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來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)

3D XPoint是一種于2015年7月正式發(fā)布的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)。它由英特爾和美光科技合作研發(fā)，基于該技術(shù)的首款產(chǎn)品于2017年5月上市銷售，并于2022年7月正式停止研發(fā)。

從理論上來(lái)講，3D XPoint是相變存儲(chǔ)器的一種實(shí)現(xiàn)方式，主要以硫系化合物為基礎(chǔ)，通過(guò)該材料在晶態(tài)和非晶態(tài)下的阻值差異表示二進(jìn)制的0和1。基于3D XPoint的存儲(chǔ)器具有高讀寫速度、低延遲、高性價(jià)比、大容量、持久數(shù)據(jù)保護(hù)等優(yōu)勢(shì)。

在產(chǎn)品定位上，3D XPoint并不是一種用于徹底替代內(nèi)存和NAND的技術(shù)，其定位是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)中的一個(gè)新的層級(jí)。在英特爾的官方宣傳中，3D XPoint理論上擁有遠(yuǎn)超NAND的容量和接近內(nèi)存的性能，包括比NAND速度快1000倍以上，壽命是NAND的1000倍以上，數(shù)據(jù)密度則達(dá)到了內(nèi)存的十倍以上。

發(fā)展歷史

問世

2015年7月，英特爾和美光攜手發(fā)布一種名為“3D XPoint”的存儲(chǔ)技術(shù)。他們表示3D XPoint擁有遠(yuǎn)超NAND的容量和接近內(nèi)存的性能，如比NAND速度快1000倍以上，壽命是NAND的1000倍以上，數(shù)據(jù)密度則達(dá)到內(nèi)存的十倍以上。隨后英特爾趁熱打鐵，于2015年8月宣布自家基于3D XPoint技術(shù)的產(chǎn)品品牌名為“Optane”，美光也在次年宣布自家基于該技術(shù)的產(chǎn)品品牌名為“QuantX”。

首發(fā)

雖然英特爾傲騰內(nèi)存系列產(chǎn)品首款發(fā)布的產(chǎn)品是面向高端數(shù)據(jù)中心的傲騰內(nèi)存 SSD DC P4800X（2017年3月發(fā)布，后更名為英特爾傲騰固態(tài)盤DC P4800X），但率先和大家見面的卻是面向消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域的英特爾傲騰內(nèi)存，它主要用于幫助機(jī)械硬盤提升數(shù)據(jù)讀寫速度。隨后英特爾又相繼發(fā)布了面向高端消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)的傲騰SSD 900P、傲騰數(shù)據(jù)中心級(jí)持久內(nèi)存和傲騰H10混合式固態(tài)盤。其中，傲騰數(shù)據(jù)中心級(jí)持久內(nèi)存受到科技媒體的廣泛關(guān)注，同時(shí)在這款產(chǎn)品的發(fā)布會(huì)上，華為、浪潮、中興等25家廠商也紛紛為它站臺(tái)。

相比英特爾基本完成3D XPoint的產(chǎn)品布局，美光的研發(fā)進(jìn)度慢了許多——2019年10月，美光發(fā)布基于該技術(shù)的X100 SSD（面向企業(yè)級(jí)市場(chǎng)），距離QuantX品牌發(fā)布已經(jīng)過(guò)去3年。不過(guò)在性能表現(xiàn)上，美光X100 SSD要比英特爾傲騰固態(tài)盤DC P4800XP4800X更加出色。如前者的連續(xù)讀寫速度超過(guò)9GB/s，而后者最高連續(xù)讀寫速度則分別為2500MB/s和2200MB/s。

迭代

2020年6月，英特爾傲騰家族正式迎來(lái)第一次迭代。英特爾在發(fā)布其服務(wù)器處理器和PCIe 4.0 SSD的同時(shí)，還帶來(lái)了第二代傲騰持久內(nèi)存。新品繼續(xù)采用DDR4 DIMM形態(tài)，但和上一代產(chǎn)品相比，新品的帶寬平均提升了25%。同年12月，英特爾發(fā)布傲騰固態(tài)盤 P5800X（英特爾的首款PCIe 4.0固態(tài)盤）、傲騰H20混合式固態(tài)盤，同時(shí)還宣布將推出第三代英特爾傲騰持久內(nèi)存。其中，英特爾宣稱傲騰固態(tài)盤P5800X的性能是前一代傲騰固態(tài)盤P4800X的三倍以上。

落幕

2022年3月，美光宣布終止對(duì)3D XPoint技術(shù)的研發(fā)，同時(shí)出售生產(chǎn)3D XPoint存儲(chǔ)芯片的IM Flash工廠，3D XPoint技術(shù)也因此再次受到廣泛關(guān)注。不過(guò)在此之前，就已經(jīng)有一些信息表明3D XPoint正在走向衰敗。2018年10月，美光宣布計(jì)劃全資控股生產(chǎn)3D XPoint存儲(chǔ)芯片的IM Flash（英文全稱IM Flash Technologies），該公司于2006年由美光和英特爾合資創(chuàng)辦。此外，英特爾也在2021年相繼宣布停產(chǎn)4款消費(fèi)級(jí)傲騰產(chǎn)品和部分傲騰固態(tài)盤P4800X。

2022年3月，英特爾全球傳播事業(yè)部的Ann Goldman表示：“我們將持續(xù)與客戶和合作伙伴在內(nèi)存和存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域展開密切合作，其中包括支持Sapphire Rapids的第三代英特爾傲騰產(chǎn)品。與此同時(shí)，我們也正在賦能生態(tài)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)基于CXL互連技術(shù)的內(nèi)存分層等關(guān)鍵技術(shù)做好準(zhǔn)備。”然而在2022年7月，英特爾也正式宣布將逐步退出傲騰存儲(chǔ)業(yè)務(wù)，并不再開發(fā)新產(chǎn)品。至此，3D XPoint技術(shù)的發(fā)展之路也走到盡頭。

原理

3D XPoint是相變存儲(chǔ)器的一種實(shí)現(xiàn)方式，它以硫系化合物為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，該材料的特點(diǎn)是在晶態(tài)和非晶態(tài)下有著明顯的阻值差異——晶態(tài)時(shí)阻抗較低，非靜態(tài)時(shí)阻抗較高，可分別用于表示二進(jìn)制的1（低阻抗）和0（高阻抗）。相變存儲(chǔ)器在晶態(tài)和非晶態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，是由施加適當(dāng)?shù)碾妷夯螂娏髅}沖來(lái)完成。具體來(lái)講，如果對(duì)非晶態(tài)的相變存儲(chǔ)器施加適當(dāng)?shù)碾妷夯螂娏髅}沖，使其溫度達(dá)到結(jié)晶溫度區(qū)間（高于結(jié)晶溫度且低于熔融溫度），那么器件材料就會(huì)開始結(jié)晶，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。而當(dāng)相變存儲(chǔ)器處于晶態(tài)時(shí)，通過(guò)電壓或電流脈沖的激勵(lì)，使其溫度高于最低熔融溫度從而達(dá)到熔融態(tài)，此時(shí)器件材料迅速冷卻的話，相變存儲(chǔ)器則不能在結(jié)晶溫度區(qū)間完成結(jié)晶，所以轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。此外，相變存儲(chǔ)器的每個(gè)狀態(tài)都是持久的，所以基于3D XPoint技術(shù)的存儲(chǔ)設(shè)備就具備了數(shù)據(jù)非易失的特性。

3D XPoint采用了一種新型存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)，從而擁有高存儲(chǔ)密度的特性（類似設(shè)計(jì)思路類似3D NAND）。具體來(lái)說(shuō)，3D XPoint基于由存儲(chǔ)單元構(gòu)成的三維存儲(chǔ)陣列，該陣列由行選擇線層、存儲(chǔ)單元層和列選擇線層堆疊構(gòu)成。其中，行選擇線與列選擇線相互垂直，且兩層相鄰的存儲(chǔ)陣列可共用它們中間的選擇線層。當(dāng)行選擇線和列選擇線被施加特定幅值的電壓激勵(lì)時(shí)，在選擇器和快速切換單元的輔助下，存儲(chǔ)單元就能以高于目前所有非易失性存儲(chǔ)的速度切換其狀態(tài)，從而完成數(shù)據(jù)的擦寫操作。

產(chǎn)品介紹

基于3D XPoint技術(shù)的產(chǎn)品主要可以分為內(nèi)存、SSD和緩存這3種類型。其中以內(nèi)存對(duì)應(yīng)的是英特爾傲騰持久內(nèi)存、SSD則對(duì)應(yīng)的是英特爾傲騰固態(tài)盤、美光X100，英特爾傲騰內(nèi)存和英特爾傲騰混合式固態(tài)盤則將基于3D XPoint技術(shù)的閃存芯片用作高速緩存。下面來(lái)看看3D XPoint賦予這些產(chǎn)品系列哪些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

英特爾傲騰持久內(nèi)存

英特爾傲騰持久內(nèi)存采用了和DDR4內(nèi)存相似的外形設(shè)計(jì)，其最主要的特性是通過(guò)使用DDR4接口，充分發(fā)揮其低延遲和高存儲(chǔ)密度的特性，從而在系統(tǒng)中提供略低于內(nèi)存的性能，但遠(yuǎn)超內(nèi)存的熱數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量（雙通道服務(wù)器平臺(tái)中最高容量可達(dá)6TB）。雖然英特爾傲騰持久內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀寫速度稍遜于普通DDR4內(nèi)存，但更高的存儲(chǔ)密度足以彌補(bǔ)前者在速度上的劣勢(shì)。

英特爾傲騰持久內(nèi)存擁有兩種工作模式，分別是Memory Mode和APP Driect Mode。在Memory Mode下，英特爾傲騰持久內(nèi)存將以內(nèi)存的方式運(yùn)行，系統(tǒng)將向英特爾傲騰持久內(nèi)存給出大量?jī)?nèi)存分配，并將它作為主存儲(chǔ)器，內(nèi)存則是緩沖器。值得注意的是，由于內(nèi)存緩沖的存在，英特爾傲騰持久內(nèi)存在Memory Mode下存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是易失性的，也就是在斷電后數(shù)據(jù)會(huì)消失。內(nèi)存模式的主要作用是優(yōu)化內(nèi)存容量并提供較高的性價(jià)比，而APP Driect Mode的主要作用則是優(yōu)化軟件性能。在APP Driect Mode下，內(nèi)存和傲騰持久內(nèi)存都可以被系統(tǒng)識(shí)別和使用，應(yīng)用程式會(huì)根據(jù)性能需求和數(shù)據(jù)類型來(lái)判斷將數(shù)據(jù)放入內(nèi)存和傲騰持久內(nèi)存各自的內(nèi)存池（Memory Tiering）中。由于傲騰持久內(nèi)存擁有數(shù)據(jù)非易失性這一特點(diǎn)，所以將一些原來(lái)會(huì)存入SSD或HDD中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)而存入傲騰持久內(nèi)存中，數(shù)據(jù)存取速度會(huì)更快，且延遲也更低。

英特爾傲騰固態(tài)盤、美光X100

得益于3D XPoint的非易失性、高性能、低延遲等特點(diǎn)，在SSD中基于3D XPoint技術(shù)的組件是其閃存芯片。搭載3D XPoint閃存的SSD主要面向服務(wù)器和PC，其中面向服務(wù)器的產(chǎn)品系列有英特爾傲騰固態(tài)盤P5800X、P4800X、P4801X、P1600X系列以及美光X100系列，面向PC市場(chǎng)的產(chǎn)品系列則是英特爾傲騰固態(tài)盤900P、905P和800P這3個(gè)系列。

性能表現(xiàn)上，面向服務(wù)器的英特爾傲騰固態(tài)盤和美光X100要優(yōu)于面向PC的傲騰固態(tài)盤900P和905P。例如在數(shù)據(jù)連續(xù)讀寫速度上，美光X100的連續(xù)讀寫速度超過(guò)9GB/s，而英特爾傲騰固態(tài)盤905P的數(shù)據(jù)連續(xù)讀寫速度分別是2600MB/s和2200MB/s。此外在4K隨機(jī)讀取速度上，英特爾傲騰固態(tài)盤P5800X最高可達(dá)1500000IOPS，而英特爾傲騰固態(tài)盤905P的4K隨取讀取速度為550000IOPS，可見面向服務(wù)器的3D XPoint產(chǎn)品在連續(xù)讀寫和隨機(jī)讀取性能上都有非常大的優(yōu)勢(shì)。

英特爾傲騰固態(tài)盤和美光X100都有著非常高的寫入壽命。如容量為480GB的英特爾傲騰固態(tài)盤905P的寫入壽命達(dá)到8970.24TB，而俠EXCERIA 480GB SSD的寫入壽命則是120TB，兩者相去甚遠(yuǎn)。

英特爾傲騰內(nèi)存、混合式固態(tài)盤

雖然命名中有“內(nèi)存”或“固態(tài)盤”這兩個(gè)關(guān)鍵詞，但實(shí)際上基于3D XPoint技術(shù)的閃存芯片在英特爾傲騰內(nèi)存和英特爾傲騰混合式固態(tài)盤中的主要作用類似SSD中的緩存芯片。得益于更快的連續(xù)和隨機(jī)讀寫性能，英特爾傲騰內(nèi)存可以在系統(tǒng)中模擬成機(jī)械硬盤的緩存設(shè)備，從而加速機(jī)械硬盤的數(shù)據(jù)讀寫。不過(guò)需要注意的是，英特爾傲騰內(nèi)存搭配支持該產(chǎn)品的硬件才能正常使用，同時(shí)被它加速的機(jī)械硬盤在系統(tǒng)中必須是系統(tǒng)盤。

除了機(jī)械硬盤，3D XPoint技術(shù)的閃存芯片也科技給SSD加速，英特爾傲騰混合式固態(tài)盤就是一個(gè)比較典型的應(yīng)用案例。英特爾傲騰混合式固態(tài)盤擁有H10和H20這兩個(gè)產(chǎn)品系列，它們都搭載的是基于3D XPoint技術(shù)的閃存芯片和英特爾的QLC NAND緩存芯片，所以英特爾傲騰混合式固態(tài)盤擁有3D XPoint閃存的高性能、低延時(shí)，同時(shí)還兼顧QLC NAND帶來(lái)的高存儲(chǔ)密度和低成本。

應(yīng)用領(lǐng)域及案例

基于3D XPoint技術(shù)的英特爾傲騰產(chǎn)品在存儲(chǔ)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)、AI/分析、高性能計(jì)算、通信和消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域均得到應(yīng)用，并且不同領(lǐng)域中英特爾傲騰產(chǎn)品的應(yīng)用模式也有所不同。如英特爾傲騰數(shù)據(jù)中心級(jí)持久內(nèi)存讓快手Redis服務(wù)的TCO降低了30%，英特爾傲騰固態(tài)盤DC P4800X提升了中國(guó)電信集團(tuán)四川ABM系統(tǒng)的存儲(chǔ)性能和穩(wěn)定性。

參考資料 >

英特爾? 傲騰? 內(nèi)存 - 變革性內(nèi)存：什么是傲騰? 內(nèi)存？.英特爾.2022-11-10

新一代傲騰? 持久內(nèi)存為分層內(nèi)存提供強(qiáng)大支持.Intel.2022-11-10

Analyzing Intel-Micron 3D XPoint: The Next Generation Non-Volatile Memory.AnandTech.2022-11-10

英特爾? 傲騰? 持久內(nèi)存.Intel.2022-11-10

英特爾? 固態(tài)盤數(shù)據(jù)中心家族.Intel.2022-11-10

Micron Finally Announces A 3D XPoint Product: Micron X100 NVMe SSD.AnandTech.2022-11-10

英特爾傲騰內(nèi)存Q&A：幫你解答各類疑問.中關(guān)村在線.2022-11-10

Intel To Wind Down Optane Memory Business - 3D XPoint Storage Tech Reaches Its End.AnandTech.2022-11-10

英特爾? 傲騰? 持久內(nèi)存加速M(fèi)ars性能，讓科學(xué)計(jì)算更高效.英特爾數(shù)據(jù)中心.2022-11-10

Intel Announces Optane Storage Brand For 3D XPoint Products.AnandTech.2022-11-10

Micron Announces QuantX Branding For 3D XPoint Memory (UPDATED).AnandTech.2022-11-10