基于3D XPoint硬盘Optane实物展示，独家对核心技术进行推测

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发表于 2016-8-29 23:28:59 | 查看全部阅读模式

Intel、美光去年联合发布3D XPoint闪存技术，号称是25年来存储技术的革命性突破，速度是目前NAND闪存的1000倍，耐用性也是目前闪存的1000倍，密度是NAND的10倍，而且它的非易失性不仅可以用于NAND硬盘，还可以用于RAM内存，绝对是划时代的进步。但是两家厂商对3D XPoint的技术原理三缄其口，仅仅在发布会场合公布其性能数据，甚至原型产品从来没有露过脸。最近Intel还是遮遮掩掩地展示3D XPoint闪存原型硬盘Optane。

3D XPoint闪存原型硬盘Optane

3D XPoint闪存原型硬盘Optane实物以PCI-E接口SSD形式展示，可能是原型产品的缘故，其容量大小仅仅为140GB。虽然说是拿出来展示，但是Intel一点都不大方，闪存上方覆盖着散热片，而PCB背面也装上了背板，更加具体的信息完全看不到。Anandtech的编辑在Optane SSD轻负载下，用手摸的方式感觉SSD温度在40°C左右，温度控制还是不怎么理想。但Intel表示目前Optane SSD使用的是FPGA设计下的主控，将来会使用量产的AISC主控。

　
3D XPoint闪存原型硬盘Optane侧视图

现场展示的机器是“可远观而不可亵玩焉”。其中一套机器还是用老套路，循环播放性能宣传视频。展示了渲染的数以十亿计水分子从内存转移到SSD盘上所使用时间。作为对照组的英特尔PCI-E SSD需时22小时，而基于3D XPoint闪存的Optane仅仅为9小时，速度性能真的是爆表了。

另一套系统演示则显得更有意思，展示的是基于Quanta Cloud Technology公司的系统节点，采用双路Xeon E5 v4处理器，单槽的3D XPoint闪存原型硬盘Optane。测试采用RocksDB，它是Facebook开发的一种嵌入式数据库，能充分利用闪存的高IOPS性能，同时也能利用多核服务器的计算性能，大大提高服务器响应速度。同样是与自家产品对比，3D XPoint闪存原型硬盘Optane减少了10倍延迟、3倍速度性能提升。看来NAND真的要完蛋了。

3D XPoint闪存技术推测、分析
虽然牙膏厂Intel对于3D XPoint闪存工作原理闭口不谈，但是从已经公布的信息、数据、闪存相关特性来看。小编高度怀疑是采用了忆阻器技术。

1987年美籍华人蔡少棠教授首先提出忆阻器的存在可能性。忆阻器是一种能够描述电荷和磁通之间关系的全新元件，也是一种具有记忆功能的非线性电阻，不仅可以记忆流经自身的电荷数量，也可以通过控制激励源的电流或者磁通来改变自身的阻值大小，并且这种阻值变化可以在断电下继续保存相当长的一段时间。

但是受限于当时电子工艺技术和理论研究的缺失，很长一段时间内并没有发现符合忆阻器特性的实物电子元件。一直到2008年美国惠普实验室采用先进的纳米工艺和极其苛刻的环境条件下，首次实现制作出纳米忆阻器。

惠普TiO2忆阻器边界迁移模型

随着对忆阻器的不断深入研究，不断探索它的制造、特性、阻变机理、各种器件模型。虽然其阻变机理尚未研究清楚，甚至存在争议，但是并不影响忆阻器在非易失性存储器件应用上的研究，忆阻器作为新型电子存储器件，同时具备非易失性、随机存储、低功耗、高速、高可靠性、高集成度等特性，是新一代存储器的具有前景的候选技术之一。目前业界内惠普公司曾宣布在2013年推出其商业化产品，尽管产品上市计划被推迟（夭折？），但是可见对忆阻器研究越发精细，越来越贴近应用领域。因此Intel对于3D XPoint闪存采用该技术方案完全是可行的。

不止SDD、内存，它还可以是CPU

惠普公司当初研制的目的是一种电阻开关水平阵列（其结构和intel 3D XPoint闪存相似，但是3D XPoint闪存为立体结构），其忆阻特性完全是意外之喜。而且这种电阻水平开关阵列甚至可以实行布尔逻辑运算，意味着忆阻器也能像电脑CPU一样进行数学运算，成为CPU的替代品。也为即将到来的二氧化硅半导体5nm摩尔定律极限(晶体管间隔小于5nm时，电子移动不受控制)，忆阻器提供了一种全新选择。但是目前该方面的研究依然比较少，而且要实现逻辑状态运算还需要一套全新高效的电子设计。

惠普忆阻器结构示意图和实物显微镜图

3D XPoint技术结构示意图

更具想象力的是，忆阻器具备了存储和运算能力，两者可以合二为一，可以实现在器件级别上的处理器和存储器的融合，计算的操作直接施加在数据上，摈弃了传统冯诺依曼体系结构的读取-操作-写回，完全不存在访问带宽瓶颈，并且无需考虑时序逻辑和组合逻辑的控制。与此同时，再过几年晶体管的制造工艺即将止步于物理极限5nm，摩尔定律要进入垂暮之年。因此可以乐观地认为，在未来，忆阻器是有可能代替晶体管，将揭开模拟式计算机新篇章。

3D XPoint闪存技术产品上市
在IDF 2016上，Intel着重提到3D XPoint闪存技术，宣布投资35亿美金将其与美光合资开发的最新非易失性存储技术带到中国，并由Intel大连工厂制造。将会在今年年底会率先推出基于3D XPoint闪存的Optane SDD产品。