Intel 让快闪记忆体快 1,000 倍?3D XPoint 技术的秘密

Intel 让快闪记忆体快 1,000 倍?3D XPoint 技术的秘密

前不久,英特尔与美光即将开始生产速度更快的新式记忆体晶片,据两家公司表示,其中的新技术将改变电脑存取大量资料的方式。

两家公司在声明中表示,新晶片中的「3D XPoint」技术是 25 年来记忆体晶片市场上首次出现的主流新技术,速度比目前市场上的快闪记忆体快 1,000 倍,这种晶片可用于行动装置储存资料,同时被越来越多的电脑使用。

美光总裁马克·亚当斯(Mark Adams)在声明中表示:「在现代电脑中,最大的一项障碍便是处理器在长期存放装置中找到资料的时间太长。这种新的、非短期的记忆体是一项技术革命。它可以快速存取巨量资料集,支援全新的应用。」

长期以来,储存装置的速度和容量都是电脑的最大瓶颈,即使在 SSD 硬碟已经普及的今天也不例外。为了硬碟的速度,我们搞出来 Raid 0,从机械硬碟进化到快闪记忆体盘,但是储存装置本身的储存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什幺呢?为什幺会快到如此地步呢?

一、传统快闪记忆体是怎幺运作的?

我们正在使用的快闪记忆体虽然发展了很多年,但是本质上还是利用一个个微小的电晶体来储存资料。

(注:NAND 快闪记忆体是 1989 年问世的第一代非易失性储存技术。非挥发性意味着在关掉电源的情况下还能储存资料。)

Intel 让快闪记忆体快 1,000 倍?3D XPoint 技术的秘密

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。快闪记忆体电晶体里面资料是 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。

快闪记忆体在存取资料的时候,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汇出电子。即将有所资料归「1」。写入时只有资料为 0 时才进行写入,资料为 1 时则什幺也不做。

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,这个电晶体就是 0 了,这样写入就完成了。

而读取资料时,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。

因为你得先抹除再写入,所以快闪记忆体的速度不如记忆体快,用英特尔总裁罗伯·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,你存一次资料,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。这个时候快闪记忆体就没法用了,就是我们说的快闪记忆体的寿命到了。

另外,电晶体的大小是跟着製程技术来的,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、寿命就成了快闪记忆体的三大问题。

二、3D XPoint 的突破

新储存晶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「记忆单元」,用来存资料,记忆单元能储存一个比特的资料,代表二进位码中的一个 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。

但是它是什幺?用什幺材料?英特尔与美光打死也不说,我们只能推测。

其实,不用电晶体的储存装置,这些年一直在搞。cross-point 架构捨弃了电晶体,採用栅状电线(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资料的东西叫电阻式 RAM(简称 RRAM),三星、SanDisk 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(首席科学家是个叫卢伟的华裔),它在 2013 年推出了邮票大小的 ReRAM 产品原型,它可以储存 1TB 资料。2014 年已经进入準备商用的阶段。Crossbar 的架构图和英特尔、美光的这个 3D XPoint 的架构图就很接近了。

Intel 让快闪记忆体快 1,000 倍?3D XPoint 技术的秘密

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

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

三、3D XPoint 能干什幺?

不考虑成本的话,这个东西是目前储存装置的良好替代品,寿命比机械硬碟还长,速度比快闪记忆体快 1,000 倍,接近记忆体的速度,容量密度还很大。要求低一点的计算设备,可以一种储存装置打天下了。

对于要求高的地方,它可以在记忆体和硬碟之间当一个缓冲,类似于现在 SSD 盘这幺一个角色,需要快速读取写入的,用 3D XPoint,不需要的还是用硬碟。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,会先应用于超级电脑,高性能伺服器这些不差钱的地方。但是因为这个东西的製造工艺和现在的半导体晶片没有太大区别,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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