存儲(chǔ)新革命

許山白

基于馮諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，從根本原理開始就和存儲(chǔ)器的性能息息相關(guān)。即使經(jīng)過如此多年的發(fā)展，為了解決存儲(chǔ)方面的瓶頸，計(jì)算機(jī)仍然不得不使用寄存器、緩存、內(nèi)存、硬盤這樣的多級(jí)緩沖存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到滿足性能需求并降低成本的要求。去年，英特爾和美光宣布了全新3D XPoint存儲(chǔ)技術(shù)，能夠在很大程度上解決存儲(chǔ)系統(tǒng)中硬盤和內(nèi)存速度差異太大的問題。和目前的存儲(chǔ)器介質(zhì)相比，3D XPoint除了工藝和部分結(jié)構(gòu)，在讀寫原理和特性上有了革命性的進(jìn)步，今年也許會(huì)是首款商業(yè)化的非易失性超高速、長(zhǎng)壽命存儲(chǔ)設(shè)備，因此值得我們重點(diǎn)關(guān)注。

性能鴻溝——目前存儲(chǔ)器存在的一些問題

存儲(chǔ)器的性能是PC設(shè)備上目前的短板。這一點(diǎn)從很多用戶由HDD更換為SSD后，感覺像是“換了一個(gè)電腦”就能體現(xiàn)出來。HDD目前的傳輸速度往往在200MB/s以內(nèi)，尋道時(shí)間約為10ms級(jí)；SSD傳輸速度為數(shù)百M(fèi)B/s到幾GB/s，尋道時(shí)間約為0.1ms以內(nèi)；更快的內(nèi)存帶寬為幾十GB/s，延遲時(shí)間低至ns級(jí)。再向上還有更高速的緩存、寄存器等設(shè)備。

DRAM：易失性難以解決

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)（只要不是物理損壞、接觸不良或者擊穿）。不過，DRAM的存儲(chǔ)需要不停供電，斷電就會(huì)丟失存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。從DRAM被發(fā)明出來到現(xiàn)在，比如從SDRAM到后來的DDR、DDR2、DDR3以及目前的DDR4，DRAM只是不斷地在預(yù)取值和總線上進(jìn)行調(diào)整，核心的存儲(chǔ)架構(gòu)其實(shí)變化不大。

NAND：壽命、延遲不盡如人意

再來看目前廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)設(shè)備的NAND閃存。NAND閃存分為SLC、MLC、TLC等多種分支顆粒。從壽命上說，NAND是有平均讀寫次數(shù)的壽命的，即使是性能最好的SLC NAND顆粒，其壽命也比DRAM小得多。這對(duì)需要長(zhǎng)期不斷讀寫數(shù)據(jù)的設(shè)備來說并不是一個(gè)好消息。雖然人們可以通過設(shè)置緩沖空間、平衡磨損算法、提前設(shè)置壽命預(yù)警來確保NAND不會(huì)在使用的時(shí)候“掉鏈子”、引發(fā)數(shù)據(jù)丟失，但壽命依舊是NAND在使用中不可回避的問題，畢竟數(shù)據(jù)是無價(jià)的。此外，受制于存儲(chǔ)原理，NAND延遲較高，尤其是寫入時(shí)存在充電時(shí)間，怎么也快不起來，目前只能被用作外部存儲(chǔ)設(shè)備。但在今天，由于之前有性能更低的HDD機(jī)械硬盤的存在，基于NAND顆粒的SSD仍舊讓用戶感受到了性能的巨大提升。

性能鴻溝：PC架構(gòu)的問題

說完了DRAM和NAND各自存在的問題，另一個(gè)問題也逐漸浮現(xiàn)出來，那就是DRAM和NAND作為目前最新的兩級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，中間的性能鴻溝依舊存在。所謂性能鴻溝，就是上下兩級(jí)系統(tǒng)存在較大的性能差距，使得級(jí)次緩存的設(shè)計(jì)方案很難體現(xiàn)出最佳的效果。在之前的文章中，本刊曾經(jīng)提到過DRAM和HDD之間的性能鴻溝堪稱天塹；在NAND和DRAM上，這個(gè)鴻溝只是略有縮小而已，本質(zhì)上的變化并不明顯。舉例來說，NAND設(shè)備目前的最快速度差不多在2GB/s～3GB/s，處理器的內(nèi)存帶寬已經(jīng)突破50GB/s大關(guān)，兩者之間差了一個(gè)數(shù)量級(jí)。在延遲上，DRAM只有十幾納秒，相比NAND的約一百微秒，快了好多個(gè)數(shù)量級(jí)。

實(shí)際上，內(nèi)存和外部存儲(chǔ)之間的性能差距過大，已經(jīng)成為影響用戶體驗(yàn)繼續(xù)提升的瓶頸。說起來CPU性能10年來提升了好幾倍，但你并沒有感覺到電腦的速度快了好幾倍。所以研究機(jī)構(gòu)一直在提出很多解決方案，試圖解決這個(gè)鴻溝，比如相變存儲(chǔ)器、賽道存儲(chǔ)器、全新的高速磁存儲(chǔ)設(shè)備等。但這些技術(shù)不是還深藏在實(shí)驗(yàn)室中，就是剛在于PPT上公諸于眾。到了去年，作為存儲(chǔ)業(yè)界的領(lǐng)軍企業(yè)之一的英特爾和美光，終于將其中一種全新的存儲(chǔ)技術(shù)推向了前臺(tái)，這種技術(shù)同時(shí)擁有高性能和非易失性兩種特性，這就是今天的主角：3D XPoint！

3D XPoint的原理——“電阻存儲(chǔ)器”

首先，我們還是來看看3DXPoint的原理。

我們知道，目前的所有IT設(shè)備都使用的是二進(jìn)制。二進(jìn)制中只有0和1兩個(gè)數(shù)字。對(duì)存儲(chǔ)器而言，要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，就需要想辦法呈現(xiàn)兩種差異較大的、可探測(cè)的狀態(tài)，其中一種代表0，另一種代表1。其實(shí)算來算去，目前人類掌握的物理特性中，能夠方便表現(xiàn)不同狀態(tài)的物理量一只手都可以數(shù)過來，無非就是電流、電壓、電阻、磁極等幾種，至于其他的物理量，目前暫時(shí)還沒什么看到投入實(shí)際使用的可能。

舉例來說，NAND里面有一個(gè)“小空間”被稱為絕緣浮置柵極，不同數(shù)據(jù)狀態(tài)就通過檢測(cè)絕緣浮置柵極中的電壓來確定。比如0就是高電壓、1就是低電壓。隨后人們發(fā)現(xiàn)，如果電壓差拉得比較大的話，還可以存在00最高電壓、01較高電壓、10較低電壓、11最低電壓四種狀態(tài)，這就是MLC。隨后還可以做出八種狀態(tài)，被稱為TLC。

言歸正傳，那么3D XPoint是應(yīng)用了什么物理特性呢？目前英特爾和美光對(duì)此閉口不談，資料更是匱乏。一些不具名的介紹資料顯示，3D XPoint使用的標(biāo)記數(shù)據(jù)狀態(tài)的物理值不是業(yè)內(nèi)常用的電壓、也不是電流，更不是目前還在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的磁極，而是電阻。

從英特爾給出的一些圖片來看，3D XPoint的基本單元結(jié)構(gòu)和目前的存儲(chǔ)芯片非常相似，都擁有完整的字線和位線，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在交叉疊起的字線和位線之間。字線或者位線之間存在的特定電壓差，能夠改變一種特殊材料的電阻。電阻改變后，數(shù)據(jù)就被標(biāo)識(shí)為1，反之則為0。當(dāng)數(shù)據(jù)需要讀取時(shí)，字線和位線可以檢測(cè)某個(gè)存儲(chǔ)單位的電阻值，根據(jù)其電阻值來反饋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況。

3D XPoint的特點(diǎn)——定位、壽命、價(jià)格

在了解3D XPoi nt的有關(guān)技術(shù)本質(zhì)之后，我們來看看3D XPoint到底能給我們的生活和應(yīng)用帶來怎樣的變化。endprint

定位：并非你死我活

我們首先來看基于3D XPoint產(chǎn)品的定位。英特爾給出的說法是，3D XPoint并不是用于徹底替代DRAM和NAND的技術(shù)，它的定位是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)中的一個(gè)新的層級(jí)，可以在不同的應(yīng)用領(lǐng)域增強(qiáng)目前的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體系。

為什么這么說？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（寫入延遲要更長(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；在壽命方面，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，單從壽命來看，還是和DRAM沒法比）；帶寬方面倒不是問題，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，3DXPoint擁有NAND類似的容量和DRAM類似的性能。包括比NAND速度快（這里的速度應(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+3D XPoint+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 XP0int+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。

壽命：其實(shí)也不是重點(diǎn)

有關(guān)壽命問題，實(shí)際上是在NAND的應(yīng)用中被討論最多的，因?yàn)門LC的NAND芯片在干次級(jí)別的完全讀寫就有可能耗盡一個(gè)單元的所有壽命。千次聽起來非常短，但目前我們看到大量的數(shù)據(jù)中心和企業(yè)用戶都布置了NAND存儲(chǔ)設(shè)備，這證明在各種平均摩擦（利用算法檢測(cè)、控制所有NAND單元，盡可能使所有的NAND讀寫次數(shù)相當(dāng)）和數(shù)據(jù)緩沖（臨時(shí)數(shù)據(jù)不需要重復(fù)讀寫，轉(zhuǎn)而使用壽命更長(zhǎng)的DRAM或者SLC等芯片緩存替代）算法的幫助下，NAND的壽命問題得到了比較好的解決。在我們之前的測(cè)試中，TLC芯片的SSD，在壓力測(cè)試下同樣未出問題。

相比NAND，3D XPoint的壽命問題其實(shí)更不是問題。根據(jù)英特爾數(shù)據(jù)，3D XPoint如果擁有200萬次的讀寫壽命，在平衡算法下，一個(gè)512GB的3D XPoint設(shè)備理論上需要完全讀寫1024PB才會(huì)死亡，相當(dāng)于在五年內(nèi)每天寫入574TB數(shù)據(jù)。如此龐大的寫入量對(duì)任何一個(gè)數(shù)據(jù)中心來說都不算低，除了那些必須使用DRAM維持超高負(fù)載的特殊場(chǎng)合，3D XPoint完全可以勝任目前幾乎所有的熱/溫存儲(chǔ)中心應(yīng)用。至于冷存儲(chǔ)，從成本的角度看一直就不適合最新的高速存儲(chǔ)設(shè)備。

價(jià)格：不會(huì)太便宜

說起3D XPoint的價(jià)格，需要考慮兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是成本，二是市場(chǎng)定位。

先來看成本。根據(jù)英特爾和美光展示出來的資料，3D XPoint的單個(gè)晶元可以切割396個(gè)3D XPoint晶粒，每個(gè)晶粒面積大約為210平方毫米（每個(gè)晶粒容量為128Gb）。相比之下，20nm 128Gb的MLCNAND晶粒的面積約為202平方毫米。總的來看，除開研發(fā)和生產(chǎn)中其他成本，僅從晶元的角度來看，3DXPoint的成本應(yīng)該和NAND相差不多——當(dāng)然良率又是另外一說了。

接下來看市場(chǎng)定位。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——這也是英特爾反復(fù)強(qiáng)調(diào)3D XPoint不將NAND作為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的原因所在。

另一方面，英特爾自己也有龐大的NAN DT廠和不小的市場(chǎng)份額，3D XPoint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)用于面向企業(yè)級(jí)的利潤(rùn)較高的產(chǎn)品中。

3D XPoint：面向未來

總體來看，3D XPoint足夠強(qiáng)大也足夠優(yōu)秀，它能帶來存儲(chǔ)市場(chǎng)的一次革命。不過在短期內(nèi)，3DXPoint技術(shù)的成熟度還需要市場(chǎng)檢驗(yàn)。英特爾開發(fā)這款產(chǎn)品的意義在于讓企業(yè)級(jí)系統(tǒng)在提升性能時(shí)有一個(gè)新的選擇。當(dāng)然，英特爾肯定希望可以在不影響原本NAND和3DNAND市場(chǎng)份額的情況下，占據(jù)一個(gè)全新的市場(chǎng)。我們也要看到，3DXPoint以及其他在研發(fā)階段的先進(jìn)技術(shù)，一旦成功并大規(guī)模量產(chǎn)，必將徹底改變了存儲(chǔ)行業(yè)現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境。目前根據(jù)最新消息來看，3DXPoint技術(shù)與產(chǎn)品已處于最后的完善階段，英特爾很可能在今年內(nèi)就發(fā)布基于3D XPoint技術(shù)的存儲(chǔ)產(chǎn)品。而為了解決PCIe總線帶寬不足的問題，據(jù)悉一些3D XPoint產(chǎn)品將直接采用DDR4接口，即未來的非易失存儲(chǔ)設(shè)備也將通過內(nèi)存接口與CPU通信。

此外英特爾也正在考慮全新的超級(jí)連接總線，為下一代高性能計(jì)算、企業(yè)級(jí)服務(wù)器和高性能PC做準(zhǔn)備。所以3D XPoint的出現(xiàn)，事實(shí)上有可能會(huì)刺激整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)生一次全新的革命。而當(dāng)技術(shù)成熟后，相信最終消費(fèi)端也會(huì)隨之獲益，獲得存儲(chǔ)性能更加優(yōu)秀的PC解決方案。endprint