Инновационная память 3D XPoint: потенциал технологии и перспективы развития28.02.2018 00:32

В предыдущем материале мы заглянули в прошлое, вспомнили, с чего начиналась эра SSD и как твердотельные накопители менялись со временем, превратившись из громоздких и зачастую нерентабельных устройств в must-have для любого профессионала и энтузиаста. Настала пора устремить взор в будущее: сегодня мы поговорим о 3D XPoint — энергонезависимой памяти, разработанной Intel и Micron. Каковы возможности чипов и действительно ли новая технология способна перевернуть индустрию с ног на голову? Попробуем разобраться вместе.

Хотя корпорация Intel отказывается поведать миру, какие именно физические процессы лежат в основе новых чипов, на основании обнародованных данных можно заключить, что истоки 3D XPoint лежат в 1960-х: технология базируется на достижениях американского ученого Стэнфорда Овшинского, зарегистрировавшего за свою жизнь свыше 400 патентов в сфере энергетики и информационных технологий. Его изобретение получило название PRAM (Phase-change memory — память на основе фазового перехода).

Стэнфорд Овшинский, изобретатель PRAM

В отличие от флэш-памяти, для представления двоичных значений PRAM использует бинарные химические соединения халькогенов в аморфном (значение »0») и кристаллическом (значение »1») состояниях. Физической основой такого подхода является кардинальное различие электрического сопротивления халькогенидов, зависящее от агрегатного состояния вещества, тогда как флэш-память работает благодаря изменению заряда на плавающем затворе. В зависимости от уровня последнего меняется и пороговое напряжение транзистора, становясь выше или ниже и кодируя таким образом 1 или 0. Для записи иного значения необходимо инициировать сброс накопленного заряда, однако, чтобы «оттянуть» электроны с плавающего затвора, требуется сравнительно высокое напряжение, которое, в свою очередь, достигается за счет процесса подкачки. Поскольку накопление энергии требует определенного времени, флэш-память получается довольно «медлительной»: в сравнении с той же SRAM время считывания блока данных оказывается выше практически в 100 тысяч раз. PRAM же, напротив, лишена этого недостатка, так как значения отдельных битов можно изменять без предварительного стирания информации.

Именно PRAM и легла в основу 3D XPoint. Как ясно из названия (XPoint следует читать как crosspoint, что в переводе означает «пересечение»), кристаллы памяти нового образца получили перекрестную структуру.

Структура 3D XPoint

Пара «селектор — ячейка памяти» располагается в точке пересечения перпендикулярных проводников. Селектор активируется при подаче напряжения определенной величины, при этом агрегатное состояние вещества в ячейке изменяется и происходит запись бита. Поскольку адресация происходит без участия транзисторов, это позволило существенно уменьшить площадь кристалла, повысив плотность хранения данных: согласно заявлениям разработчиков, по сравнению с DRAM выигрыш составляет от 4 до 10 раз.

Первое поколение чипов 3D XPoint выполняется по 20-нанометровому техпроцессу, а сами микросхемы являются двухслойными. С переходом на EUV-литографию появится возможность усложнения производства до 10 нм, причем структура будет расти в трех измерениях, что поможет значительно увеличить емкость чипов, а также в разы ускорить процесс чтения/записи. Существует и перспектива хранения двух битов в одной ячейке за счет использования пограничных состояний вещества, каждое из которых обладает собственными электрическими характеристиками. Такие исследования уже проводились Intel и ST Microelectronics, хотя до их реализации в коммерческих продуктах пока еще далеко.

Несмотря на все преимущества, энергонезависимая память PRAM, к семейству которой также относится 3D XPoint, имеет и слабые места. Среди них следует акцентировать внимание на непосредственном контакте области фазового перехода и диэлектрика, что со временем способно привести к отслоению последнего и спровоцировать утечку заряда. Другим нюансом является возрастание сопротивления халькогенидов, которое описывается степенным законом ~t^0,1. В многоуровневых структурах это может приводить к перемешиванию ниже- и вышележащих слоев вещества в промежуточном состоянии, что делает чипы чувствительными к малейшим отклонениям от пороговых значений напряжения. Очевидно, Intel удалось решить указанные проблемы, сделав кристалл более стабильным, однако подробности технологии не раскрываются.

Intel Optane SSD DC P4800X — первый коммерческий накопитель на 3D XPoint

Все перечисленное выше выглядит очень вкусно, однако понять, насколько 3D XPoint хороша в реальных сценариях, можно лишь при наличии в руках готовых устройств. И таковые уже существуют: 20 марта 2017 года корпорация Intel представила линейку накопителей на основе инновационной памяти, получивших название Optane SSD DC P4800X формата PCI Express HHHL. Устройства используют 128-гигабитные 20-нанометровые чипы 3D XPoint, имеют объем 375 или 750 ГБ и снабжены контроллером Intel NVMe ASIC, который способен управлять четырьмя кристаллами на одном канале одновременно, что обеспечивает феноменальные показатели: при обработке блоков 4 КБ производительность девайса достигает 550 000 IOPS при чтении и 500 000 IOPS при записи, причем задержка не превышает 10 мкс. Максимальная же скорость последовательного считывания достигает 2400 МБ/с, а записи — 2000 МБ/с. Ресурс Optane также достаточно высок: Intel декларирует порядка 12,3 ПБ перезаписи.

Intel Optane SSD DC P4800X

Впечатляет? Бесспорно! Но не спешите оформлять заказы: рекомендованная цена Optane составляет 1520 американских долларов, по состоянию же на февраль 2018 года стоимость накопителя в России варьируется от 106 до 118 тысяч рублей. Все это напоминает выпуск Axlon RAM Disk для Apple II, который оказался на добрую сотню баксов дороже самого компьютера (об этом и других интересных девайсах мы писали в статье «Эволюция твердотельных накопителей: от первых моделей 70-х до наших дней»), с той лишь разницей, что детище Intel ориентировано на корпоративный сектор и наукоемкие отрасли, где скорость обработки информации выходит на передний план.

Существуют ли решения потребительского класса на основе 3D XPoint? Да. Продукт получил название Intel Optane Memory и выпускается в двух вариантах: на 16 ГБ (средняя цена — около 3200 рублей) и 32 ГБ (5100 рублей). Оба накопителя представляют собой NVMe SSD, выполненные в форм-факторе M.2 2280-S3-B-M, и характеризуются следующими параметрами:

Объем, ГБ	32	16
Скорость последовательного чтения, МБ/с	1350	900
Скорость последовательной записи, МБ/с	290	145
Скорость случайного чтения, IOPS	240 000	190 000
Скорость случайной записи, IOPS	65 000	35 000

Показатели (как и стоимость одного гигабайта) не радуют, однако Intel Optane Memory позиционируется вовсе не как полноценный твердотельный накопитель, а как этакий «ускоритель HDD», к тому же — не для всех. Процессор седьмого поколения или более старший, чипсет Intel 200 Series или более новый, BIOS c UEFI-драйвером RST 15.5 или выше, Windows 10. Собрали платформу на Ryzen, до сих пор сидите на Core i7 2700 или являетесь поклонником Linux? В таком случае эта технология не для вас. И даже если ваша машина полностью соответствует перечисленным требованиям, не стоит торопиться с покупкой.

В связи с малым объемом и особенностями работы алгоритма кэширования, сколь-нибудь заметное ускорение устройство способно обеспечить лишь при загрузке операционной системы и использовании какого-то фиксированного набора приложений. В то же время контентмейкеры попросту не заметят прироста производительности, так как Intel Optane Memory игнорирует операции с мультимедийными файлами (драйвер проверяет расширения) в силу ограниченной емкости. Установка и обновление программ также будут осуществляться с прежней скоростью, ведь в кэш отправляются исполняемые файлы, к которым было хотя бы три последовательных обращения, а инсталляторы запускаются единожды. Придется ли по вкусу данное решение заядлым геймерам? С учетом того, что доступное пространство раз в пять меньше по сравнению с «весом» современных ААА-игр, ответ очевиден.

Впрочем, если опять же обратиться к истории, аналогичная ситуация наблюдалась с флэш-памятью, когда первый розничный продукт (флэшка IBM DiskOneKey) вышел только 10 лет спустя после появления технологии. Быть может, нечто подобное произойдет с 3D Xpoint: через какое-то время себестоимость чипов снизится и любой желающий сможет приобрести модель уровня DC P4800X по адекватной цене?

Слишком сложно и слишком дорого

Цены новых устройств прокомментировал Гай Блелок, директор компании IM Flash (совместное предприятие, основанное Intel и Micron в 2006 году), дав интервью известному отраслевому изданию EE Times. По его словам, в ближайшем будущем полноценных накопителей потребительского класса, использующих память 3D XPoint, ждать точно не стоит, а может быть, таковые и вовсе никогда не появятся.

Гай Блелок, директор компании IM Flash

На то есть целый ряд вполне объективных причин. Одна из них заключается в том, что для создания новых чипов необходимо свыше 100 наименований сырья, причем некоторые позиции настолько уникальны, что выпускаются одной-единственной компанией в мире. Это, в свою очередь, порождает проблемы с привлечением инвестиций. «Для многих инвесторов такое положение дел является неприемлемым — они хотят быть уверены в бесперебойности поставок на случай форс-мажора», — рассказал Блелок.

Другая проблема обусловлена особенностями технологического процесса. Выпуск 3D XPoint требует дополнительных шагов в производственной цепочке, так как перекрестная архитектура увеличивает риски взаимного загрязнения материалов, входящих в состав ячеек. Добавляются такие сложные этапы, как вакуумное осаждение и выпаривание, что влечет за собой существенное снижение производительности фабрик, а это уже отражается на себестоимости готовых устройств. Хотя компенсировать сокращение объемов продукции и можно, удовольствие это чрезвычайно дорогое даже для такой крупной корпорации, как Intel.

По предварительным расчетам, число выпускаемых пластин потребуется увеличить со 180 до 1000 в час на условные 2 квадратных метра площади. Учитывая, что на данном витке развития технологий повысить плотность производства практически невозможно, для пятикратного увеличения мощностей и сам завод придется расширить по меньшей мере в 5 раз, что повлечет за собой серьезные капитальные расходы. Самое же неприятное — то, что дальнейший переход на 3D XPoint второго и третьего поколений потребует сопоставимых вложений. И здесь становятся очевидными преимущества памяти 3D NAND, в случае с которой смена техпроцесса приводит к росту затрат лишь в пределах 20–30%.

Сравнение затрат на модернизацию производства 3D NAND и 3D XPoint

Помимо этого, Гай Блелок отметил, что 3D XPoint чрезвычайно сложно масштабировать. Теоретически возможно создание даже четырехслойных чипов, однако для их массового выпуска необходимы EUV-сканеры экстремальной ультрафиолетовой литографии, коммерческих версий которых попросту не существует. Все перечисленное — серьезные сдерживающие факторы для дальнейшей эволюции технологии, так что в ближайшей перспективе мечтать о том, чтобы цена накопителей 3D XPoint снизилась до приемлемого уровня, увы, не приходится.

Есть и еще один нюанс, на который обратил внимание далеко не каждый. В настоящее время гарантийный срок новых Optane составляет 3 года, однако в будущем корпорация обещает увеличить его до 5 лет. Как правило, столь существенный разброс свидетельствует об отсутствии достаточных статистических данных, на основании которых можно судить о частоте возникновения неполадок или полном отказе оборудования. А это может означать только одно: говорить о надежности и отказоустойчивости накопителей 3D XPoint пока еще рано, и показатель 12,3 PBW на практике способен оказаться значительно меньше.

3D NAND — оптимальное сочетание цены и производительности

К счастью, хоронить классическую NAND еще рановато, ведь на смену планарным чипам пришли вертикальные трехмерные, причем их появление было обусловлено не только необходимостью удовлетворения растущих потребностей IT, но и экономической целесообразностью. Перейдя на 14-нанометровый технологический процесс, производители флэш-памяти встали на распутье. Повышение плотности кристалла потребовало бы полной модернизации производства, поэтому куда рентабельнее оказались инвестиции в дальнейшие научные изыскания, результатом которых и стало создание многослойных микросхем.

Напомним, что в основе NAND-памяти лежат транзисторы с плавающим затвором, способные удерживать заряд в течение длительного времени. Уменьшение их размеров чревато утечками из одной ячейки в другую, что может повлечь за собой повреждение сохраненных данных. Аналогичная проблема возникает и при попытке построения трехмерных кластеров, однако решить ее оказывается значительно проще: достаточно создать изолированную область из непроводящего вещества, где и будет храниться заряд. Технология получила название CTF (Charge Trap Flash — «ловушка для заряда»), а в качестве материала для изолирующего слоя стал использоваться нитрид кремния (SiN).

Устройство CTF

В отличие от планарных чипов, в 3D NAND каждая ячейка представлена многослойным цилиндром. Его внешний слой является не чем иным, как управляющим затвором, внутренний же — изолятором. Помещенные друг на друга ячейки образуют стек, по оси которого проходит общий канал из поликристаллического кремния. Таким образом, число ячеек в стеке оказывается равным количеству слоев в кристалле.

Принцип устройства ячеек в 3D NAND

Такая архитектура обеспечивает целый ряд важнейших преимуществ:

• За счет увеличения числа ячеек на единицу площади повышается плотность хранения данных и, как следствие, появляется возможность создания более емких накопителей.
• Скорость чтения/записи удается существенно повысить, так как интерференция между ячейками практически отсутствует. Благодаря этому, при сохранении и считывании данных выполняется только одна операция вместо трех (отпадает необходимость в дополнительной проверке).
• 3D NAND служит значительно дольше, так как запись не требует высокого напряжения.

Усилиями компании SanDisk, в настоящее время принадлежащей Western Digital, технология 3D NAND получила дальнейшее развитие. Принцип ее устройства остался прежним, однако на смену линейным строкам пришли U-образные. При этом переключающий транзистор и линия истока оказались перемещены в верхнюю часть последовательности, что позволило исключить вероятность их повреждения под воздействием высоких температур и, таким образом, снизить количество ошибок в ходе операций чтения/записи.

Схема 3D NAND BiCS

Новое поколение 3D NAND получило название BiCS, что расшифровывается как Bit Cost Scalable, и такое название оказалось вполне оправданным. Ведь данная технология позволила создавать высокоемкие 64-слойные чипы на базе отлаженного 40-нанометрового производства, благодаря чему отпала необходимость в дорогостоящей фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV).

3D NAND BiCS легла в основу доступных и производительных решений, ориентированных на частного потребителя. Еще августе 2017 года Western Digital перешла на производство твердотельных SATA-накопителей, основанных на трехмерных чипах последнего поколения, и теперь мы рады предложить своим клиентам обновленную линейку SSD Blue. Хотя 3D NAND BiCS оказывается медленнее 3D XPoint, по соотношению цены и качества данное предложение является лучшим на рынке. Цифры, приведенные ниже, говорят сами за себя.

Серия	WD Blue SSD
Форм-фактор	2,5ʺ, 7 мм / M.2 2280
Интерфейс	SATA 6 Гбит/с
Емкость	250 ГБ	500 ГБ	1 ТБ	2 ТБ
Скорость последовательного чтения, МБ/с	До 560
Скорость последовательной записи, МБ/с	До 540
Скорость произвольного чтения (блоки по 4 КБ), IOPS	До 95 000
Скорость произвольной записи (блоки по 4 КБ), IOPS	До 85 000
TBW, ТБ	До 500
MTTF, млн ч	До 1,75

Широкий модельный ряд позволяет подобрать вариант, всецело отвечающий вашим потребностям. Тем, кто желает повысить быстродействие компьютера, вполне хватит SSD на 250 ГБ, способного вместить операционную систему и установленное программное обеспечение. Если же вы являетесь контентмейкером и вам важна не только скорость, но и доступный объем, рекомендуем обратить внимание на флагман Blue-серии емкостью 2 ТБ. Что же касается отказоустойчивости, то даже при ежедневной нагрузке до 80 ГБ перезаписи накопители исправно проработают как минимум 7 лет — рекордный показатель для устройств подобного класса.

Для тех, кто не терпит компромиссов и хочет выжать максимум из собственного ПК или ноутбука, мы подготовили высокоскоростные WD Black SSD на основе планарных чипов, производительность которых удалось существенно увеличить за счет использования интерфейса PCIe Gen3 NVMe с пропускной способностью 8 Гбит/с. В подавляющем большинстве высоконагруженных сценариев (3D-моделирование, кодирование видео, «тяжелые» видеоигры и VR) потенциала WD Black оказывается более чем достаточно: SSD демонстрируют стабильную скорость 2050 МБ/с при последовательном чтении и 800 МБ/с при последовательной записи, а также до 170 000 IOPS при произвольном чтении и до 130 000 IOPS при произвольной записи (блоки по 4 КБ). Накопители выпускаются в двух модификациях: на 256 и 512 ГБ.

Вместо заключения

На данный момент все еще рано говорить о полном переосмыслении подхода к созданию твердотельных накопителей. Напротив, наблюдаются предпосылки к сегментации рынка: если 3D XPoint может доминировать в корпоративном секторе, то 3D NAND уверенно осваивает розницу. Вследствие высокой дороговизны решений, основанных на потомке PRAM, о каком-либо противостоянии не может идти и речи, тем более что подобная производительность является избыточной для большинства бытовых и профессиональных задач, а значит, с учетом цены, конечный пользователь не получает каких-либо значимых преимуществ. Скорее всего, обе технологии будут развиваться параллельно, не конкурируя между собой до тех пор, пока в недрах исследовательских лабораторий не появится нечто принципиально новое. Но когда произойдет очередной прорыв, можно лишь гадать.

© Habrahabr.ru