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解读“3D XPoint”技术 如何让闪存快千倍?

2015-08-03 18:30:10来源:互联网

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日前,花火网报道过一篇关于英特尔与美光即将开始生产高速新式内存芯片的新闻,现据两家公司表示,其中的新技术将改变计算机存取大量数据的方式。

两家公司在声明中表示,新芯片中的“3D XPoint”技术是25年来内存芯片市场上首次出现的主流新技术速度比目前市场上的闪存快1000倍,这种芯片可用于移动设备存储数据,同时被越来越多的电脑使用。

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美光总裁马克·亚当斯(Mark Adams)在声明中表示:“在现代计算机中,最大的一项障碍便是处理器在长期存储设备中找到数据的时间太长。这种新的、非短期的内存是一项技术革命。它可以快速存取巨量数据集,支持全新的应用。

长期以来,储存器的速度和容量都是计算机的最大瓶颈,即使在SSD硬盘已经普及的今天也不例外。为了硬盘的速度,我们搞出来Raid 0,从机械硬盘进化到闪存盘,但是储存器本身的存储速度还是慢慢进步的,英特尔与美光搞得这个革命性的东西是什么呢?为什么会快到如此地步呢?

一、传统闪存是怎么干活的?

我们正在使用的闪存虽然发展了很多年,但是本质上还是利用一个个微小的晶体管来储存数据。

晶体管是NAND芯片的核心。NAND芯片靠电子在晶体管的“浮动栅”来回移动工作。

(编者注:NAND闪存是1989年问世的第一代非易失性存储技术。非易失性存储意味着在关掉电源的情况下还能存储数据。)

浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它是控制传导电流的选择控制栅。闪存晶体管里面数据是0或1取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子。有电子就为0,没电子为1。

闪存在存取数据的时候,要先把所有单元的电子都清掉,具体说就是从所有浮动栅中导出电子。即将有所数据归“1”。写入时只有数据为0时才进行写入,数据为1时则什么也不做。

要写入就是施加高电压,让电子就会突破氧化膜绝缘体,进入浮动栅。有电子了,这个晶体管就是0了,这样写入就完成了。

而读取数据时,就施加一定的电压,因为硅底板上的浮动栅有的有电子,有的没电子,同样施加电压,出来的电流就不一样,这样就能读出0或者1。

因为你得先擦除再写入,所以闪存的速度不如内存快,用英特尔总裁罗勃·克鲁克比喻说:“这有点像一个停车场,要想移动一辆车,会让其他汽车挤在一起。你不得不把它们重新排列,才能让一个新的汽车进来。”

此外,你存一次数据,就得加一个高电压穿过绝缘氧化膜。这个膜不是无限寿命的,高电压次数加多了,这个膜就失效了。这个时候闪存就没法用了,就是我们说的闪存的寿命到了。

另外,晶体管的大小是跟着制造工艺来的,摩尔定律发展到哪一步,就有哪一步的速度和容量,不会有突破性发展。

速度、容量、寿命就成了闪存的三大问题。

二、3D XPoint的突破

新存储芯片是一种多层线路构成的三维结构,每一层上线路互相平行,并与上下层的线路互成直角,层与层间的有“柱子”似的线在上下层的交错点连接。

横向的层是绝缘层,每根“柱子”分两节,一节是“记忆单元”,用来存数据,记忆单元能存储一个比特的数据,代表二进制代码中的一个1或0;一节是一个“选择器”,选择器允许读写特定的记忆单元,通过改变线路电压来控制访问。

现在有意思的就是这个“记忆单元”,它不是晶体管。这意味着和传统闪存完全不同,所以他才能有更大储存密度,更快的速度。

但是它是什么?用什么材料?英特尔与美光打死也不说,我们只能推测。

其实,不用晶体管的储存器,这些年一直在搞。cross-point架构舍弃了晶体管,采用栅状电线(a latticework of wires)电阻来表示0和1,高电阻状态时,电不能轻易通过,cell表示0,当处于低电阻时,cell表示1。

这种用电阻差异来存数据的东西叫电阻式RAM(简称RRAM),三星、闪迪等巨头都在投入,但是真正接近实用化的是一家名为Crossbar的创业公司(首席科学家个叫卢伟的华裔),它在2013年推出了邮票大小的ReRAM产品原型,它可以存储1TB数据。2014年已经进入准备商用的阶段。Crossbar的架构图和英特尔、镁光的这个3D XPoint的架构图就很接近了。

彻底干掉NAND闪存!美好的电阻式RAM来啦

镁光在2014年也拿出来索尼联合研发ReRAM,原理类似,还公布了一些材料的信息。如今时隔不到一年,这个3D XPoint我们相信就是个新名词而已。

美光再曝可变电阻式ReRAM 就是不量产

本质上,它就是电阻式RAM,架构参考了Crossbar的架构。材料上镁光有了一定的突破,最后加上Intel的工艺,基本可以把这个东西实用化,这就是3D XPoint。

三、3D XPoint能干什么?

不考虑成本的话,这个东西是目前储存器的良好替代品,寿命比机械硬盘还长,速度比闪存快1000倍,接近内存的速度,容量密度还很大。要求低一点的计算设备,可以一种储存器打天下了。

对于要求高的地方,它可以在内存和硬盘之间当一个缓冲,类似于现在SSD盘这么一个角色,需要快速读取写入的,用3D XPoint,不需要的还是用硬盘。只是相对于现在的SSD盘,它的速度更快,寿命更长,容量更大。

这个东西初期价格会很高,会先应用于超级计算机,高性能服务器这些不差钱的地方。但是因为这个东西的制造工艺和现在的半导体芯片没有太大区别,技术搞清楚后很多厂都可以做,价格也会很快下来。乐观估计,大约5年内这类东西就会普及。也许5年后我们的电脑手机很快就会用上。

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