3D XPoint 未來芯片的潮流趨勢

英特爾與美光即將開始生產(chǎn)速度更快的新式內(nèi)存芯片，新芯片中的“3D XPoint”技術(shù)是 25 年來內(nèi)存芯片市場上首次出現(xiàn)的主流新技術(shù)，速度比目前市場上的快閃內(nèi)存快 1,000 倍，這種芯片可用于移動(dòng)設(shè)備儲存資料，同時(shí)被越來越多的電腦使用。據(jù)兩家公司表示，其中的新技術(shù)將改變電腦存取大量資料的方式。傳統(tǒng)快閃內(nèi)存如何工作？傳統(tǒng)快閃內(nèi)存與3D XPoint有什么不同？3D XPoint又會(huì)怎么樣掀起新型芯片的革新的熱潮？

長期以來，儲存設(shè)備的速度和容量都是電腦的最大瓶頸，即使在 SSD 硬盤已經(jīng)普及的今天也不例外。為了硬盤的速度，我們搞出來 Raid 0，從機(jī)械硬盤進(jìn)化到快閃內(nèi)存盤，但是儲存設(shè)備本身的儲存速度還是慢慢進(jìn)步的，英特爾與美光搞得這個(gè)革命性的東西是什么呢?為什么會(huì)快到如此地步呢?

一、傳統(tǒng)快閃內(nèi)存是怎么干活的?

我們正在使用的快閃內(nèi)存雖然發(fā)展了很多年，但是本質(zhì)上還是利用一個(gè)個(gè)微小的電晶體來儲存資料。

電晶體是 NAND 芯片的核心。NAND 芯片靠電子在電晶體的“浮動(dòng)?xùn)?rdquo;來回移動(dòng)工作。

(注：NAND 快閃內(nèi)存是 1989 年問世的第一代非易失性儲存技術(shù)。非揮發(fā)性意味著在關(guān)掉電源的情況下還能儲存資料。)

浮動(dòng)?xùn)虐粚游趸そ^緣體。它是控制傳導(dǎo)電流的選擇控制柵?？扉W內(nèi)存電晶體里面資料是 0 或 1 取決于在矽底板上形成的浮動(dòng)?xùn)胖惺欠裼须娮?。有電子就?0，沒電子為 1。

快閃內(nèi)存在存取資料的時(shí)候，要先把所有單元的電子都清掉，具體說就是從所有浮動(dòng)?xùn)胖袇R出電子。即將有所資料歸“1”。寫入時(shí)只有資料為 0 時(shí)才進(jìn)行寫入，資料為 1 時(shí)則什么也不做。

要寫入就是施加高電壓，讓電子就會(huì)突破氧化膜絕緣體，進(jìn)入浮動(dòng)?xùn)?。有電子了，這個(gè)電晶體就是 0 了，這樣寫入就完成了。

而讀取資料時(shí)，就施加一定的電壓，因?yàn)槲装迳系母?dòng)?xùn)庞械挠须娮?，有的沒電子，同樣施加電壓，出來的電流就不一樣，這樣就能讀出 0 或者 1。

因?yàn)槟愕孟饶ǔ賹懭?，所以快閃內(nèi)存的速度不如內(nèi)存快，用英特爾總裁羅伯·克魯克比喻說：“這有點(diǎn)像一個(gè)停車場，要想移動(dòng)一輛車，會(huì)讓其他汽車擠在一起。你不得不把它們重新排列，才能讓一個(gè)新的汽車進(jìn)來。”

此外，你存一次資料，就得加一個(gè)高電壓穿過絕緣氧化膜。這個(gè)膜不是無限壽命的，高電壓次數(shù)加多了，這個(gè)膜就失效了。這個(gè)時(shí)候快閃內(nèi)存就沒法用了，就是我們說的快閃內(nèi)存的壽命到了。

另外，電晶體的大小是跟著制程技術(shù)來的，摩爾定律發(fā)展到哪一步，就有哪一步的速度和容量，不會(huì)有突破性發(fā)展。

速度、容量、壽命就成了快閃內(nèi)存的三大問題。

二、3D XPoint 的突破

新儲存芯片是一種多層線路構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)，每一層上線路互相平行，并與上下層的線路互成直角，層與層間的有“柱子”似的線在上下層的交錯(cuò)點(diǎn)連接。

橫向的層是絕緣層，每根“柱子”分兩節(jié)，一節(jié)“記憶單元”，用來存資料，記憶單元能儲存一個(gè)比特的資料，代表二進(jìn)位碼中的一個(gè) 1 或 0;一節(jié)是一個(gè)“選擇器”，選擇器允許讀寫特定的記憶單元，通過改變線路電壓來控制訪問。

現(xiàn)在有意思的就是這個(gè)“記憶單元”，它不是電晶體。這意味著和傳統(tǒng)快閃內(nèi)存完全不同，所以他才能有更大儲存密度，更快的速度。

但是它是什么?用什么材料?英特爾與美光打死也不說，我們只能推測。

其實(shí)，不用電晶體的儲存設(shè)備，這些年一直在搞。cross-point 架構(gòu)舍棄了電晶體，采用柵狀電線(a latticework of wires)電阻來表示 0 和 1，高電阻狀態(tài)時(shí)，電不能輕易通過，cell 表示 0，當(dāng)處于低電阻時(shí)，cell 表示 1。

這種用電阻差異來存資料的東西叫電阻式 RAM(簡稱 RRAM)，三星、SanDisk 等巨頭都在投入，但是真正接近實(shí)用化的是一家名為 Crossbar 的創(chuàng)業(yè)公司(首席科學(xué)家是個(gè)叫盧偉的華裔)，它在 2013 年推出了郵票大小的 ReRAM 產(chǎn)品原型，它可以儲存 1TB 資料。2014 年已經(jīng)進(jìn)入準(zhǔn)備商用的階段。Crossbar 的架構(gòu)圖和英特爾、美光的這個(gè) 3D XPoint 的架構(gòu)圖就很接近了。

美光在 2014 年也拿出來 Sony 聯(lián)合研發(fā) ReRAM，原理類似，還公布了一些材料的資訊。如今時(shí)隔不到一年，這個(gè) 3D XPoint 我們相信就是個(gè)新名詞而已。

本質(zhì)上，它就是電阻式 RAM，架構(gòu)參考了 Crossbar 的架構(gòu)。材料上美光有了一定的突破，最后加上 Intel 的技術(shù)，基本可以把這個(gè)東西實(shí)用化，這就是 3D XPoint。

三、3D XPoint 能干什么?

不考慮成本的話，這個(gè)東西是目前儲存設(shè)備的良好替代品，壽命比機(jī)械硬盤還長，速度比快閃內(nèi)存快 1,000 倍，接近內(nèi)存的速度，容量密度還很大。要求低一點(diǎn)的計(jì)算設(shè)備，可以一種儲存設(shè)備打天下了。

對于要求高的地方，它可以在內(nèi)存和硬盤之間當(dāng)一個(gè)緩沖，類似于現(xiàn)在 SSD 盤這么一個(gè)角色，需要快速讀取寫入的，用 3D XPoint，不需要的還是用硬盤。只是相對于現(xiàn)在的 SSD 盤，它的速度更快，壽命更長，容量更大。

這個(gè)東西初期價(jià)格會(huì)很高，會(huì)先應(yīng)用于超級電腦，高性能服務(wù)器這些不差錢的地方。但是因?yàn)檫@個(gè)東西的制造工藝和現(xiàn)在的半導(dǎo)體芯片沒有太大區(qū)別，技術(shù)搞清楚后很多廠都可以做，價(jià)格也會(huì)很快下來。樂觀估計(jì)，大約 5 年內(nèi)這類東西就會(huì)普及。也許 5 年后我們的電腦手機(jī)很快就會(huì)用上