حافظه 3D XPoint؛ قاتل فلش NAND يا جايگزين DRAM

پس از مدت‌ها حكمراني حافظه‌هاي فلش NAND، حافظه‌هاي 3D XPoint هنگام معرفي در سال ۲۰۱۵، سر و صداي زيادي به پا كردند. اين حافظه‌ها مدعي سرعت ۱۰۰۰ برابري نسبت به حافظه‌هاي قبلي هستند. اما اين سرعت‌ فقط روي كاغذ امكان‌پذير است و فعلا در واقعيت، حافظه‌هاي 3D XPoint، ده برابر سريعتر از NAND هستند.

اين حافظه‌ي جديد حالت جامد، احتمالا به دليل ارزش پايين‌تر از حافظه‌‌هاي DRAM (نصف ارزش)، جايگاهي در ديتا‌سنتر‌ها براي خود باز خواهد كرد؛ زيرا حافظه‌هاي 3D XPoint قادرند با كاركردن با فناوري‌ حافظه‌هاي رايج، كارايي را افزايش دهند.

با افزايش داده‌‌ي تراكنشي، محاسبات ابري، تحليل داده و ورك‌لودهاي نسل جديد، نيازمند حافظه‌هاي ذخيره‌سازي قدرتمند هستيم.

3D XPoint

جوزف آنسوورث، معاون تحقيقات گارتنر در بخش نيمه‌رسانا و فلش NAND، مي‌گويد:

اين  فناوري مهم، تأثير زيادي در استفاده‌ي ديتاسنترها و تأثير كمتري در كامپيوترهاي دسكتاپ دارد. مشتريان ديتاسنتر، سرويس ابري يا سازمان‌هاي ذخيره‌سازي فعلي، همگي جذب فناوري‌هاي جديد مي‌شوند.

شايد 3D XPoint نتواند براي تعويض تمامي DRAM‌-ها متقاعدكننده باشد، ولي حداقل مي‌تواند مديران بخش آي‌تي را متقاعد كند تا بخشي از حافظه‌ها را عوض كنند و در كنار آن، سرعتي بالاتر از فلش‌هاي NAND تجربه كنند.

3D XPoint چيست؟

نوع جديدي از فضاي ذخيره سازي حالت جامد است كه در آن داده با قطع برق از بين نمي‌رود (حافظه‌ي دائمي). 3D XPoint كارايي و پايداري بسيار بيشتري از فلش NAND دارد و از انديشه متخصصين ارزشي بين حافظه‌هاي DRAM و فلش NAND قرار مي‌گيرد.

بر اساس اطلاعات گارتنر، اكنون DRAM به ازاي هر گيگابايت كمي بيش از ۵ دلار ارزش دارد. فلش NAND به ازاي هر گيگابايت ۲۵ سنت ارزش دارد. اين ارزش براي 3D XPoint به ازاي هر گيگابايت برابر ۲.۴ دلار در حجم‌هاي بالا است و انتظار مي‌رود تا سال ۲۰۲۱، همچنان ارزشي بيشتر از فلش‌هاي NAND داشته باشد.

اينتل و ميكرون از نحوه‌ي ذخيره‌‌سازي داده در 3D XPoint حرفي نزده‌اند؛ اما اشاره كرده‌اند كه اين فضاي ذخيره‌سازي بر اساس ذخيره‌سازي الكترون‌ها (همانند حافظه‌هاي فلش NAND و DRAM) نيست و از ترانزيستور هم استفاده نمي‌كند. همچنين اذعان داشته‌اند كه 3D XPoint از نوع رم مقاومتي (ReRAM) يا memristor نيست. ReRam و memristor دو فناوري نوظهور در حافظه‌هاي دائمي هستند.

با حذف موارد فوق، مي‌توان حدس زد 3D XPoint از نوع حافظه‌هاي تغيير فازي (PCM) است. ميكرون قبلا اين فناوري را توسعه داده است.

PCM نوعي حافظه‌ي دائمي است و بر اساس شارژهاي الكتريكي براي تغيير مناطق روي عناصر شيشه‌اي كار مي‌كند. اين ماده بين يك حالت بلوري و يك حالت تصادفي ديگر تغيير شكل مي‌دهد (به اين ماده كالكوژنيد مي‌گويند). اين توضيحات با حرف‌هاي راس مير، مدير بخش فرايند ميكرون، مطابقت دارد. او در يك مجمع عمومي گفته است:

حافظه در حال حركت بين دو حالت مقاومتي متفاوت است.

در PCM، حالت غير بلوري با مقاومت بالا، صفر و حالت بلوري با مقاومت پايين، يك در انديشه متخصصين گرفته مي‌شود.

معماري 3D XPoint وابسته به پشته‌اي از صفحات پنجره‌اي خيلي ريز است و در جايي كه سيم‌ها متقاطع مي‌شوند، ستون‌هايي از ماده‌ي كالكوژنيدي وجود دارد كه شامل سوئيچ‌هايي براي دسترسي به بيت‌هاي داده‌ي ذخيره‌شده هستند.

راب كروك، مدير كل اينتل در بخش حافظه‌هاي دائمي، مي‌گويد:

برخلاف DRAM-هاي معمول كه داده را توسط الكترون درون خازن ذخيره مي‌كنند يا حافظه‌هاي NAND كه الكترون‌هاي گيرافتاده در يك گيت شناور را ذخيره مي‌كنند، 3D XPoint از تغييرات خواص توده‌اي از ماده براي ذخيره‌ي مقدار صفر و يك استفاده مي‌كند. اين امر باعث مي‌شود بتوان در مقياس كوچك‌تر، داده‌‌ي بيشتري ذخيره كرد.

چرا به 3D XPoint اهميت زيادي داده مي‌شود؟

فناوري 3D XPoint با استفاده از رابط PCIe/NVMe در حدود ۱۰ برابر كارايي و ۱۰۰۰ برابر پايداري بيشتري نسبت به فلش NAND دارد. هزار برابر پايداري بيشتر، به معناي تعداد نوشتن بيش از  يك ميليون بار است. با اين اوصاف، مي‌توان گفت حافظه‌هاي جديد، حافظه‌هايي مادام‌العمر هستند.

به‌عنوان مقايسه، حافظه‌هاي فلش NAND موجود، بين ۳۰۰۰ تا ۱۰,۰۰۰ بار مي‌توانند عمليات نوشتن يا پاك كردن را انجام دهند. با استفاده از تكنيك افزايش عمر مفيد و تصحيح خطاي نرم افزاري، مي‌توان اين مقدار را افزايش داد؛ ولي اين هرگز حتي به نزديكي‌ يك ميليون بار نخواهد رسيد.

تأخير پايين 3D XPoint كه ۱۰۰۰ برابر كمتر از حافظه‌هاي NAND و ۱۰ برابر بيشتر از حافظه‌هاي DRAM است، اين نوع حافظه را در توانايي بالاي دريافت يا ارسال داده‌هاي ورودي و خروجي برجسته كرده كه يكي از اين موارد پراستفاده، داده‌‌ي تراكنشي است.

اگر سلسله مراتب ذخيره‌سازي در ديتاسنترها را به ترتيب، SRAM موجود در پردازنده، DRAM، فلش NAND، هارد ديسك و نوار مغناطيسي يا ديسك نوري در انديشه متخصصين بگيريم، 3D XPoint را مي‌توان بين DRAM كه يك حافظه موقت است و فلش NAND كه يك حافظه‌ي دائمي است، قرار داد.

چرا 3D XPoint براي برخي از ديتاسنترها خوب است؟

جيمز مايرز، مدير معماري NVM در بخش حافظه‌هاي دائمي شركت اينتل، مي‌گويد:

نياز به 3D XPoint برخواسته از سرويس‌هاي تصادفي و مجموع داده‌ي تراكنشي غير بهينه براي پردازش در حافظه است. (نسخه‌اي از اين فناوري كه از آن اينتل است، از سوي اينتل با نام اوپتان خوانده مي‌شود). اوپتان براي سرويس‌دهي به رده‌ي گرم بازار و بخشي از رده‌ي جديد بازار در زمينه‌ي حافظه‌هاي ذخيره‌سازي براي معماري‌هاي غير بهينه يا حتي براي افزايش حجم يا فضاي حافظه در جديد‌ترين رده‌ي بازار به كار مي‌رود كه اين سرويس‌ها تعداد زيادي تراكنش تصادفي هستند.

براي مثال از 3D XPoint مي‌توان براي انجام آناليز‌هاي محدود و بلادرنگ روي ديتاست‌ها يا ذخيره و به‌روزرساني ركوردها به‌صورت بلادرنگ استفاده كرد.

در مقابل، فلش‌هاي NAND براي ذخيره‌ي «تقريبا الكترونيك» و دسته‌اي داده و پردازش‌هاي شبانه به كار مي‌رود. فلش‌هاي NAND با فراهم‌ آوردن زمينه‌هاي آناليز روي ديتابيس‌هاي سيستم‌هاي مديريتي، به‌صورت ستوني اين كار را انجام مي‌دهند. اين كار نيازمند صفي به عمق ۳۲ يا بيشتر براي انجام عمليات خواندن و نوشتن است. 

مايرز مي‌گويد:

شمار كمي از مردم مايل به پرداخت پول بيشتر براي گذردهي بالاتر هستند. زيرا مي‌توانند آناليزها را بين ساعات ۲ بامداد الي ۵ صبح، زماني كه كسي مشغول انجام معاملات تجاري نيست، انجام دهند.

اولين SSD اينتل با فناوري 3D XPoint كه P4800X نام گرفته است، با عمق صف ۱۶ يا كمتر، مي‌تواند ۵۵۰ هزار عمليات خواندن و ۵۰۰ هزار عمليات نوشتن از ورودي/خروجي را در يك ثانيه انجام دهد. اين در حالي است كه بهترين SSD-هاي اينتل با استفاده از فناوري فلش NAND و صف عميق‌تر، حداكثر قادر به انجام ۴۰۰ هزار عمليات در ثانيه هستند.

مشابه با DRAM، فناوري 3D XPoint قابليت آدرس‌دهي به بايت‌هاي مجرد را دارا است، به اين معني كه هر سلول حافظه مي‌تواند مكان منحصر به فردي داشته باشد. برخلاف NAND-هاي block-level، هنگام جستجوي داده‌ توسط برنامه، سرباري وجود ندارد.

آنسوورث مي‌گويد:

 3D XPoint نه از نوع فلش است نه از نوع DRAM، بلكه نوعي از فناوري است كه بين اين دو قرار مي‌گيرد و اين نقطه دقيقا جايي است كه اكوسيستم بايد از آن حمايت كند تا بتوان از فناوري بهره برداري كرد. هنوز DIMM از نوع دائمي توسعه داده نشده است. بنابراين 3D XPoint شاخه‌اي است كه جاي كار زيادي دارد.

بر اساس گزارش IDC، سال‌ها پس از ظهور ديتاسنترهاي بزرگ و ابري، معرفي 3D XPoint به‌عنوان رده‌ي جديدي از ابزارهاي ذخيره‌سازي، يكي از اولين تغييرات عمده‌ي فناوري طي سال‌هاي اخير است.

چه زماني 3D XPoint قابل دسترسي خواهد بود؟

اينتل راه خود را از ميكرون در زمينه حافظه‌هاي 3D XPoint جدا كرده است. اينتل برند اوپتان خود را محصولي مناسب براي كامپيوترهاي دسكتاپ و ديتاسنترها مي‌داند. همچنين ادعا مي‌كند اوپتان مي‌تواند بين دسترسي سريع و ظرفيت ذخيره‌سازي، تعادل برقرار كند.

در طرف مقابل، ميكرون SSD-هاي خود را با نام QuantX معرفي كرده است و آن‌ها را بهترين انتخاب براي ديتاسنتر‌ها مي‌داند. ولي راه زيادي باقي است تا اين محصول تبديل به يك SSD براي مصرف كننده نهايي شود.

در ۲۰۱۵، ويفرهايي از 3D XPoint توسط شركت فناوري IM Flash (كارخانه‌ي مشترك اينتل و ميكرون واقع در شهر لهي ايالت يوتا) به‌صورت محدود به بازار عرضه و توليد انبوه آن از سال پيش آغاز شد.

از سه ماه پيش، اينتل آغاز به فروش محصولات با نام ماژول شتاب‌دهنده‌ي حافظه‌ي اوپتان براي كامپيوترهاي دسكتاپ كرد. ارزش اوليه براي ماژول ۱۶ گيگابايتي برابر ۴۴ دلار، ماژول ۳۲ گيگابايتي برابر ۷۷ دلار است و مدل توسعه‌يافته DC P4800X براي ديتاسنترها با حجم ۳۷۵ گيگابايت و برچسب ارزشي ۱۵۲۰ دلار عرضه شده است. مدل DC P4800X از رابط PCIe NVMe ۳.۰x۴ (چهار مسير) استفاده مي‌كند.

ماژول شتاب‌دهنده‌ي حافظه‌ي اوپتان، به منظور سرعت بخشيدن به هر نوع حافظه‌ي متصل به درگاه ساتا روي نسل هفتم پردازنده‌هاي اينتل با نام كبي‌ ليك و پلتفرم اينتل كور پروسسور كه با نام «پلتفرم آماده براي استفاده از اوپتان اينتل» ناميده مي‌شود، قابل استفاده است. ماژول حافظه‌ي افزودني اوپتان به‌عنوان نوعي كش براي افزايش كارايي روي لپ‌تاپ‌ها و كامپيوترهاي دسكتاپ به كار مي‌رود.

در حالي كه DC P4800X اولين حافظه SSD بر اساس فناوري 3D XPoint براي ديتاسنترها محسوب مي‌شود، اينتل قول عرضه‌ي مدل‌هاي بهتري را داده است. از آن جمله مي‌توان به مدل SSD اوپتان اينترپرايز با حجم ۷۵۰ گيگابايت و SSD-هاي ۱.۵ ترابايتي كه انتظار مي‌رود در ۶ ماهه‌ي جاري امسال به فروش برسند، اشاره كرد. 

اين SSD-ها را مي‌توان با استفاده از اسلات‌هاي PCI-Express/NVMe و U.2 استفاده كرد، به اين معني كه مي‌توان اين حافظه‌ها را در ورك‌استيشن‌ها و سرورهايي با پردازنده‌هاي اي‌ام‌دي Naples با ۳۲ هسته‌ استفاده كرد. 

همچنين اينتل قصد دارد اوپتان را با شكل و شمايلي مانند رم‌هاي معمولي در سال پيش رو عرضه كند.

در حال حاضر ميكرون انتظار دارد اولين فروش خود را در ۶ ماهه‌ي جاري سال انجام دهد. آن‌ها انتظار دارند كه با آغاز سال ۲۰۱۸ فروش بيشتري تجربه كنند و در سال ۲۰۱۹ ركورد فروش خود را ثبت كنند.

چگونه 3D XPoint روي كارايي كامپيوتر تأثيرگذار است؟

اينتل ادعا مي‌كند ماژول اوپتان، زمان بوت را نصف و كارايي سيستم را ۲۸ درصد افزايش مي‌دهد. در بازي‌ها هم شاهد افزايش ۶۵ درصدي سرعت لود هستيم.

DC P4800X در محيط‌هايي با عمليات خواندن و نوشتن تصادفي كه مي‌تواند به DRAM سرور اضافه شود، بهترين عملكرد خود را ارائه مي‌دهد. اوپتان زماني كه عمليات خواندن و نوشتن به‌صورت تصادفي انجام مي‌شود، خود را نشان مي‌دهد، خواندن و نوشتن تصادفي، بيشتر روي سرورها و كامپيوترهاي رده بالا اتفاق مي‌افتد. سرعت نوشتن تصادفي اوپتان ۱۰ برابر و سرعت خواندن آن ۳ برابر بيشتر از SSD-هاي مرسوم است (توجه كنيد براي كارهايي كه نياز به دسترسي پشت سرهم به حافظه دارند، اينتل همچنان SSD-هاي فلش NAND را توصيه مي‌كند.)

به‌عنوان مثال، براي DC P4800 با ۳۷۵ گيگابايت حجم، به ازاي هر گيگ ۴.۰۵ دلار پرداخت مي‌كنيد و به سرعت خواندن تصادفي ۵۰۰ هزار عمليات در ثانيه با استفاده از بلاك‌هاي ۴ كيلوبايتي و عمق صف ۱۶ تايي مي‌رسيد. سرعت خواندن ترتيبي ۲.۴ گيگابايت در ثانيه و سرعت نوشتن ۲.۰ گيگابايت در ثانيه است.

در مقام مقايسه، براي SSD‌-هاي فلش NAND اينتل با نام DC P3700 و با حجم ۴۰۰ گيگابايت و ارزش ۶۴۵ دلار، به ازاي هر گيگابايت حجم، ۱.۶۱ دلار پرداخت مي‌كنيد. سرعت خواندن تصادفي در اين SSD برابر ۴۵۰ هزار عمليات در ثانيه با عمق صف تا حداكثر ۱۲۸ است. سرعت خواندن ترتيبي ۲.۸ گيگابايت در ثانيه و سرعت نوشتن ۱.۹ گيگابايت در ثانيه است.

به علاوه DC P4800 از تأخير خواندن يا نوشتن ۱۰ ميكروثانيه‌اي برخوردار است؛ در حالي كه اين تأخير براساس اطلاعات IDC در فلش‌هاي NAND به ۳۰ الي ۱۰۰ ميكروثانيه مي‌رسد. براي مثال DC P3700 داراي تأخير ۲۰ ميكروثانيه و ۲ برابر DC P4800 است.

IDC در مقاله خود اذعان كرده است برخلاف SSD‌-هاي حافظه‌ي فلش كه در آن سرعت خواندن كمتر از نوشتن است، تأخير خواندن و نوشتن در مدل DC P4800X تقريبا با هم برابر است.

ميكرون بر اين باور است كه فناوري 3D XPoint مكمل فناوري فلش‌هاي NAND است و فاصله‌ي بين فلش‌هاي NAND و DRAM را پر مي‌كند. با اين حال انتظار مي‌رود كه اين فناوري نوپا در سال‌هاي آتي بتواند DRAM را يه چالش بكشد تا اينكه فلش‌هاي NAND را از ميدان به در كند.

گارتنر پيش‌بيني مي‌كند تا انتهاي سال ۲۰۱۸ فناوري 3D XPoint سير صعودي قابل توجهي در ديتاسنترها خواهد داشت. 

آنسوورث مي‌گويد:

علاوه بر سرورها، سيستم‌هاي ذخيره‌سازي، ديتاسنترهاي بزرگ و مشتريان خدمات ابري، توجهات زياد ديگري از سوي ساير مشتريان كليدي، مانند مشتريان نرم‌افزاري وجود دارد؛ زيرا اگر تجزيه و تحليل ديتابيس‌ها و داده‌هاي حجيم با سرعت بيشتر و هزينه معقول‌تر امكان‌پذير باشد، بالطبع متخصص نهايي نيز تمايل به پردازش داده‌ها با سرعت بالاتر و به‌صورت بلادرنگ خواهد داشت. بنابراين ما اين فناوري را به‌عنوان يك فناوري دگرگون‌كننده باور داريم.

با اين حال چنين دگرگوني، نيازمند زمان است. اكوسيستم ديتاسنتر براي سازگاري با حافظه‌ي جديد نيازمند سازگاري است كه اين سازگاري با چيپست‌هاي جديد براي پردازنده و برنامه‌ي واسطي كه بتواند از اين فناوري همراهي كند، فراهم مي‌شود.

به علاوه تنها دو ارائه‌كننده براي اين فناوري وجود دارد: اينتل و ميكرون. ولي آنسوورث  مي‌گويد در درازمدت ممكن است شركت‌هاي ديگري نيز به اين جرگه بپيوندند.

آيا حافظه‌هاي جديدي نيز در حال ظهور هستند؟

فناوري Resistive Ram يا (ReRam) و memrisor، دو فناوري جديد و قادر به رقابت با 3D XPoint هستند؛ ولي هيچ يك در ظرفيت‌هاي بالا يا تيراژ زياد توليد نشده است.

پاييز گذشته، سامسونگ حافظه‌هاي جديد Z-NAND خود را كه رقيبي واقعي براي 3D XPoint محسوب مي‌شوند، عرضه كرد. SSDهاي Z-NAND كه هنوز روانه‌ي بازار نشده‌اند، ادعاي تأخير ۴ برابر كمتر و سرعت خواندن ۱.۶ برابر بيشتر نسبت به 3D XPoint دارند. سامسونگ انتظار دارد امسال حافظه‌هاي Z-NAND خود را روانه‌ي بازار كند.

آيا تمامي حرف‌هاي زده‌شده به معناي فراموشي فلش‌هاي NAND است؟

بر اساس گفته‌هاي گارتنر، در حالي كه ساير فناوري‌هاي حافظه‌ي دائمي ممكن است بالاخره بتوانند 3D XPoint را به چالش بكشند، حافظه‌هاي فلش NAND خط توسعه‌ي طولاني پيش رو دارند. حداقل انتظار داريم ۳ نسل ديگر از فلش‌هاي NAND را ببينيم كه به معناي توليد اين نوع از فناوري تا سال ۲۰۲۵ است.

در حالي كه آخرين نسخه‌ي فلش‌هاي NAND سه بعدي و NAND عمودي، از ۶۴ لايه سلول‌ فلش در بالاي يكديگر براي رسيدن به چگالي بيشتر از حافظه‌هاي NAND دوبعدي استفاده مي‌كنند، انتظار داريم تا شروع سال بعدي تعداد لايه‌ها به ۹۶ و طي سال‌هاي آتي به ۱۲۸ برسد.

به علاوه، انتظار مي‌رود سلول‌هاي سه سطحي (TLC) كه در هر سلول توانايي نشان دادن ۳ بيت را دارند، به ۴ بيت در هر سلول (QLC) افزايش يابد كه منجر به افزايش چگالي و كاهش هزينه‌هاي توليد مي‌شود.

آنسوورث اعتقاد دارد:

اين صنعت بسيار انعطاف‌پذير است و بسياري از فروشندگان نيمه هادي جهان و چين در آن حضور دارند. اگر چين فكر مي‌كرد كه فلش‌ NAND به آخر راه خود رسيده است، ميلياردها دلار در آن سرمايه‌گذاري نمي‌كرد. سرعت توليد NAND-هاي سه بعدي كاهش خواهد يافت ولي به اين زودي متوقف نخواهد شد.