Paměti 3D XPoint: přinesou revoluci?

Rozměry čipů

Prozatím nám společnosti Intel a Micron pouze představily samotnou technologii pamětí 3D XPoint a odmítly jakkoliv komentovat téma konkrétních produktů, které by se měly již brzy objevit, takže na toto téma nevíme nic jistě.
Nejdříve se podívejme na to, jak velké jsou asi nové 16 GB paměti 3D XPoint, k čemuž nám dobře poslouží fotografie 300mm waferu, který je jich plný. Na něj se jich vejde v jednom směru nejvíce 22 a v druhém 17, když tedy počítáme pouze celé čipy. Když i jejich zlomky, pak by to mělo být v každém směru o jeden více.

Z toho vyplývá, že jeden čip bude mít rozměry cca 13 x 16,7 mm, tedy nějakých 217 mm². Po rozřezání waferu to bude ještě o něco méně, tedy něco pod 210 mm². To je srovnatelné s 20nm čipy MLC NAND od Micronu, které mají také kapacitu 16 GB.

Nasazení pamětí 3D XPoint

Předem je třeba říci, že paměti 3D XPoint v žádném případě nenahradí NAND Flash. Samotný Intel a Micron do nich stále mohutně investují a vyvíjí také své 3D NAND Flash. Však není to tak dávno, co se tyto firmy pochlubily novými 32vrstvými 3D NAND Flash, které mají být využity pro výrobu až 10TB SSD.
NAND Flash jsou prostě na trhu už zabydleny a žádná ani sebelepší novinka je během dohledné doby z něj nevytlačí, to by se firmy zřizující za velké peníze nové linky a celé továrny na NAND Flash musely zbláznit, zvláště když má tato technologie ještě svůj neobjevený potenciál a je schopna uspokojovat potřeby zákazníků.

Je tu navíc i jeden aspekt, který novým 3D XPoint nehraje do karet, a to cena. Ta totiž má být v případě 3D NAND výhodnější, a to především kvůli složitějšímu výrobnímu procesu 3D XPoint, který ovlivňuje i možnost vrstvení jednotlivých "pater". Jenomže už i 3D NAND mají svůj problém týkající se škálování, tedy navyšování vrstev paměťových buněk. Jde o vodivé kanály procházející jednotlivými vrstvami pamětí, jež jsou stále delší (dnes už máme i 48vrstvé 3D NAND Flash) a kvůli tomu dochází k narušování toku elektronů vedených k horním vrstvám buněk. Právě buňky umístěné níže způsobují toto rušení, a mluví se tedy o tzv. vanishing string current, tedy o mizejícím proudu ve vertikálním spoji.

Čili není to tak, že by vrstvení pamětí NAND Flash mohlo probíhat donekonečna a je opět jen otázkou času, kdy se zase objeví nějaký závažný problém, který by mohl být zároveň příležitost pro nové technologie. Otázka je, kdy se objeví a zda výrobci zase nepřijdou s řešením, které by stávající technologie pamětí dále udrželo naživu.
Jaké produkty s 3D XPoint si ale může Intel chystat? Je pravděpodobné, že to budou úložná zařízení v podobě karet pro rozhraní PCI Express s podporou NVMe, čili standardu vyvinutého speciálně pro elektronické paměti připojené přes PCI Express. Ten začíná pomalu nahrazovat široce používané AHCI, které bylo vyvinuto ještě s ohledem na vlastnosti magnetických médií, tedy především pevných disků a nebere v potaz velkou výhodu elektronických pamětí, která tkví v masivně paralelním přístupu k datům. Rozhraní PCI Express je využíváno také formátem U.2 (dříve SFF-8639), který dnes podporuje až čtyři linky PCI Express 3.0 a umožňuje připojit SSD ve 2,5" formátu. A zapomenout také nesmíme na M.2 (dříve NGFF), jež je často využívané i v moderních spotřebitelských počítačích.

Jenomže už dnešní SSD jsou schopny především při sekvenčním čtení vytížit rozhraní M.2 či U.2, pro než je aktuálně maximum 3,2 Gb/s, přičemž 3D XPoint mají být mnohem výkonnější. Pak by se muselo zapomenout na tyto standardy a využít prostě plnou šířku rozhraní PCI Express, která nám může poskytnout nějakých 10 GB/s, nebo prostě vyvinout nové verze M.2 a U.2, jež dokáží využít více linek.

Máme tu ale ještě Micron jako výrobce pamětí DRAM, který by se mohl postarat o vývoj pamětí podobných nedávno zveřejněnému standardu NVDIMM. Ten byl zveřejněn organizací JEDEC jako spojení pamětí RAM (DDR4) a klasických NAND Flash. Právě namísto nich by 3D XPoint byly velice dobrou volbou, jež by mohla využít rychlého a vícekanálového rozhraní vedoucího přímo k procesoru. Paměti 3D XPoint by se tak v hierarchii přesunuly z patra sekundární paměti výše, tedy na úroveň pamětí RAM a cache. Tím by se vyřešilo potenciálně úzké hrdlo rozhraní PCI Express, ale zase budou potřeba speciální ovladače, protože sem standardní rozhraní jako NVMe nedosáhne.

Závěrem

Ještě v tomto roce bychom se tedy měli dozvědět, kam Intel a Micron nasměřuje paměti 3D XPoint. Jisté je to, že nejdříve to budou podnikové produkty, a to vzhledem k očekávané vyšší ceně, která se bude platit za předpokládaný vysoký výkon a výdrž. Běžný uživatel dnes takové vlastnosti ani nepotřebuje, však dostupná SSD většinou bohatě stačí, a to se bavíme o SSD pro SATA 6 Gbps a ne o moderních modelech pro M.2, jako je Samsung SM951 s podporou NVMe. Ten nabízí datovou propustnost i více než 2000 MB/s a už ani není vzhledem ke svým vlastnostem přehnaně drahý, však 256GB model seženeme už za nějakých 5200 Kč s daní a to jsme ještě nedávno dávali za běžné SSD této kapacity.
3D XPoint tak můžeme vidět jako paměti budoucnosti, které by postupně mohly začít nahrazovat dnešní NAND Flash a nejdříve se dostanou nejspíše do velkých datových center a superpočítačů pracující s ohromnými objemy dat, kde velice rychlé, spolehlivé a trvanlivé úložiště přijde vhod. Právě zde by nasazení 3D XPoint, jejichž výkon se má blížit RAM, mělo znamenat bez přehánění revoluci. Brzy se ale mohou dočkat i uživatelé pracovních stanic, a to nejspíše karty pro rozhraní PCI Express a nadějný je také zbrusu nový formát jako výše zmíněný NVDIMM.

Můžeme ale uvažovat i o tom, že by paměti NAND Flash a RAM z budoucích systémů už zcela vymizely. To vypadá jako divoká teorie, ale musíme vzít v úvahu, že už dnes jsou paměti RAM (tedy konkrétně GDDR5) drceny výkonem nových HBM využívajících výhody velice širokého rozhraní a vrstvené 3D struktury. Není tak těžké si představit, že by se HBM využily i jako systémová paměť, i když by to pravděpodobně znamenalo, že se stanou součástí procesoru. Dnešní aplikace totiž vyžaduje jejich přímé propojení s čipem pomocí tzv. interposeru, tedy křemíkové destičky nahrazující plošný spoj, v němž není pro praktické účely možné vytvořit tisíce datových spojů. Paměti NAND Flash v SSD by pak nahradily paměti 3D XPoint a mohly by se přesunout přímo na desku na místo modulů RAM. Takový systém bychom si jistě dali líbit, však HBM2 chystané na příští rok mají potenciál dosáhnout propustnosti 1 TB/s při kapacitě až 32 GB a těm by pak zdatně sekundovaly 3D XPoint s propustností na úrovni dnešních RAM. Zní to dobře.


Zdroje: Intel, TheRegister, Anandtech