary types of RRAM,rebranded PCM or PCMS (S for selector) memory。它是一种Rebranded PCM。

 

(from google)

 

回答问题1,Intel和美光给出的官方信息:

  • 非PCM(或许说的是非传统PCM相变存储器)
  • PE cycles:1000倍NAND寿命,推测3000*1000=3E6
  • Read/write的latency:1/1000 NAND时延,推测100us/1000=100ns
  • 每die 8X-10X DRAM的密度,首先2016量产的是每die 16GB。
  • Die 2层堆叠结构, 20nm,意味着每层8GB。
  • 接口:非JEDEC标准的DDR4, CMD和DATA总线寻址协议修改为更加高效的协议开销以适配新介质。
  • 字节寻址(一个byte or多个字节?)VS NAND page寻址
  • 价格:~$4/GB, 介于DDR4 DRAM($5/GB)和NAND($0.3/GB)之间
  • Read/write throughput:1/100ns * n bytes* n die/parallel
  • Retention:?/85c ?/40C。参考ReRAM等未量产的介质技术参数,想必3D xpoint的材料不会弱到哪里去,retention是同样以年计。
  • 2016年产品出货(指的是NVDIMM和SSD系统应用产品,颗粒什么时候出货,预测较晚,出于商业利益有颗粒控制权先赚溢价高的产品钱。或许前期少数厂商能拿到颗粒sample。)

 

  • 问题2: 3D xpoint的产品形态和应用场景,新介质带来的存储分层结构,软件及相应的驱动变化

 

新介质前可攻挥发性DRAM,后也可以取代非挥发性NAND。经过一番观察,英特尔先生和美光施工队觉得这套代号为3D Xpoint的建设、改造方案还是相当不错的,于是打算在其它几个地方,如手机镇、SSD镇、内存镇、数据中心镇等区域推广这种方案,以求让它发扬光大。未来,这些小镇居民的生活都将比现在更加高效、单位面积内所容纳的人口数量也会越来越多。

  • SSD镇:之前Intel和Apple有宣布将Optane SSD会用在下一代Apple Macbook上,如果操作系统装在3D xpoint上,其启动速度是如何的快,1s以内见到Apple桌面?至于桌面应用,什么应用需要这么极致的时延需求呢,加载大型应用是一种,还有呢?
  • 手机镇:试想如今的eMMC和UFS都替换为3D xpoint,存储容量和存储速度和如何畅爽,接口是PCIe还是DDR4?走在大街上配有3D XP的手机直接打上logo:3D XP inside,手机中的战斗机。谁会第一个推出这么个高富帅的手机呢?
  • 企业级数据中心镇:当仁不让产品是首先要推出的NVDIMM和Optane SSD产品,未来DRAM是3D xpoint的cache层,3D xpoint成为主存,无论从非挥发性容量密度和单位成本看,方案可行,剩下的是软件改造。从现在准备发布的产品看,Intel新介质的战场准备从这里开始,指望着从这里赚的盆满钵满。

 

一个核心的问题,新介质会影响甚至取代谁?Intel和美光的官方说法是会在DRAM和NAND之间找到其独特的应用,短期对谁都不会影响(相信吗?)。实际上到最后影响到谁,买单的客户和技术方案说了算,在大规模的数据中心里,部署大量DRAM作为主存是第一个想到被3D xpoint影响和取代掉,新的方案,DRAM被认为作为3D xpoint的cache,3D xpoint作为主存。甚至更为超前的想法,传统DRAM被HBM(high bandwidth memory)取代,集成到cpu核内部,访问时延更低,然后外部是3D xpoint作主存。如果此言成真,3D xpoint和DRAM势必会有一番商战,此消彼长的关系。

(图片群友分享)

 

数据分层:

 

新介质的出现,给了存储系统热温和冷数据分层的架构,分别对应着不同时延(250ns/10us/100ms…),存储软件如何区别冷热数据,放入对应分层,以加速应用以及发挥非挥发性介质的特点,同时软件本身的开销又不能成为瓶颈,这对软件架构和开发是一个新的考验。文件系统必定需要重新架构和重写以适应新介质带来的变化,考验软件功底的时候到了。Intel或许到时推出对应的新型文件系统和驱动软件,建立3D XPoint的软件生态和支持第三方对新介质产品的软件开发,这也是Intel长期以来的符合其商业利益的推出配套软件建立生态卖硬件的手法。

 

关于3D xpoint软件猜想,网文:

  • Switch to polling from interrupts: more wait time, but lower latency.
  • Use 3D XPoint as the page/swap space for lower latency and more predictable performance.
  • New instructions for flushing writes.
  • A new NVM library, PMEM.io, available first on Linux.
  • Persistent memory aware file systems, such as Nova.
  • Storage class memory support in Windows, which Microsoft is working on.
  • That last could spell lock-in for years or forever. How generous will Intel be with APIs and controller specs?

其实从软件来讲,很多大学和科研机构和公司研究部门已在开展新型介质的新型文件系统的研究和开发,目的就是要配套3D xpoint/RRAM/MRAM等未来新型介质应用,目的只有一个:充分发挥新型介质的非挥发性和极致时延的硬件特性。

 

已知的产品形态(网络曝光):

    NVDIMM:

现在曝光的就是容量高达6TB的DIMM插槽产品,很快电脑内存就能跑步进入TB时代了。

 

Optane SSD:

而在深圳IDF 2016,Intel第一次公开展示了Optane SSD的实际表现,采用PCI-E 3.0 x4系统接口,支持NVMe,和传统NAND SSD都连接在Thunderbolt 3雷电接口上。结果在Windows 10中拷贝文件的时候,Optane SSD的速度达到了惊人的1.94GB/s,相比之下传统SSD只有大约280MB/s,相差了几乎7倍!70/30读写混合IOPS P3700 15,000 IOPS vs 3D XPoint demo 5x 78,000 IOPS,时延7μs vs P3700’s 85μs。

Optane SSD将在2017年第二季度正式推出,将有PCI-E M.2、U.2、PCI-E扩展卡等多种样式

猜想:新介质NVDIMM和Optane SSD会第一个部署到哪家客户系统里,什么应用,谁第一个吃螃蟹,Intel如何宣传,这对后续客户的影响和产品推广至关重要,让我们拭目以待。

 

  • 3D xpoint的市场前景和给Intel/Micron带来的市场价值,竞争对手分析。

一旦3D xpoint的企业应用场景找到准确定位和合适的价格,良率上去,同时带来用户极致时延的体验,而竞争对手例如RRAM迟迟不能推出,其对Intel/Micron市场价值有比较大的正面影响,股价?一个靠谱的说法是5年后,所以短期对两家公司的revenue影响不大(个人看法)。

 

竞争对手也不会坐以待毙,眼真真的看着别人吃肥肉?以下各大厂商竞品分布,主要有3D XPoint/RRAM/MRAM三大阵营,三星在每个阵营里都有一脚,无处不在。至于MRAM和RRAM进展,需要更资深的行业人士来分析和分享。

 

(图片群友分享)

最后谁笑傲江湖,且看时间分解。

 

 

参考:

http://mt.sohu.com/20160413/n444053446.shtml

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