目前存儲(chǔ)器存在的一些問題

拋開和處理器緊密相關(guān)的高速緩存和寄存器不說，先來看內(nèi)存和外部存儲(chǔ)這兩個(gè)級(jí)別。目前我們使用的內(nèi)存主要是DRAM：DRAM的核心問題是易失性，其它方面的表現(xiàn)優(yōu)秀 —— 比如在性能上DRAM的延遲很低（納秒級(jí)別）、帶寬較為充裕；壽命方面由于原理所致，DRAM壽命很長(zhǎng)。

3D XPoint工作原理

3D XPoint工作原理和NAND有本質(zhì)不同。和NAND相比，NAND通過向絕緣浮柵壓入一定數(shù)量的電子從而區(qū)分比特值，3D XPoint是基于阻抗的技術(shù)，通過大量屬性的變化去改變單元的阻抗值，以此來區(qū)分0和1。3D XPoint的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，其由一個(gè)選擇器（selector）和一個(gè)存儲(chǔ)單元組成，兩者位于一根Wordline和Bitline之間（Crosspoint由此得名）。

在Wordling和Bitliane上加載一個(gè)特定電壓值就激活了一個(gè)選擇器，使得其中的存儲(chǔ)單元做一個(gè)寫操作（即在單元介質(zhì)大量的屬性改變）或讀操作（允許電流通過，檢查存儲(chǔ)單元的阻抗值代表高或低）。

3D XPoint工作原理示意圖

當(dāng)下業(yè)界普遍將希望寄托在EUV身上，而英特爾與美光則稱3D XPoint將（不出所料）兼容EUV光刻，而且存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)尺寸可以最大縮水至個(gè)位數(shù)納米級(jí)別，同時(shí)不會(huì)對(duì)使用幫助/可靠性造成顯著影響（事實(shí)上，隨著物理尺寸的下降，其在某些方面反而有所改善）。

從英特爾給出的延遲數(shù)據(jù)來看，3D XPoint產(chǎn)品的讀取延遲大約在10納秒級(jí)別（寫入延遲更長(zhǎng)一些），和DRAM最低可達(dá)幾納秒還存在一點(diǎn)點(diǎn)差距，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于NAND的微秒級(jí)別；壽命方面，3D XPoint的壽命約為百萬級(jí)讀寫次數(shù)，相比NAND中MLC的數(shù)千次讀寫提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)然，和DRAM還是沒法比；帶寬方面，多通道技術(shù)的應(yīng)用使得3D XPoint在帶寬上并不存在什么劣勢(shì)。

在英特爾的官方宣傳中，3D XPoint擁有NAND類似的容量和DRAM類似的性能。包括比NAND速度快（應(yīng)該是指延遲低）1000倍以上，壽命是NAND的1000倍以上，數(shù)據(jù)密度則達(dá)到了DRAM的十倍以上。

英特爾認(rèn)為，這樣的性能可以讓用戶根據(jù)不同的需求來選擇新的存儲(chǔ)系統(tǒng)組合，比如可以選擇組成DRAM+3DXPoint+NAND三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，或者是3D XPoint接管DRAM+NAND，亦或者組成DRAM+3D XPoint的方案，甚至也可以是3D XPoint+NAND的系統(tǒng)，不同方案的成本、側(cè)重點(diǎn)和性能都有所不同，結(jié)局是開放性的，并沒有氣勢(shì)洶洶地取代誰，而是根據(jù)市場(chǎng)選擇來搭配合適的方案。

一般來說，一個(gè)產(chǎn)品的市場(chǎng)定位是由其在市場(chǎng)中所處的性能位置所決定的。目前3D XPoint的性能定位在DRAM之下、NAND之上，但是更偏向于DRAM，因此也應(yīng)該具有類似的市場(chǎng)定位。考慮到目前DRAM的價(jià)格，可以說3D XPoint的價(jià)格應(yīng)該不會(huì)太便宜。

另一方面，英特爾自己也有龐大的NAND工廠和不小的市場(chǎng)份額，3DXPoint無論從技術(shù)上還是商業(yè)利益上來看，都不會(huì)在目前這個(gè)時(shí)候去搶NAND的飯碗。而如果從企業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)來劃分，按照慣例，產(chǎn)品成熟后，英特爾顯然會(huì)更傾向于將這一新技術(shù)首先運(yùn)用于面向利潤較高的企業(yè)級(jí)產(chǎn)品中。

3D XPoint技術(shù)的應(yīng)用

3D XPoint尚需克服的技術(shù)難點(diǎn)

美光決定退出3D Xpoint，與該技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程不佳有著重要關(guān)系。據(jù)悉，目前只有英特爾的傲騰系列采用3D Xpoint技術(shù)。美光曾公布了幾款基于3D XPoint閃存芯片的存儲(chǔ)設(shè)備，例如X100，但一直沒有正式上市。此外，3D Xpoint一直沒能成功建立起完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。美光公司首席商務(wù)管蘇米特·薩達(dá)納在接受媒體采訪時(shí)曾表示，很多客戶對(duì)X100并不滿意，因?yàn)樗麄儽仨氈貙懘蟛糠周浖拍芾眯滦蛢?nèi)存，因此該款產(chǎn)品發(fā)售數(shù)量非常有限。

未來，3D Xpoint技術(shù)將會(huì)如何發(fā)展頗為引人關(guān)注。據(jù)悉，英特爾將在新墨西哥州的晶圓廠中為自己的傲騰產(chǎn)品線生產(chǎn)3D XPoint芯片。雖然英特爾已經(jīng)將NAND閃存業(yè)務(wù)出售給了SK海力士，但仍可能接盤美光Lehi工廠以保證自己產(chǎn)品線的供應(yīng)。畢竟英特爾在數(shù)據(jù)中心等企業(yè)產(chǎn)品線中仍然提供使用3D XPoint技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品。但是，如果3D Xpoint僅僅停留在這種商業(yè)化程度，這項(xiàng)新型存儲(chǔ)技術(shù)的前景依然不夠明朗。

目前，3D XPoint想要大規(guī)模量產(chǎn)仍有一些挑戰(zhàn)需要克服。首先，3D XPoint需要用到大約100種新的制造原料。在這些原料中，有些原料目前的供應(yīng)量非常有限，因此需要仔細(xì)調(diào)整供應(yīng)鏈。

其次，由于3D Xpoint需要更多道工序，加工廠需要把廠房用地以及初始資本增加大約3到5倍。例如，生產(chǎn)第一代3D XPoint內(nèi)存需要占地2.5平方米的濕加工設(shè)備能在每小時(shí)處理180塊晶圓，而到了第二代3D XPoint就需要占地相同的設(shè)備每小時(shí)處理1000塊晶圓，3D XPoint加大了加工廠對(duì)于廠房和資本的需求。另外，3D XPoint也需要生產(chǎn)力更強(qiáng)的設(shè)備。

以上的挑戰(zhàn)都增加了3D XPoint的成本。然而，對(duì)于3D XPoint市場(chǎng)，成本是關(guān)鍵。第二代3D XPoint可以實(shí)現(xiàn)四層層疊，而其售價(jià)大約是DRAM的一半。從目前的市場(chǎng)趨勢(shì)來看，如果3D XPoint的成本沒法做到DRAM的一半以下，消費(fèi)者會(huì)更傾向于使用DRAM而不是3D XPoint。由于DRAM仍保持著每年大約30%的成本下降速度，3D XPoint想要保持成本比DRAM低一半的難度并不小。

除了3D XPoint自身的技術(shù)難點(diǎn)外，來自于其他新內(nèi)存技術(shù)的挑戰(zhàn)也不容小覷。

例如，軟件NVDIMM-P就是一個(gè)有力的挑戰(zhàn)者。軟件NVDIMM-P使用軟件算法來預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的訪問頻率，并依據(jù)訪問頻率的預(yù)測(cè)把數(shù)據(jù)存放到DRAM（存放高訪問頻率數(shù)據(jù)）或NAND（訪問低訪問頻率數(shù)據(jù)）中。這樣的技術(shù)可以平衡成本和性能，因?yàn)镈RAM訪問速度較快但是成本高，而NAND成本低存儲(chǔ)密度大但是訪問速度較慢。顯然，軟件NVDIMM-P的綜合性能取決于軟件算法和應(yīng)用場(chǎng)合，在有些應(yīng)用中軟件NVDIMM-P算法的預(yù)測(cè)準(zhǔn)度較高但是在另一些應(yīng)用中數(shù)據(jù)的訪問頻率卻很難預(yù)測(cè)。

3D Super-NOR也非常有潛力。3D Super-NOR技術(shù)使用3D堆疊技術(shù)并能提供很低的延遲。而且，3D Super-NOR的制造工藝相比3D XPoint來說要簡(jiǎn)單，并不需要新材料。3D Super-NOR的制造商BeSang宣稱3D Super-Nor可以實(shí)現(xiàn)成本比3D XPoint低十倍，當(dāng)然我們?nèi)匀恍枰?D Super-NOR真正量產(chǎn)才能驗(yàn)證它能否取代3D XPoint。

3D XPoint的市場(chǎng)潛力巨大，然而其復(fù)雜的制造工藝導(dǎo)致成本居高不下，在近期3D XPoint仍然很難取代DRAM。但我們應(yīng)該保持樂觀的態(tài)度。