如何讓閃存快1000倍？Intel 采用3D XPoint 技術(shù)的秘密

　　摘要：前不久，英特爾與美光即將開(kāi)始生產(chǎn)速度更快的新式內存芯片，據兩家公司表示，其中的新技術(shù)將改變計算機存取大量數據的方式。兩家公司在聲明中表示，新芯片中的“3D XPoint”技術(shù)是25年來(lái)內存芯片市場(chǎng)上首次出現的主流新技術(shù)速度比目前市場(chǎng)上的閃存快1000倍，這種芯片可用于移動(dòng)設備存儲數據，同時(shí)被越來(lái)越多的電腦使用。

　　美光總裁馬克·亞當斯(Mark Adams)在聲明中表示：“在現代計算機中，最大的一項障礙便是處理器在長(cháng)期存儲設備中找到數據的時(shí)間太長(cháng)。這種新的、非短期的內存是一項技術(shù)革命。它可以快速存取巨量數據集，支持全新的應用。

　　長(cháng)期以來(lái)，儲存器的速度和容量都是計算機的最大瓶頸，即使在SSD硬盤(pán)已經(jīng)普及的今天也不例外。為了硬盤(pán)的速度，我們搞出來(lái)Raid 0，從機械硬盤(pán)進(jìn)化到閃存盤(pán)，但是儲存器本身的存儲速度還是慢慢進(jìn)步的，英特爾與美光搞得這個(gè)革命性的東西是什么呢?為什么會(huì )快到如此地步呢?

　　一、傳統閃存是怎么干活的?

　　我們正在使用的閃存雖然發(fā)展了很多年，但是本質(zhì)上還是利用一個(gè)個(gè)微小的晶體管來(lái)儲存數據。

　　晶體管是NAND芯片的核心。NAND芯片靠電子在晶體管的“浮動(dòng)柵”來(lái)回移動(dòng)工作。

　　(編者注：NAND閃存是1989年問(wèn)世的第一代非易失性存儲技術(shù)。非易失性存儲意味著(zhù)在關(guān)掉電源的情況下還能存儲數據。)

　　浮動(dòng)柵包裹著(zhù)一層硅氧化膜絕緣體。它是控制傳導電流的選擇控制柵。閃存晶體管里面數據是0或1取決于在硅底板上形成的浮動(dòng)柵中是否有電子。有電子就為0，沒(méi)電子為1。

　　閃存在存取數據的時(shí)候，要先把所有單元的電子都清掉，具體說(shuō)就是從所有浮動(dòng)柵中導出電子。即將有所數據歸“1”。寫(xiě)入時(shí)只有數據為0時(shí)才進(jìn)行寫(xiě)入，數據為1時(shí)則什么也不做。

　　要寫(xiě)入就是施加高電壓，讓電子就會(huì )突破氧化膜絕緣體，進(jìn)入浮動(dòng)柵。有電子了，這個(gè)晶體管就是0了，這樣寫(xiě)入就完成了。

　　而讀取數據時(shí)，就施加一定的電壓，因為硅底板上的浮動(dòng)柵有的有電子，有的沒(méi)電子，同樣施加電壓，出來(lái)的電流就不一樣，這樣就能讀出0或者1。

　　因為你得先擦除再寫(xiě)入，所以閃存的速度不如內存快，用英特爾總裁羅勃·克魯克比喻說(shuō)：“這有點(diǎn)像一個(gè)停車(chē)場(chǎng)，要想移動(dòng)一輛車(chē)，會(huì )讓其他汽車(chē)擠在一起。你不得不把它們重新排列，才能讓一個(gè)新的汽車(chē)進(jìn)來(lái)。”

　　此外，你存一次數據，就得加一個(gè)高電壓穿過(guò)絕緣氧化膜。這個(gè)膜不是無(wú)限壽命的，高電壓次數加多了，這個(gè)膜就失效了。這個(gè)時(shí)候閃存就沒(méi)法用了，就是我們說(shuō)的閃存的壽命到了。

　　另外，晶體管的大小是跟著(zhù)制造工藝來(lái)的，摩爾定律發(fā)展到哪一步，就有哪一步的速度和容量，不會(huì )有突破性發(fā)展。

　　速度、容量、壽命就成了閃存的三大問(wèn)題。

　　二、3D XPoint的突破

　　新存儲芯片是一種多層線(xiàn)路構成的三維結構，每一層上線(xiàn)路互相平行，并與上下層的線(xiàn)路互成直角，層與層間的有“柱子”似的線(xiàn)在上下層的交錯點(diǎn)連接。

　　橫向的層是絕緣層，每根“柱子”分兩節，一節是“記憶單元”，用來(lái)存數據，記憶單元能存儲一個(gè)比特的數據，代表二進(jìn)制代碼中的一個(gè)1或0;一節是一個(gè)“選擇器”，選擇器允許讀寫(xiě)特定的記憶單元，通過(guò)改變線(xiàn)路電壓來(lái)控制訪(fǎng)問(wèn)。

　　現在有意思的就是這個(gè)“記憶單元”，它不是晶體管。這意味著(zhù)和傳統閃存完全不同，所以他才能有更大儲存密度，更快的速度。

　　但是它是什么?用什么材料?英特爾與美光打死也不說(shuō)，我們只能推測。

　　其實(shí)，不用晶體管的儲存器，這些年一直在搞。cross-point架構舍棄了晶體管，采用柵狀電線(xiàn)(a latticework of wires)電阻來(lái)表示0和1，高電阻狀態(tài)時(shí)，電不能輕易通過(guò)，cell表示0，當處于低電阻時(shí)，cell表示1。

　　這種用電阻差異來(lái)存數據的東西叫電阻式RAM(簡(jiǎn)稱(chēng)RRAM)，三星、閃迪等巨頭都在投入，但是真正接近實(shí)用化的是一家名為Crossbar的創(chuàng )業(yè)公司(首席科學(xué)家個(gè)叫盧偉的華裔)，它在2013年推出了郵票大小的ReRAM產(chǎn)品原型，它可以存儲1TB數據。2014年已經(jīng)進(jìn)入準備商用的階段。Crossbar的架構圖和英特爾、鎂光的這個(gè)3D XPoint的架構圖就很接近了。

　　鎂光在2014年也拿出來(lái)索尼聯(lián)合研發(fā)ReRAM，原理類(lèi)似，還公布了一些材料的信息。如今時(shí)隔不到一年，這個(gè)3D XPoint我們相信就是個(gè)新名詞而已。

　　本質(zhì)上，它就是電阻式RAM，架構參考了Crossbar的架構。材料上鎂光有了一定的突破，最后加上Intel的工藝，基本可以把這個(gè)東西實(shí)用化，這就是3D XPoint。

　　三、3D XPoint能干什么?

　　不考慮成本的話(huà)，這個(gè)東西是目前儲存器的良好替代品，壽命比機械硬盤(pán)還長(cháng)，速度比閃存快1000倍，接近內存的速度，容量密度還很大。要求低一點(diǎn)的計算設備，可以一種儲存器打天下了。

　　對于要求高的地方，它可以在內存和硬盤(pán)之間當一個(gè)緩沖，類(lèi)似于現在SSD盤(pán)這么一個(gè)角色，需要快速讀取寫(xiě)入的，用3D XPoint，不需要的還是用硬盤(pán)。只是相對于現在的SSD盤(pán)，它的速度更快，壽命更長(cháng)，容量更大。

　　這個(gè)東西初期價(jià)格會(huì )很高，會(huì )先應用于超級計算機，高性能服務(wù)器這些不差錢(qián)的地方。但是因為這個(gè)東西的制造工藝和現在的半導體芯片沒(méi)有太大區別，技術(shù)搞清楚后很多廠(chǎng)都可以做，價(jià)格也會(huì )很快下來(lái)。樂(lè )觀(guān)估計，大約5年內這類(lèi)東西就會(huì )普及。也許5年后我們的電腦手機很快就會(huì )用上。