什么是3D XPoint？为什么它无人能敌却又前景堪忧？
近日，美光宣布将出售位于犹他州Lehi市的3D XPoint存储芯片工厂，计划在2021年底前完成出售，并退出3D XPoint技术业务。美光这一决定，使得这项新型存储技术的前景更加黯淡。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202105/425827.htm3D Xpoint技术是美光与英特尔共同开发的一种非易失性存储技术。据悉，3D Xpoint的延迟速度仅以纳秒计算，比NAND闪存速度提升1000倍，耐用性也更高，使得在靠近处理器的位置存储更多的数据成为可能，可填补DRAM和NAND闪存之间的存储空白。
目前存储器存在的一些问题
抛开和处理器紧密相关的高速缓存和寄存器不说，先来看内存和外部存储这两个级别。目前我们使用的内存主要是DRAM：DRAM的核心问题是易失性，其它方面的表现优秀 —— 比如在性能上DRAM的延迟很低（纳秒级别）、带宽较为充裕；寿命方面由于原理所致，DRAM寿命很长。
不过，DRAM的存储需要不停供电，断电就会丢失存储的数据。从DRAM被发明出来到现在，DRAM只是不断地在预取值和总线上进行调整，核心的存储架构其实变化不大。
再来看目前广泛应用于存储设备的NAND闪存。NAND闪存分为SLC、MLC、TLC等多种分支颗粒。从寿命上说，NAND是有平均读写次数的寿命的，即使是性能最好的SLC NAND颗粒，其寿命也比DRAM小得多。虽然可以通过设置缓冲空间、平衡磨损算法、提前设置寿命预警来确保NAND不会在使用时“掉链子”、引发数据丢失，但寿命依旧是NAND在使用中不可回避的问题。
此外，受制于存储原理，NAND延迟较高，尤其是写入时存在充电时间，怎么也快不起来，目前只能被用作外部存储设备。但在今天，由于之前有性能更低的HDD机械硬盘的存在，基于NAND颗粒的SSD仍旧让用户感受到了性能的巨大提升。
实际上内存和外部存储之间的性能差距过大，已经成为影响用户体验继续提升的瓶颈。所以研究机构一直在提出很多解决方案，试图解决这个鸿沟，比如相变存储器、赛道存储器、全新的高速磁存储设备等。直到作为存储业界的领军企业之一的英特尔和美光，终于将其中一种全新的存储技术推向了前台，这种技术同时拥有高性能和非易失性两种特性，这就是今天的主角：3D XPoint。
3D Xpoint技术发展历程
美光与英特尔于2006年开始合作研发。犹他州Lehi工厂也是美光与英特尔于2006年开始合作后建设的。然而，这项新型存储技术一路行业波折不断。历经10年的研发周期后，英特尔与美光于2016年正式发布3D Xpoint技术。
2017年，英特尔推出基于3D Xpoint的存储设备傲腾系列。2018年，由于对下一代技术的发展认识不一致，美光与英特尔达成协议，在完成第二代3D Xpoint的开发后结束在3D Xpoint上的合作，各自开发基于3D Xpoint 技术的第三代产品。2019 年，美光购买了英特尔在Lehi工厂的股份，英特尔与美光签署代工协议在Lehi工厂生产。但是英特尔的傲腾系列并不足以充分利用Lehi工厂的产能，美光每年的非GAAP运营利润要因此遭受超过4亿美元的损失，使得美光最终决定出售该厂。不过，美光仍将保留其手上与3D XPoint相关的所有知识产权。
回顾存储的发展历程，3D Xpoint是自NAND Flash推出以来，最具突破性的一项存储技术。由于具备以下四点优势，3D Xpoint被看做是存储产业的一个颠覆者：
· 比NAND Flash快1000倍
· 成本只有DRAM的一半
· 使用寿命是NAND的1000倍
· 密度是传统存储的10倍
3D XPoint工作原理
3D XPoint工作原理和NAND有本质不同。和NAND相比，NAND通过向绝缘浮栅压入一定数量的电子从而区分比特值，3D XPoint是基于阻抗的技术，通过大量属性的变化去改变单元的阻抗值，以此来区分0和1。3D XPoint的结构非常简单，其由一个选择器（selector）和一个存储单元组成，两者位于一根Wordline和Bitline之间（Crosspoint由此得名）。
在Wordling和Bitliane上加载一个特定电压值就激活了一个选择器，使得其中的存储单元做一个写操作（即在单元介质大量的属性改变）或读操作（允许电流通过，检查存储单元的阻抗值代表高或低）。
3D XPoint工作原理示意图
当下业界普遍将希望寄托在EUV身上，而英特尔与美光则称3D XPoint将（不出所料）兼容EUV光刻，而且存储单元设计尺寸可以最大缩水至个位数纳米级别，同时不会对使用帮助/可靠性造成显著影响（事实上，随着物理尺寸的下降，其在某些方面反而有所改善）。
3D XPoint技术的“定位”
据英特尔给出的说法是，3D XPoint并不是用于彻底替代DRAM和NAND的技术，它的定位是计算机存储中的一个新的层级，可以在不同的应用领域增强目前的存储结构体系。
从英特尔给出的延迟数据来看，3D XPoint产品的读取延迟大约在10纳秒级别（写入延迟更长一些），和DRAM最低可达几纳秒还存在一点点差距，但远远好于NAND的微秒级别；寿命方面，3D XPoint的寿命约为百万级读写次数，相比NAND中MLC的数千次读写提升了几个数量级，当然，和DRAM还是没法比；带宽方面，多通道技术的应用使得3D XPoint在带宽上并不存在什么劣势。
在英特尔的官方宣传中，3D XPoint拥有NAND类似的容量和DRAM类似的性能。包括比NAND速度快（应该是指延迟低）1000倍以上，寿命是NAND的1000倍以上，数据密度则达到了DRAM的十倍以上。
英特尔认为，这样的性能可以让用户根据不同的需求来选择新的存储系统组合，比如可以选择组成DRAM+3DXPoint+NAND三级存储系统，或者是3D XPoint接管DRAM+NAND，亦或者组成DRAM+3D XPoint的方案，甚至也可以是3D XPoint+NAND的系统，不同方案的成本、侧重点和性能都有所不同，结局是开放性的，并没有气势汹汹地取代谁，而是根据市场选择来搭配合适的方案。
一般来说，一个产品的市场定位是由其在市场中所处的性能位置所决定的。目前3D XPoint的性能定位在DRAM之下、NAND之上，但是更偏向于DRAM，因此也应该具有类似的市场定位。考虑到目前DRAM的价格，可以说3D XPoint的价格应该不会太便宜。
另一方面，英特尔自己也有庞大的NAND工厂和不小的市场份额，3DXPoint无论从技术上还是商业利益上来看，都不会在目前这个时候去抢NAND的饭碗。而如果从企业级和消费级来划分，按照惯例，产品成熟后，英特尔显然会更倾向于将这一新技术首先运用于面向利润较高的企业级产品中。
3D XPoint技术的应用
得益3D Xpoint技术的自身优势，它能被广泛应用在游戏、媒体制作、基因组测序、金融服务交易和个体化治疗等领域。下面介绍3D Xpoint的一些应用示例，我们可以看出，3D Xpoint未来的应用非常有潜力。
· 3D XPoint最直接的应用将是作为DRAM和SSD之间的中间层：在计算机历史中，在存储器和处理器间构建了许多中间层、比片上缓存、片下缓存、缓存SSD等，3D XPoint内存作为存储介质很适合这个分层结构，可以填补DRAM和现今最快速的非易失性存储之间的空白。当作为另一层缓存，3D XPoint可以进一步加速目前受限于容量或者存储器延迟的应用。
· 使用3D XPoint的服务器：英特尔和美光迫不及待地指出了这个技术在“大型科学”上的应用，此类项目和系统有大型强子对撞机和Oak Ridge公司的Titan超级计算机，这些设备会产生巨量的数据。然而处理器遇到了麻烦，如何处理所有这些的数据是首要和最重要的需求，把数据传给处理器同样也是大问题。如果独立处理器可以像访问DRAM那样访问SSD级别容量的数据池，任何收益于此机制的分析系统都可以从3D XPoint获益。
· 金融行业可能会率先采用3D XPoint：因为金融行业最倾向于使用重要的技术，以使得自己在高度竞争和赚钱的领域中占据领先。从这个角度而言，3D XPoint倒不会增加太多处理速度，数据处理工作已经尽可能部署到大容量DRAM池中了，但是3D XPoint可以让交易员和分析师更高效地运行大数据集模拟程序。
由于3D XPoint是一个前所未有的技术，不可能一次想到所有将来3D XPoint的潜在应用。3D XPoint有潜力改变现代计算机体系架构和我们看待计算的方式，但这种转换并非一夜之间，可能也需要其他厂商有相应的竞争技术去满足需求。然而很明确的一点是，3D XPoint很可能会把我们带入内存和计算的一个新时代。
3D XPoint技术还有很多可以咀嚼消化。尽管DRAM和NAND在几十年中已经改进并缩小了很多，但3D XPoint的发布仍然算得上是自1989年发明NAND以来存储行业前所未有的大事件。3D XPoint实际上是一个全新种类的存储器。其速度快，耐用，可扩展并且非易失，而DRAM和NAND各自只能达到其中两个标准。3D XPoint填补了DRAM和NAND之间的空白，利用这两种技术最佳的特性创造出了我们从未见过的一种内存。
3D XPoint尚需克服的技术难点
美光决定退出3D Xpoint，与该技术的商业化进程不佳有着重要关系。据悉，目前只有英特尔的傲腾系列采用3D Xpoint技术。美光曾公布了几款基于3D XPoint闪存芯片的存储设备，例如X100，但一直没有正式上市。此外，3D Xpoint一直没能成功建立起完善的产业生态。美光公司首席商务管苏米特·萨达纳在接受媒体采访时曾表示，很多客户对X100并不满意，因为他们必须重写大部分软件才能利用新型内存，因此该款产品发售数量非常有限。
未来，3D Xpoint技术将会如何发展颇为引人关注。据悉，英特尔将在新墨西哥州的晶圆厂中为自己的傲腾产品线生产3D XPoint芯片。虽然英特尔已经将NAND闪存业务出售给了SK海力士，但仍可能接盘美光Lehi工厂以保证自己产品线的供应。毕竟英特尔在数据中心等企业产品线中仍然提供使用3D XPoint技术的相关产品。但是，如果3D Xpoint仅仅停留在这种商业化程度，这项新型存储技术的前景依然不够明朗。
目前，3D XPoint想要大规模量产仍有一些挑战需要克服。首先，3D XPoint需要用到大约100种新的制造原料。在这些原料中，有些原料目前的供应量非常有限，因此需要仔细调整供应链。
其次，由于3D Xpoint需要更多道工序，加工厂需要把厂房用地以及初始资本增加大约3到5倍。例如，生产第一代3D XPoint内存需要占地2.5平方米的湿加工设备能在每小时处理180块晶圆，而到了第二代3D XPoint就需要占地相同的设备每小时处理1000块晶圆，3D XPoint加大了加工厂对于厂房和资本的需求。另外，3D XPoint也需要生产力更强的设备。
以上的挑战都增加了3D XPoint的成本。然而，对于3D XPoint市场，成本是关键。第二代3D XPoint可以实现四层层叠，而其售价大约是DRAM的一半。从目前的市场趋势来看，如果3D XPoint的成本没法做到DRAM的一半以下，消费者会更倾向于使用DRAM而不是3D XPoint。由于DRAM仍保持着每年大约30%的成本下降速度，3D XPoint想要保持成本比DRAM低一半的难度并不小。
除了3D XPoint自身的技术难点外，来自于其他新内存技术的挑战也不容小觑。
例如，软件NVDIMM-P就是一个有力的挑战者。软件NVDIMM-P使用软件算法来预测数据的访问频率，并依据访问频率的预测把数据存放到DRAM（存放高访问频率数据）或NAND（访问低访问频率数据）中。这样的技术可以平衡成本和性能，因为DRAM访问速度较快但是成本高，而NAND成本低存储密度大但是访问速度较慢。显然，软件NVDIMM-P的综合性能取决于软件算法和应用场合，在有些应用中软件NVDIMM-P算法的预测准度较高但是在另一些应用中数据的访问频率却很难预测。
3D Super-NOR也非常有潜力。3D Super-NOR技术使用3D堆叠技术并能提供很低的延迟。而且，3D Super-NOR的制造工艺相比3D XPoint来说要简单，并不需要新材料。3D Super-NOR的制造商BeSang宣称3D Super-Nor可以实现成本比3D XPoint低十倍，当然我们仍然需要等3D Super-NOR真正量产才能验证它能否取代3D XPoint。
3D XPoint的市场潜力巨大，然而其复杂的制造工艺导致成本居高不下，在近期3D XPoint仍然很难取代DRAM。但我们应该保持乐观的态度。
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