Перспективы новой энергонезависимой памяти 3D Xpoint

Прошло уже около 30 лет со дня появления флэш-памяти типа NAND Flash, ставшей промежуточным вариантом между быстрой, дорогой и энергозависимой памятью DRAM (Dynamic random access memory, динамическая память с произвольным доступом) и энергонезависимыми устройствами внешней памяти на основе накопителей на магнитных дисках.[1]

На пресс-конференции для аналитиков и журналистов руководители корпораций Intel и Micron представили технологию 3D XPoint (произносится cross point), назвав ее первой новой архитектурой памяти после появления флеш-памяти типа NAND в 1989 г.[2]

3D XPoint — совместная разработка Intel и Micron — представляет собой энергонезависимую память, по принципу действия совершенно отличную от преобладающей сегодня NAND Flash-памяти. Основными недостатками флэш-памяти, и памяти NAND в частности, остается низкая скорость в сравнении с оперативной памятью из-за блочного доступа и малый срок службы, который пользователи не замечают из-за постоянного перераспределения ячеек флэш-памяти контроллером и высокого уровня резервирования.[3]

В полупроводниковой памяти 3D XPoint планируется скорость записи/чтения в 1000 раз выше NAND, 1000-кратное повышение срока службы в сравнении с NAND и 10-кратное повышение плотности размещения ячеек памяти на кристалле в сравнении с памятью DRAM. Учитывая, что скорость существующих NAND-накопителей опять же в 1000

раз превышает традиционные механические устройства хранения на жестких дисках, Intel и Micron обещают полностью изменить архитектуру хранения данных в вычислительных устройствах за счет новой памяти со сравнимой с DRAM скоростью, но без потери информации при отключении питания, как во флэш-памяти и жестких дисках.

В то время как NAND Flash для хранения информации использует электроны, захваченные в затворе транзистора, ячейка 3D XPoint меняет сопротивление для различения между нулем и единицей. Благодаря тому, что ячейка не содержит транзистора, плотность хранения данных в памяти нового типа в 10 раз превышает соответствующий показатель NAND Flash. Доступ к индивидуальной ячейке обеспечивает сочетание определенных напряжений на пересекающихся линиях проводников (отсюда название XPoint, которое произносится как cross-point). Ячейки в кристалле памяти расположены в несколько слоев (в текущем варианте только два), потому в имени технологии присутствует аббревиатура 3D.[3]

Структура Cross Point – перекрестная структура с перпендикулярными проводниками позволяет подключить субмикронные столбцы. К отдельной ячейке памяти можно обратиться при выборе верхнего и нижнего проводника.

Подобная архитектура позволяет выделить ряд свойств:

• •    Non-Volatile (энергонезависимость) – означает сохранение данных при отключении питания, что прекрасно для любых устройств хранения информации.

• •    High Endurance (длительный срок службы или высокая износостойкость) – в отличие от других технологий хранения в памяти, 3D XPoint не сильно зависит от количества циклов записи, что обеспечивает износостойкость и ведет к повышению надежности.

• •    Transforming the Memory Hierarchy (изменение иерархии памяти) – впервые мы имеем быструю, недорогую и энергонезависимую технологию, которую можно использовать для системной памяти и внешнего хранения данных.

• •    Stackable (возможность стекирования) – эти тонкие слои памяти можно стекировать для повышения плотности.

• •    Selector (селектор) – хотя DRAM требует транзистора в каждой ячейке памяти (что делает ее объемной и дорогой), величина напряжения для каждого селектора по технологии 3D XPoint позволяет считывать или записывать ячейку без применения транзистора.

• •    Memory Cell (ячейка памяти) – каждая такая ячейка хранит один бит информации (один разряд данных). Плотность от 8 до 10 раз выше DRAM – простая стекируемая конструкция без транзисторов позволяет разместить больше ячеек памяти в меньшем пространстве, что очень важно для снижения стоимости.[4]

В теории память 3D XPoint может достигнуть в 1000 раз большей пропускной способности по сравнению с NAND Flash. Это все ещё меньше, чем то, на что способна память DDR4 SDRAM, но вполне приемлемо для того, чтобы использовать 3D XPoint в модулях оперативной памяти. Модули DIMM на основе 3D XPoint обеспечат больший объём и низкие цены относительно DDR4 DIMM.

На основе приведенного анализа можно предположить, что представленное решение, разработка которого велась с 2012 года, поспособствует значительному увеличению производительности практически для всех типов компьютерных устройств: от игровых ПК до мощных серверов и суперкомпьютеров. Так, согласно заверениям Intel, архитектура 3D Xpoint позволит повысить эффективность ПО, ориентированного на распознавание образов в режиме реального времени и анализ генетической информации. Кроме того, память 3D Xpoint откроет доступ геймерам к игровому контенту в сверхвысоких разрешениях, таких как 8K.