Intel 讓快閃記憶體快 1,000 倍?3D XPoint 技術的秘密

作者 | 發布日期 2015 年 08 月 04 日 8:26 | 分類 晶片 , 零組件 , 電腦 follow us in feedly

前不久,英特爾與美光即將開始生產速度更快的新式記憶體晶片,據兩家公司表示,其中的新技術將改變電腦存取大量資料的方式。



兩家公司在聲明中表示,新晶片中的「3D XPoint」技術是 25 年來記憶體晶片市場上首次出現的主流新技術,速度比目前市場上的快閃記憶體快 1,000 倍,這種晶片可用於行動裝置儲存資料,同時被越來越多的電腦使用。

美光總裁馬克·亞當斯(Mark Adams)在聲明中表示:「在現代電腦中,最大的一項障礙便是處理器在長期存放裝置中找到資料的時間太長。這種新的、非短期的記憶體是一項技術革命。它可以快速存取巨量資料集,支援全新的應用。」

長期以來,儲存裝置的速度和容量都是電腦的最大瓶頸,即使在 SSD 硬碟已經普及的今天也不例外。為了硬碟的速度,我們搞出來 Raid 0,從機械硬碟進化到快閃記憶體盤,但是儲存裝置本身的儲存速度還是慢慢進步的,英特爾與美光搞得這個革命性的東西是什麼呢?為什麼會快到如此地步呢?

 

一、傳統快閃記憶體是怎麼運作的?

我們正在使用的快閃記憶體雖然發展了很多年,但是本質上還是利用一個個微小的電晶體來儲存資料。

電晶體是 NAND 晶片的核心。NAND 晶片靠電子在電晶體的「浮動柵」來回移動工作。

(註:NAND 快閃記憶體是 1989 年問世的第一代非易失性儲存技術。非揮發性意味著在關掉電源的情況下還能儲存資料。)

雷鋒網配圖

浮動柵包裹著一層矽氧化膜絕緣體。它是控制傳導電流的選擇控制柵。快閃記憶體電晶體裡面資料是 0 或 1 取決於在矽底板上形成的浮動柵中是否有電子。有電子就為 0,沒電子為 1。

快閃記憶體在存取資料的時候,要先把所有單元的電子都清掉,具體說就是從所有浮動柵中匯出電子。即將有所資料歸「1」。寫入時只有資料為 0 時才進行寫入,資料為 1 時則什麼也不做。

要寫入就是施加高電壓,讓電子就會突破氧化膜絕緣體,進入浮動柵。有電子了,這個電晶體就是 0 了,這樣寫入就完成了。

而讀取資料時,就施加一定的電壓,因為矽底板上的浮動柵有的有電子,有的沒電子,同樣施加電壓,出來的電流就不一樣,這樣就能讀出 0 或者 1。

因為你得先抹除再寫入,所以快閃記憶體的速度不如記憶體快,用英特爾總裁羅伯·克魯克比喻說:「這有點像一個停車場,要想移動一輛車,會讓其他汽車擠在一起。你不得不把它們重新排列,才能讓一個新的汽車進來。」

此外,你存一次資料,就得加一個高電壓穿過絕緣氧化膜。這個膜不是無限壽命的,高電壓次數加多了,這個膜就失效了。這個時候快閃記憶體就沒法用了,就是我們說的快閃記憶體的壽命到了。

另外,電晶體的大小是跟著製程技術來的,摩爾定律發展到哪一步,就有哪一步的速度和容量,不會有突破性發展。

速度、容量、壽命就成了快閃記憶體的三大問題。

 

二、3D XPoint 的突破

新儲存晶片是一種多層線路構成的三維結構,每一層上線路互相平行,並與上下層的線路互成直角,層與層間的有「柱子」似的線在上下層的交錯點連接。

橫向的層是絕緣層,每根「柱子」分兩節,一節「記憶單元」,用來存資料,記憶單元能儲存一個比特的資料,代表二進位碼中的一個 1 或 0;一節是一個「選擇器」,選擇器允許讀寫特定的記憶單元,通過改變線路電壓來控制訪問。

現在有意思的就是這個「記憶單元」,它不是電晶體。這意味著和傳統快閃記憶體完全不同,所以他才能有更大儲存密度,更快的速度。

但是它是什麼?用什麼材料?英特爾與美光打死也不說,我們只能推測。

其實,不用電晶體的儲存裝置,這些年一直在搞。cross-point 架構捨棄了電晶體,採用柵狀電線(a latticework of wires)電阻來表示 0 和 1,高電阻狀態時,電不能輕易通過,cell 表示 0,當處於低電阻時,cell 表示 1。

這種用電阻差異來存資料的東西叫電阻式 RAM(簡稱 RRAM),三星、SanDisk 等巨頭都在投入,但是真正接近實用化的是一家名為 Crossbar 的創業公司(首席科學家是個叫盧偉的華裔),它在 2013 年推出了郵票大小的 ReRAM 產品原型,它可以儲存 1TB 資料。2014 年已經進入準備商用的階段。Crossbar 的架構圖和英特爾、美光的這個 3D XPoint 的架構圖就很接近了。

雷鋒網配圖

美光在 2014 年也拿出來 Sony 聯合研發 ReRAM,原理類似,還公布了一些材料的資訊。如今時隔不到一年,這個 3D XPoint 我們相信就是個新名詞而已。

雷鋒網配圖

本質上,它就是電阻式 RAM,架構參考了 Crossbar 的架構。材料上美光有了一定的突破,最後加上 Intel 的技術,基本可以把這個東西實用化,這就是 3D XPoint。

 

三、3D XPoint 能幹什麼?

不考慮成本的話,這個東西是目前儲存裝置的良好替代品,壽命比機械硬碟還長,速度比快閃記憶體快 1,000 倍,接近記憶體的速度,容量密度還很大。要求低一點的計算設備,可以一種儲存裝置打天下了。

對於要求高的地方,它可以在記憶體和硬碟之間當一個緩衝,類似於現在 SSD 盤這麼一個角色,需要快速讀取寫入的,用 3D XPoint,不需要的還是用硬碟。只是相對於現在的 SSD 盤,它的速度更快,壽命更長,容量更大。

這個東西初期價格會很高,會先應用於超級電腦,高性能伺服器這些不差錢的地方。但是因為這個東西的製造工藝和現在的半導體晶片沒有太大區別,技術搞清楚後很多廠都可以做,價格也會很快下來。樂觀估計,大約 5 年內這類東西就會普及。也許 5 年後我們的電腦手機很快就會用上。

(本文由 雷鋒網 授權轉載)

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