美光总裁马克·亚当斯(Mark Adams)在声明中表示:“在现代计算机中,最大的一项障碍便是处理器在长期存储设备中找到数据的时间太长。这种新的、非短期的内存是一项技术革命。它可以快速存取巨量数据集,支持全新的应用。
长期以来,储存器的速度和容量都是计算机的最大瓶颈,即使在SSD硬盘已经普及的今天也不例外。为了硬盘的速度,我们搞出来Raid 0,从机械硬盘进化到闪存盘,但是储存器本身的存储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么呢?为什么会快到如此地步呢?
一、传统闪存是怎么干活的?
我们正在使用的闪存虽然发展了很多年,但是本质上还是利用一个个微小的晶体管来储存数据。
晶体管是NAND芯片的核心。NAND芯片靠电子在晶体管的“浮动栅”来回移动工作。
(编者注:NAND闪存是1989年问世的第一代非易失性存储技术。非易失性存储意味着在关掉电源的情况下还能存储数据。)
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。闪存晶体管里面数据是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。
闪存在存取数据的时候,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导出电子。即将有所数据归“1”。写入时只有数据为0时才进行写入,数据为1时则什么也不做。
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,这个晶体管就是0了,这样写入就完成了。
而读取数据时,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。
因为你得先擦除再写入,所以闪存的速度不如内存快,用英特尔总裁罗勃·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,你存一次数据,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。这个时候闪存就没法用了,就是我们说的闪存的寿命到了。
另外,晶体管的大小是跟着制造工艺来的,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、寿命就成了闪存的三大问题。
二、3D XPoint的突破
新存储芯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,一节是“记忆单元”,用来存数据,记忆单元能存储一个比特的数据,代表二进制代码中的一个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。
现在有意思的就是这个“记忆单元”,它不是晶体管。这意味着和传统闪存完全不同,所以他才能有更大储存密度,更快的速度。
但是它是什么?用什么材料?英特尔与美光打死也不说,我们只能推测。
其实,不用晶体管的储存器,这些年一直在搞。cross-point架构舍弃了晶体管,采用栅状电线(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数据的东西叫电阻式RAM(简称RRAM),三星、闪迪等巨头都在投入,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,它可以存储1TB数据。2014年已经进入准备商用的阶段。Crossbar的架构图和英特尔、镁光的这个3D XPoint的架构图就很接近了。
镁光在2014年也拿出来索尼联合研发ReRAM,原理类似,还公布了一些材料的信息。如今时隔不到一年,这个3D XPoint我们相信就是个新名词而已。
本质上,它就是电阻式RAM,架构参考了Crossbar的架构。材料上镁光有了一定的突破,最后加上Intel的工艺,基本可以把这个东西实用化,这就是3D XPoint。
三、3D XPoint能干什么?
不考虑成本的话,这个东西是目前储存器的良好替代品,寿命比机械硬盘还长,速度比闪存快1000倍,接近内存的速度,容量密度还很大。要求低一点的计算设备,可以一种储存器打天下了。
对于要求高的地方,它可以在内存和硬盘之间当一个缓冲,类似于现在SSD盘这么一个角色,需要快速读取写入的,用3D XPoint,不需要的还是用硬盘。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,会先应用于超级计算机,高性能服务器这些不差钱的地方。但是因为这个东西的制造工艺和现在的半导体芯片没有太大区别,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。
(雷锋网)