3D XPoint – это инновационная технология изготовления энергонезависимых чипов памяти твердотельных накопителей. Она обеспечивает более чем десятикратное превосходство в скорости над обычной флеш-памятью NAND. Ее скоростные показатели находятся между модулями DRAM (оперативной памятью) и традиционными SSD на флеш-памяти NAND. Чипы памяти «3D XPoint» также значительно превосходят флеш-память NAND и по ресурсу.
Разработчиками этой технологии энергонезависимой памяти являются Intel и Micron. Началась разработка еще в 2012 году, а в 2015 была уже анонсирована новая память 3D XPoint под брендом Optane.
Главным отличием технологии 3D XPoint от флеш-памяти NAND является использование совершенно другого физического принципа энергонезависимого хранения информации.
В случае с флеш-памятью NAND используется электрическое поле изолированного (плавающего) затвора. Это дополнительный электрод полевого транзистора, он не имеет своего вывода, то есть он полностью изолирован от других токопроводящих частей транзистора. Благодаря чему он способен сохранять электрический заряд, даже при отсутствии внешнего питания. Этот дополнительный плавающий затвор и делает из обычного полевого транзистора энергонезависимую ячейку памяти.
Как считываются данные из ячейки флеш-памяти NAND
Электрическое поле этого затвора как раз и будет определять, считается с ячейки памяти логическая «1» либо «0» при подаче на управляющий затвор (имеет свой вывод) положительного напряжения. В случае отсутствия на плавающем затворе отрицательного заряда (электронов) электрическое поле будет сформировано только положительным напряжением управляющего затвора. Это приведет к притягиванию электронов из подложки в область формирования канала, созданию токопроводящего канала и протеканию через ячейку памяти тока. Что и будет соответствовать логическому «0».
Если же на плавающий затвор каким-либо образом «внедрить» электроны, он станет отрицательно заряженным. И его электрическое поле сложится с противоположным полем управляющего затвора, взаимно вычтется, и результирующее поле станет равным нулю. При этом электроны не смогут притягиваться в область формирования канала, канал не сможет сформироваться и ток протекать через ячейку памяти не будет. Это и будет соответствовать логической «1».
Запись и стирание ячейки флеш-памяти NAND
Но как же «внедрять» электроны на плавающий затвор или «извлекать» их из него для осуществления записи или стирания информации. Это решается при помощи повышенных напряжений, подающихся на выводы ячейки памяти.
Повышенные напряжения создают настолько сильные поля, что электроны просто нахально пропихиваются через слой диэлектрика на плавающий затвор и таким же образом извлекаются с него. Это приводит к постепенному разрушению диэлектрика, вплоть до полного выхода из строя ячейки памяти. Именно поэтому ресурс SSD ограничен для режима записи.
Устройство ячейки памяти 3D XPoint
В ячейках памяти 3D XPoint используется совершенно иной физический принцип. Он называется Phase-change Random Access Memory (эффект обратимого изменения фазового состояния вещества). Начало этой технологии было положено более 60 лет тому назад. Если более простыми словами, то эта технология использует переход специального химического вещества (халькогенида) из одной термодинамической фазы в другую. А именно из кристаллического состояния в аморфное и наоборот. Условием для перехода из одной фазы в другую является его нагрев. В аморфном состоянии халькогенид обладает большим электрическим сопротивлением. При этом ток через ячейку памяти практически протекать не будет, что будет соответствовать логическому «0». В кристаллическом состоянии сопротивление будет малым, через ячейку памяти будет протекать ток, что будет соответствовать логической «1».
Структурно ячейка памяти 3D XPoint устроена проще, чем у флеш-памяти NAND, она не содержит довольно сложных полевых транзисторов. Вместо них используется пара из селектора и халькогенида, которая подключается к перпендикулярно пересекающимся проводникам.
Чтение и запись ячейки памяти 3D XPoint
Такое устройство дает возможность непосредственного доступа к одной ячейке памяти (одному биту информации) не затрагивая при этом другие. То есть при необходимости можно без проблем перезаписать только один бит. Причем неважно, какая перед этим там была записана информация, логический «0» или «1». То есть никакой подготовки перед записью новой информации не требуется.
У флеш-памяти NAND ввиду технических особенностей построения массива памяти такая возможность не реализована. Стирание информации производится поблочно (512 КБ), а запись новой информации постранично (4 КБ). То есть, если возникнет необходимость в изменении всего одного бита информации, будет перезаписана вся страница или все страницы блока. Кроме того перед записью новой информации старая обязательно должна быть стерта. Новая информация не может быть записана непосредственно поверх старой без предварительного стирания. А эти все процедуры занимают дополнительное время, снижающее быстродействие накопителя, а также повышенный износ ячеек памяти.
Накопитель 3D XPoint для кэша и как это работает
Однако, не смотря, на все удачные технические решения твердотельные накопители использующие память 3D XPoint широкого распространения так и не получили. Для рядового пользователя они применялись в качестве кэша для HDD. Выпускались планки для кэша емкостью в 16 и 32 ГБ со спецификацией NVMe в форм-факторе M.2 2280.
Кэширование использовалось для ускорения загрузки и работы приложений, которые чаще всего использовались. А также для ускорения загрузки и работы операционной системы Windows. Работа этой технологии заключается в анализе файлов, к которым операционная система обращается наиболее часто и перенос этих файлов с HDD на накопитель XPoint Optane. Причем, именно перенос, а не копирование. То есть физически часть операционной системы или какого-либо приложения будет находиться на HDD, а другая часть на накопителе XPoint Optane. И если XPoint Optane извлечь из компьютера, то система соответственно не загрузится. Перенос часто используемых файлов на XPoint Optane производится для их последующей быстрой загрузки и быстрого доступа к ним операционной системы. Если пользователь перестал пользоваться ранее часто используемым приложением и стал пользоваться другим, то файлы неиспользуемого приложения перемещаются обратно на HDD. А файлы используемого приложения с HDD на XPoint Optane. Поддержка этой технологии есть только у операционной системы Windows 10 и выше. Работает она только с процессорами Intel, начиная с 7-го поколения.
Пример накопителя 3D XPoint и сравнение с накопителями флеш-памяти NAND
Так, же есть решения в виде полноценных коммерческих накопителей достаточно большой емкости. Например, Intel Optane SSD DC P4800X емкостью 750 ГБ.
Производительность при чтении он имеет в 550 000 IOPS, при записи в 500 000 IOPS с задержкой не более 10 мкс. В то время как, у SSD PCIe NVMe Samsung наиболее популярного, в котором используются трех битные ячейки памяти, задержка достигает 100 мкс.
На мой взгляд основным недостатком накопителей XPoint Optane является их цена, возможно, она и стала причиной их полной неконкурентоспособности и последующего снятия с производства. А жаль, они бы составили здоровую конкуренцию накопителям на флеш-памяти NAND. И производители флеш-памяти NAND, зная, что есть конкурент, наступающий им на пятки, не лепили бы такую ерунду, как четырехбитные ячейки памяти QLC, скорость записи которых приближается к скорости HDD.
Что вы думаете по этому поводу, пишите в комментариях.
