通用超級存儲器

英特爾已經將目光投向未來的電腦：新的3D XPoint存儲器和內存一樣快，又可以比固態硬盤更可靠地存儲數據，首批產品將在2016年發布。

電腦技術的發展速度極快，按照摩爾定律，半導體芯片上集成的晶體管和電阻數量每18個月增加一倍。但是，除了芯片，其他的一些技術也非常重要，例如所謂的非易失性存儲器（Non Volatile Memory，簡稱NVM）：NVM是工作存儲器和數據存儲器的通用組合，目前為了確保電腦可以快速地工作，我們需要為其配備內存，而內存在電腦關閉之后是無法保存數據的，為此，我們還需要為電腦配備硬盤驅動器。作為工作存儲器，內存的速度非常快，但它需要每隔幾秒就重新刷新，否則數據將丟失。而硬盤可以長期保存數據，但是它的速度比內存要慢很多。在使用兩種存儲器的情況下，電腦需要從數據存儲器上加載數據到工作存儲器，處理之后在將數據從工作存儲器寫入數據存儲器，個人電腦花費大量的時間來進行類似的讀取和寫入操作。

而使用通用的存儲器NVM將可以完全避免這種浪費，因為內存和硬盤驅動器不再是兩種不同的介質，而是合為一體，成為一個單一的介質，這將可以帶來一種全新的電腦。為了實現這一構想，通用存儲器必須和內存一樣快，并且能夠在切斷電源之后仍然可以保存其數據。雖然閃存很快，固態硬盤可以比普通的機械硬盤快得多，但是和內存相比它們仍然太慢，為此，我們需要一種新的存儲器。十多年來研究人員一直在琢磨能夠滿足這種需求的NVM技術，而當前有3種新興的存儲技術最有機會脫穎而出：可變電阻式隨機存儲技術（Resistive random-access memory，簡稱ReRAM或RRAM）、相變存儲技術（Phase Change Memory，簡稱PCM）和自旋轉移力矩隨機存儲技術（Spin Transfer Torque Random Access Memory，簡稱STT-RAM）。由于3D XPoint使用PCM技術，所以目前它看起來像是這場竟賽的贏家，雖然英特爾并沒有明確說明所使用的技術，但是根據英特爾已經發布的3D XPoint相關資料，似乎指向PCM的方向。

從非結晶到結晶

所謂的相變存儲技術指的是利用一些物質可逆轉的相變來存儲信息的技術，物質的非結晶和結晶狀態分別對應0和1。許多PCM項目指望硫屬化物，通常是周期表氧族的一種或多種元素的化合物，而最有希望的候選者是鍺、硒和碲的合金。在非結晶或隨機狀態下，這些合金是不導電的，但是它們在結晶狀態下是導電的。從非結晶狀態向結晶狀態轉換只需要用較弱的能量和稍長的脈沖加熱即可，但是如果要使材料返回到非結晶狀態，則需要施加強大的短脈沖熔化材料，然后在它達到非晶狀態時冷卻它。

如果我們仔細觀察3D XPoint的PCM單元，那么我們就會發現它由兩部分組成，每一部分都夾在兩個電極之間：下面的部分是一個晶體或非晶體狀態的存儲元件，上面則是一個開關（雙向閾值開關），用于釋放或鎖定存儲器元件的存取。這個開關主要是為了防止相鄰的PCM單元的漏電流無意中激活存儲元件而導致出現錯誤。添加這一開關作為絕緣層，能夠讓PCM單元彼此靠近而不相互影響。

上億次寫操作

和內存一樣，每一個PCM單元是由位線和字線控制的，可以單獨控制，而閃存則無法做到這一點，所以如果固態硬盤控制器需要修改一個字節的數據，則必須重新寫一個最小尺寸4 000字節的大塊。而另一方面，3D XPoint的PCM單元使用20nm的工藝生產，因此，所實現的數據載體類似于最新的固態硬盤，其存儲密度至少是普通內存的10倍。此外，3D XPoint目前最多可以堆疊兩層PCM單元，這種結構是其名稱“3D”的由來。而我們更關心的是，這種技術最終是否能夠和閃存一樣堆疊32或48層。3D XPoint另一個主要優點是耐用：相對于普通固態硬盤，閃存單元只有大約5000～10000次的寫操作壽命，PCM單元可以承受上億次相位的變換。

2015年，英特爾和美光已經宣布將要大量生產3D XPoint，并組成合資企業“英特爾美光閃存技術”（Intel Micron Flash Technologies，簡稱IMFT）。不過，生產的具體情況并不太清楚：英特爾打算在2016年開始供應3D XPoint固態硬盤，但IMFT的負責人認為，可能需要到2017年4月中旬才能夠展示產品的原型。

該產品可以實現2GB/s的傳輸速度，而影響其速度的可能是相對比較緩慢的接口。另外，3D XPoint的內存條也有望在2017年開始銷售，界時我們將可以體驗一下3D XPoint究竟有多快以及它是否可以成為一種通用的存儲器。