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随着更高性能的存储火爆 也给3D Xpoint带来了新的机会

http://zhenjied.cn |2020-08-08 05:45:00

在3D NAND Flash大行其道的21世纪,当和美光在2015年首次介绍3D Xpoint的时候,市场掀起了轩然大波。据当时的介绍,3D Xpoint会比NAND Flash快1000倍,且寿命也会比其长1000倍。

随着更高性能的存储火爆 也给3D Xpoint带来了新的机会

但实际上,这样的性能表现只能出现在PPT里。根据实际的测试,3D Xpoint只是比NAND快10倍,且在读入新数据的时候,需要先擦除老数据。

但是这个新兴的固态存储器将会在数据中心找到他的位置,因为他的价格只有的一半,主要是因为它可以和传统的存储技术搭配提升性能。但是相比于NAND Flash,3D Xpoint的价格还是会贵很多。

随着传输数据、云计算、数据分析等多样需求的增长,更高性能的存储也成为厂商的目标。这就给3D Xpoint带来了新的机会。

下面,我们来看一下3D Xpoint。

“毫无疑问,这项技术会给数据中心带来重要的影响,但是在PC端的影响则没有那么大”,Gartner的半导体和NAND Flash VP Joseph Unsworth表示。“无论是超大规模数据中心、云服务供应商,或者是传统的企业存储客户,他们对这项技术都会感兴趣”,他补充说。

但是3D Xpoint供应商并不能说服客户用其替代所有的D,即使使用这项新技术能够帮忙降低成本。但在NAND Flash的SSD中,其性能遭到了质疑。

什么是3D Xpoint?

相信大家看过很多这个新技术的介绍。简单来说,这就是一个新型的非易失性固态存储,拥有比NAND Flash更强悍的性能,以及更长久的寿命。而从价格来说,他是处于DRAM和NAND Flash之间的。

根据Gartner的数据显示,现在DRAM的售价基本是每gigaby 5美金,而NAND的价格则是25美分每gigabyte。3D Xpoint的大批量采购价格则会在每gigabyte 2.4美金这个区间。按目前看来,到2021年,3D Xpoint的售价也会比NAND Flash贵许多。

但是其实无论是Intel或者美光,都没有谈过太多关于这项新技术的细节,他们只说这是一项基于电子存储的技术,和Flash存储、DRAM一样,也没有用到。他们也声称这并不是ReRAM或者忆阻器。这两者被认为是NAND未来的最大挑战者。

根据专家用排除法分析,可以得到3D Xpoint应该是相变存储(PCM)技术,和美光先前开发过的一种技术差不多,而性能也相近。

PCM 作为新一代存储技术,利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转换的相变来储存数据,其芯片目前广泛使用的核心材料是GST(由锗锑碲按比例混合而成)。这和美光Russ Meyer之前说的不谋而合——“存储单元本身是在两个不同状态之间简单变动的”。

在PCM中,非晶态的高阻率是保存为0,低阻率的静态则保存为1。

3D Xpoint的架构和显微镜下的窗格子类似。而那些支持则是由硫族化合物组成,且搭配了开关,能够允许数据的读写。

Intel非易失性存储事业部GM Rob Crook表示,3D Xpoint并不像DRAM那样,把数据存储在的电子里,也不像NAND那样把数据存储在浮动栅的电子阱里。它使用一种物理材料,这种材料本身能够改变0或1状态,然后存储数据。但是他们需要将其尺寸变小,以适合更多应用。

为什么3D Xpoint能够吸引如此多的关注?当然是因为他在PCIe/NVMe接口连接的时候,拥有比NAND Flash高十倍的性能,且使用时间会长1000倍。这也就意味着持续读写次循环超过100万次,也就意味着,这个存储一旦装上,在不坏的情况下能永久使用。与之对比,现在的NAND Flash只有3000到10000的持续读写循环。如果带有损耗平衡和误差纠正软件,这个循环能提升,但和100万比,这还是小巫见大巫。

3D Xpoint还有比较低的延迟。与NAND Flash相比,这个数据是1000倍,与DRAM相比,则是十倍。明显看出,在高速读取的应用中,这会是更明智的选择。

这种优势让3D Xpoint能够降低数据中心存储体系的落差(包括处理器上的SRAM,DRAM,NAND FLAHS,HHD、磁带或光盘)。这个还能够弥补易失性的DRAM和非易失性NAND Flash SSD 之间的差距。

随着更高性能的存储火爆 也给3D Xpoint带来了新的机会

也许这是数据中心的未来。Intel NVM方案部门主管James Mye表示,他们的3D Xpoint产品Optane能够用来执行有限的数据集或者实时存储和升级数据。

相反地,传统的NAND Flash 只能批次地处理存储数据,利用列式数据库系统分析。这就需要非常多的读写操作。

“不会有很多人为更高的连续吞吐量支付额外的钱,因为很多的分析可以在凌晨2点到5点完成,因为那个时段不会有很多的业务操作”,Myers表示。

Intel的首个3D Xpoint SSD P4800x每秒能够执行550000次的读写操作(IOPS),与之对比,Intel最顶尖的NAND Flash SSD的IOPS只能达到400000。

和DRAM一样,3D Xpoint可以按字节寻址,这就意味着每一个存储单元有一个不同的位置,这不像分区的NAND,在应用在为数据搜索的时候,不允许“超车”。

“这个不是Flash,也不是DRAM,3D Xpoint是一个介乎这两者之间的技术,而生态系统的支持对于这项技术的拓展极为重要。”Unsworth说。目前我们还没看到任何一个飞翼式的DIMM被装配,因此这会是一个很大的挖掘空间。

3D Xpoint什么时候可以准备好?

Intel已经开拓出了一个不同于美光的3D Xpoint路线。按照他们的说法,其Optane品牌适合于数据中心和桌面PC。美光则表示其Quantx SSD非常适合于数据中心,他们也或多或少提到,其产品也会适合消费级别的SSD。

在2015年,Intel小批量生产了使用IM Flash技术的3D Xpoint Wr。到了去年,Intel和Micron则投资了做立在犹他州Lehi的Fab,大批量生产3D Xpoint产品。

上个月,Intel开始出货他旗下的新品:专为PC打造的 Intel Optane 存储加速模块(16GB/MSRP $44和 32GB/$77),另外还有数据中心级别的37B Intel Optane SSD DC P4800X扩展卡,售价1520美金。DC P4800X使用的是PCIe NVMe 3.0×4(四路)接口。

Optane 存储PC加速器模组能够被应用到在一个七代Intel Kaby Lake平台上,加速各种SATA连接的存储设备。在存储中加上Optane模组就像在桌面PC或者笔记本上加了某种类型的缓存。

DC P4800X是首个为数据中心生产的3D Xpoint SSD,Intel方面表示,后续会推出更多此类应用,包括一个企业级别的Optane SSD,他的容量为750GB。Intel方面表示,这会在今年第二季度到来。而1.5TB的SSD则会在今年下半年推出。

这些SSD同样以模组的形式存在,并适用于PCIe/NVMe和U.2插槽,这就意味着他们适用于使用 32核Naples 处理器平台的工作站和服务器。

Intel还计划明年推出他们DRAM类型的DIMM模组Optane。而美光方面则打算在2017年下半年推出其QuantX产品。

3D Xpoint会对电脑性能造成什么影响?

Intel表示,Optane将PC的启动时间减少了一半,并将整体系统性能增加了28%,加载游戏速度也快了65%。

DC P4800在随机读写环境下的表现也非常出色,因此我们可以用它来增强服务器的DRAM。在随机读写的状态下,Optane会自动启动,这在高端PC和服务器中非常常见。Optane的随机写速度比传统的SSD快10倍,而读速度也有三倍左右的提升。

随着更高性能的存储火爆 也给3D Xpoint带来了新的机会

除此之外,新的DC P4800 SSD 的读写延迟低于10微秒,这在NAND Flash的SSD中是不可能任务,后者的延迟在30到100ms这个范围。而DC 3700的平均延迟则有20ms,这是DC P4800的两倍。P4800X的读写延迟接近相同,这不同于Flash存储的SSD。

3D Xpoint会“杀死”NAND Flash吗?

或者这样的结局不会产生,Intel和美光双方都认为3D Xpoint与NAND是互补的。他的出现主要是弥补NAND和DRAM的差距。然而,随着新3D Xpoint的普及,SSD的经济规模会增长,分析师们认为它会挑战现存的存储技术,不是指NAND,而是DRAM。

Gartner预测,到2018年,3D Xpoint 会在数据中心中占领上风。届时它会吸引很多关键客户的目光。这不仅仅限于服务器、存储,超算中心或者云计算,软件客户也是他们的潜在关注者,Unsworth说。一旦你能够在数据库分析速度和成本上找到一个平衡,那么就会吸引更多的客户执行实时的数据分析处理。

因此我认为这是一个革命性的技术,他补充说。但这个最终被广泛采纳需要一段时间,数据中心生态链需要一点时间去接纳这个新存储技术,芯片组和第三方应用的支持也需要时间去兼容。

另外,现在只有Intel和美光两家供应商提供3D Xpoint,从长期看来,这个技术应该也会授权给其他厂商。

再者,包括ReRAM和忆阻器在内的竞争技术也会在未来某一天到来,但他们当中没有哪一个可以满足高存储和大批量出货的需求。

去年秋天,介绍了其新的Z-NAND存储,这是3D Xpoint的一个明显竞争者。这个即将发布的Z-NAND SSD延迟会较3D NAND Flahs降低四分之三,而顺序读速度也会快1.6倍,三星计划在今年推出其Z-NAND。

那么,这意味着NAND的“死亡”么?我认为近期内都不可能。

随着挑战3D Xpoint的非易失性存储技术逐渐出现,传统的NAND Flahs依然有很长的路要走,直到2025年,这个技术都是安然无忧的。

而最新版本的3D或者垂直NAND堆栈已经到了64层,这比传统的平面NAND的密度有了很大提升。制造们打算在明年将其扩展到96层,并打算在未来几年将其扩展到128层。

除此之外,现在的的3bit/ cell TLC NAND有望转向4bit/cell 的 QLC 技术,这样能够增加密度,同时降低生产成本。

这是一个很有弹性的产业,因为在世界范围内有很多很大的供应商。同时,中国也会在当中充当非常重要的角色。Unsworth认为,如果NAND在几年内会死亡,他们就不会花费数百亿美元进入这个NAND Flaash产业。我看到了3D NAND慢下来了,但他们依然没碰到天花板,他补充说。

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