حافظه 3D XPoint؛ قاتل فلش NAND یا جایگزین DRAM

پس از مدت‌ها حکمرانی حافظه‌های فلش NAND، حافظه‌های 3D XPoint هنگام معرفی در سال ۲۰۱۵، سر و صدای زیادی به پا کردند. این حافظه‌ها مدعی سرعت ۱۰۰۰ برابری نسبت به حافظه‌های قبلی هستند. اما این سرعت‌ فقط روی کاغذ امکان‌پذیر است و فعلا در واقعیت، حافظه‌های 3D XPoint، ده برابر سریعتر از NAND هستند.

این حافظه‌ی جدید حالت جامد، احتمالا به دلیل قیمت پایین‌تر از حافظه‌‌های DRAM (نصف قیمت)، جایگاهی در دیتا‌سنتر‌ها برای خود باز خواهد کرد؛ زیرا حافظه‌های 3D XPoint قادرند با کارکردن با فناوری‌ حافظه‌های رایج، کارایی را افزایش دهند.

با افزایش داده‌‌ی تراکنشی، محاسبات ابری، تحلیل داده و ورک‌لودهای نسل جدید، نیازمند حافظه‌های ذخیره‌سازی قدرتمند هستیم.

3D XPoint

جوزف آنسوورث، معاون تحقیقات گارتنر در بخش نیمه‌رسانا و فلش NAND، می‌گوید:

این  فناوری مهم، تأثیر زیادی در استفاده‌ی دیتاسنترها و تأثیر کمتری در کامپیوترهای دسکتاپ دارد. مشتریان دیتاسنتر، سرویس ابری یا سازمان‌های ذخیره‌سازی فعلی، همگی جذب فناوری‌های جدید می‌شوند.

شاید 3D XPoint نتواند برای تعویض تمامی DRAM‌-ها متقاعدکننده باشد، ولی حداقل می‌تواند مدیران بخش آی‌تی را متقاعد کند تا بخشی از حافظه‌ها را عوض کنند و در کنار آن، سرعتی بالاتر از فلش‌های NAND تجربه کنند.

3D XPoint چیست؟

نوع جدیدی از فضای ذخیره سازی حالت جامد است که در آن داده با قطع برق از بین نمی‌رود (حافظه‌ی دائمی). 3D XPoint کارایی و پایداری بسیار بیشتری از فلش NAND دارد و از نظر قیمتی بین حافظه‌های DRAM و فلش NAND قرار می‌گیرد.

بر اساس اطلاعات گارتنر، اکنون DRAM به ازای هر گیگابایت کمی بیش از ۵ دلار قیمت دارد. فلش NAND به ازای هر گیگابایت ۲۵ سنت قیمت دارد. این قیمت برای 3D XPoint به ازای هر گیگابایت برابر ۲.۴ دلار در حجم‌های بالا است و انتظار می‌رود تا سال ۲۰۲۱، همچنان قیمتی بیشتر از فلش‌های NAND داشته باشد.

اینتل و میکرون از نحوه‌ی ذخیره‌‌سازی داده در 3D XPoint حرفی نزده‌اند؛ اما اشاره کرده‌اند که این فضای ذخیره‌سازی بر اساس ذخیره‌سازی الکترون‌ها (همانند حافظه‌های فلش NAND و DRAM) نیست و از ترانزیستور هم استفاده نمی‌کند. همچنین اذعان داشته‌اند که 3D XPoint از نوع رم مقاومتی (ReRAM) یا memristor نیست. ReRam و memristor دو فناوری نوظهور در حافظه‌های دائمی هستند.

با حذف موارد فوق، می‌توان حدس زد 3D XPoint از نوع حافظه‌های تغییر فازی (PCM) است. میکرون قبلا این فناوری را توسعه داده است.

PCM نوعی حافظه‌ی دائمی است و بر اساس شارژهای الکتریکی برای تغییر مناطق روی عناصر شیشه‌ای کار می‌کند. این ماده بین یک حالت بلوری و یک حالت تصادفی دیگر تغییر شکل می‌دهد (به این ماده کالکوژنید می‌گویند). این توضیحات با حرف‌های راس میر، مدیر بخش فرایند میکرون، مطابقت دارد. او در یک مجمع عمومی گفته است:

حافظه در حال حرکت بین دو حالت مقاومتی متفاوت است.

در PCM، حالت غیر بلوری با مقاومت بالا، صفر و حالت بلوری با مقاومت پایین، یک در نظر گرفته می‌شود.

معماری 3D XPoint وابسته به پشته‌ای از صفحات پنجره‌ای خیلی ریز است و در جایی که سیم‌ها متقاطع می‌شوند، ستون‌هایی از ماده‌ی کالکوژنیدی وجود دارد که شامل سوئیچ‌هایی برای دسترسی به بیت‌های داده‌ی ذخیره‌شده هستند.

راب کروک، مدیر کل اینتل در بخش حافظه‌های دائمی، می‌گوید:

برخلاف DRAM-های معمول که داده را توسط الکترون درون خازن ذخیره می‌کنند یا حافظه‌های NAND که الکترون‌های گیرافتاده در یک گیت شناور را ذخیره می‌کنند، 3D XPoint از تغییرات خواص توده‌ای از ماده برای ذخیره‌ی مقدار صفر و یک استفاده می‌کند. این امر باعث می‌شود بتوان در مقیاس کوچک‌تر، داده‌‌ی بیشتری ذخیره کرد.

چرا به 3D XPoint اهمیت زیادی داده می‌شود؟

فناوری 3D XPoint با استفاده از رابط PCIe/NVMe در حدود ۱۰ برابر کارایی و ۱۰۰۰ برابر پایداری بیشتری نسبت به فلش NAND دارد. هزار برابر پایداری بیشتر، به معنای تعداد نوشتن بیش از  یک میلیون بار است. با این اوصاف، می‌توان گفت حافظه‌های جدید، حافظه‌هایی مادام‌العمر هستند.

به‌عنوان مقایسه، حافظه‌های فلش NAND موجود، بین ۳۰۰۰ تا ۱۰,۰۰۰ بار می‌توانند عملیات نوشتن یا پاک کردن را انجام دهند. با استفاده از تکنیک افزایش عمر مفید و تصحیح خطای نرم افزاری، می‌توان این مقدار را افزایش داد؛ ولی این هرگز حتی به نزدیکی‌ یک میلیون بار نخواهد رسید.

تأخیر پایین 3D XPoint که ۱۰۰۰ برابر کمتر از حافظه‌های NAND و ۱۰ برابر بیشتر از حافظه‌های DRAM است، این نوع حافظه را در توانایی بالای دریافت یا ارسال داده‌های ورودی و خروجی برجسته کرده که یکی از این موارد پراستفاده، داده‌‌ی تراکنشی است.

اگر سلسله مراتب ذخیره‌سازی در دیتاسنترها را به ترتیب، SRAM موجود در پردازنده، DRAM، فلش NAND، هارد دیسک و نوار مغناطیسی یا دیسک نوری در نظر بگیریم، 3D XPoint را می‌توان بین DRAM که یک حافظه موقت است و فلش NAND که یک حافظه‌ی دائمی است، قرار داد.

چرا 3D XPoint برای برخی از دیتاسنترها خوب است؟

جیمز مایرز، مدیر معماری NVM در بخش حافظه‌های دائمی شرکت اینتل، می‌گوید:

نیاز به 3D XPoint برخواسته از سرویس‌های تصادفی و مجموع داده‌ی تراکنشی غیر بهینه برای پردازش در حافظه است. (نسخه‌ای از این فناوری که از آن اینتل است، از سوی اینتل با نام اوپتان خوانده می‌شود). اوپتان برای سرویس‌دهی به رده‌ی گرم بازار و بخشی از رده‌ی داغ بازار در زمینه‌ی حافظه‌های ذخیره‌سازی برای معماری‌های غیر بهینه یا حتی برای افزایش حجم یا فضای حافظه در داغ‌ترین رده‌ی بازار به کار می‌رود که این سرویس‌ها تعداد زیادی تراکنش تصادفی هستند.

برای مثال از 3D XPoint می‌توان برای انجام آنالیز‌های محدود و بلادرنگ روی دیتاست‌ها یا ذخیره و به‌روزرسانی رکوردها به‌صورت بلادرنگ استفاده کرد.

در مقابل، فلش‌های NAND برای ذخیره‌ی «تقریبا آنلاین» و دسته‌ای داده و پردازش‌های شبانه به کار می‌رود. فلش‌های NAND با فراهم‌ آوردن زمینه‌های آنالیز روی دیتابیس‌های سیستم‌های مدیریتی، به‌صورت ستونی این کار را انجام می‌دهند. این کار نیازمند صفی به عمق ۳۲ یا بیشتر برای انجام عملیات خواندن و نوشتن است. 

مایرز می‌گوید:

شمار کمی از مردم مایل به پرداخت پول بیشتر برای گذردهی بالاتر هستند. زیرا می‌توانند آنالیزها را بین ساعات ۲ بامداد الی ۵ صبح، زمانی که کسی مشغول انجام معاملات تجاری نیست، انجام دهند.

اولین SSD اینتل با فناوری 3D XPoint که P4800X نام گرفته است، با عمق صف ۱۶ یا کمتر، می‌تواند ۵۵۰ هزار عملیات خواندن و ۵۰۰ هزار عملیات نوشتن از ورودی/خروجی را در یک ثانیه انجام دهد. این در حالی است که بهترین SSD-های اینتل با استفاده از فناوری فلش NAND و صف عمیق‌تر، حداکثر قادر به انجام ۴۰۰ هزار عملیات در ثانیه هستند.

مشابه با DRAM، فناوری 3D XPoint قابلیت آدرس‌دهی به بایت‌های مجرد را دارا است، به این معنی که هر سلول حافظه می‌تواند مکان منحصر به فردی داشته باشد. برخلاف NAND-های block-level، هنگام جستجوی داده‌ توسط برنامه، سرباری وجود ندارد.

آنسوورث می‌گوید:

 3D XPoint نه از نوع فلش است نه از نوع DRAM، بلکه نوعی از فناوری است که بین این دو قرار می‌گیرد و این نقطه دقیقا جایی است که اکوسیستم باید از آن حمایت کند تا بتوان از فناوری بهره برداری کرد. هنوز DIMM از نوع دائمی توسعه داده نشده است. بنابراین 3D XPoint شاخه‌ای است که جای کار زیادی دارد.

بر اساس گزارش IDC، سال‌ها پس از ظهور دیتاسنترهای بزرگ و ابری، معرفی 3D XPoint به‌عنوان رده‌ی جدیدی از ابزارهای ذخیره‌سازی، یکی از اولین تغییرات عمده‌ی فناوری طی سال‌های اخیر است.

چه زمانی 3D XPoint قابل دسترسی خواهد بود؟

اینتل راه خود را از میکرون در زمینه حافظه‌های 3D XPoint جدا کرده است. اینتل برند اوپتان خود را محصولی مناسب برای کامپیوترهای دسکتاپ و دیتاسنترها می‌داند. همچنین ادعا می‌کند اوپتان می‌تواند بین دسترسی سریع و ظرفیت ذخیره‌سازی، تعادل برقرار کند.

در طرف مقابل، میکرون SSD-های خود را با نام QuantX معرفی کرده است و آن‌ها را بهترین انتخاب برای دیتاسنتر‌ها می‌داند. ولی راه زیادی باقی است تا این محصول تبدیل به یک SSD برای مصرف کننده نهایی شود.

در ۲۰۱۵، ویفرهایی از 3D XPoint توسط شرکت فناوری IM Flash (کارخانه‌ی مشترک اینتل و میکرون واقع در شهر لهی ایالت یوتا) به‌صورت محدود به بازار عرضه و تولید انبوه آن از سال پیش آغاز شد.

از سه ماه پیش، اینتل آغاز به فروش محصولات با نام ماژول شتاب‌دهنده‌ی حافظه‌ی اوپتان برای کامپیوترهای دسکتاپ کرد. قیمت اولیه برای ماژول ۱۶ گیگابایتی برابر ۴۴ دلار، ماژول ۳۲ گیگابایتی برابر ۷۷ دلار است و مدل توسعه‌یافته DC P4800X برای دیتاسنترها با حجم ۳۷۵ گیگابایت و برچسب قیمتی ۱۵۲۰ دلار عرضه شده است. مدل DC P4800X از رابط PCIe NVMe ۳.۰x۴ (چهار مسیر) استفاده می‌کند.

ماژول شتاب‌دهنده‌ی حافظه‌ی اوپتان، به منظور سرعت بخشیدن به هر نوع حافظه‌ی متصل به درگاه ساتا روی نسل هفتم پردازنده‌های اینتل با نام کبی‌ لیک و پلتفرم اینتل کور پروسسور که با نام «پلتفرم آماده برای استفاده از اوپتان اینتل» نامیده می‌شود، قابل استفاده است. ماژول حافظه‌ی افزودنی اوپتان به‌عنوان نوعی کش برای افزایش کارایی روی لپ‌تاپ‌ها و کامپیوترهای دسکتاپ به کار می‌رود.

در حالی که DC P4800X اولین حافظه SSD بر اساس فناوری 3D XPoint برای دیتاسنترها محسوب می‌شود، اینتل قول عرضه‌ی مدل‌های بهتری را داده است. از آن جمله می‌توان به مدل SSD اوپتان اینترپرایز با حجم ۷۵۰ گیگابایت و SSD-های ۱.۵ ترابایتی که انتظار می‌رود در ۶ ماهه‌ی جاری امسال به فروش برسند، اشاره کرد. 

این SSD-ها را می‌توان با استفاده از اسلات‌های PCI-Express/NVMe و U.2 استفاده کرد، به این معنی که می‌توان این حافظه‌ها را در ورک‌استیشن‌ها و سرورهایی با پردازنده‌های ای‌ام‌دی Naples با ۳۲ هسته‌ استفاده کرد. 

همچنین اینتل قصد دارد اوپتان را با شکل و شمایلی مانند رم‌های معمولی در سال پیش رو عرضه کند.

در حال حاضر میکرون انتظار دارد اولین فروش خود را در ۶ ماهه‌ی جاری سال انجام دهد. آن‌ها انتظار دارند که با آغاز سال ۲۰۱۸ فروش بیشتری تجربه کنند و در سال ۲۰۱۹ رکورد فروش خود را ثبت کنند.

چگونه 3D XPoint روی کارایی کامپیوتر تأثیرگذار است؟

اینتل ادعا می‌کند ماژول اوپتان، زمان بوت را نصف و کارایی سیستم را ۲۸ درصد افزایش می‌دهد. در بازی‌ها هم شاهد افزایش ۶۵ درصدی سرعت لود هستیم.

DC P4800X در محیط‌هایی با عملیات خواندن و نوشتن تصادفی که می‌تواند به DRAM سرور اضافه شود، بهترین عملکرد خود را ارائه می‌دهد. اوپتان زمانی که عملیات خواندن و نوشتن به‌صورت تصادفی انجام می‌شود، خود را نشان می‌دهد، خواندن و نوشتن تصادفی، بیشتر روی سرورها و کامپیوترهای رده بالا اتفاق می‌افتد. سرعت نوشتن تصادفی اوپتان ۱۰ برابر و سرعت خواندن آن ۳ برابر بیشتر از SSD-های مرسوم است (توجه کنید برای کارهایی که نیاز به دسترسی پشت سرهم به حافظه دارند، اینتل همچنان SSD-های فلش NAND را توصیه می‌کند.)

به‌عنوان مثال، برای DC P4800 با ۳۷۵ گیگابایت حجم، به ازای هر گیگ ۴.۰۵ دلار پرداخت می‌کنید و به سرعت خواندن تصادفی ۵۰۰ هزار عملیات در ثانیه با استفاده از بلاک‌های ۴ کیلوبایتی و عمق صف ۱۶ تایی می‌رسید. سرعت خواندن ترتیبی ۲.۴ گیگابایت در ثانیه و سرعت نوشتن ۲.۰ گیگابایت در ثانیه است.

در مقام مقایسه، برای SSD‌-های فلش NAND اینتل با نام DC P3700 و با حجم ۴۰۰ گیگابایت و قیمت ۶۴۵ دلار، به ازای هر گیگابایت حجم، ۱.۶۱ دلار پرداخت می‌کنید. سرعت خواندن تصادفی در این SSD برابر ۴۵۰ هزار عملیات در ثانیه با عمق صف تا حداکثر ۱۲۸ است. سرعت خواندن ترتیبی ۲.۸ گیگابایت در ثانیه و سرعت نوشتن ۱.۹ گیگابایت در ثانیه است.

به علاوه DC P4800 از تأخیر خواندن یا نوشتن ۱۰ میکروثانیه‌ای برخوردار است؛ در حالی که این تأخیر براساس اطلاعات IDC در فلش‌های NAND به ۳۰ الی ۱۰۰ میکروثانیه می‌رسد. برای مثال DC P3700 دارای تأخیر ۲۰ میکروثانیه و ۲ برابر DC P4800 است.

IDC در مقاله خود اذعان کرده است برخلاف SSD‌-های حافظه‌ی فلش که در آن سرعت خواندن کمتر از نوشتن است، تأخیر خواندن و نوشتن در مدل DC P4800X تقریبا با هم برابر است.

میکرون بر این باور است که فناوری 3D XPoint مکمل فناوری فلش‌های NAND است و فاصله‌ی بین فلش‌های NAND و DRAM را پر می‌کند. با این حال انتظار می‌رود که این فناوری نوپا در سال‌های آتی بتواند DRAM را یه چالش بکشد تا اینکه فلش‌های NAND را از میدان به در کند.

گارتنر پیش‌بینی می‌کند تا انتهای سال ۲۰۱۸ فناوری 3D XPoint سیر صعودی قابل توجهی در دیتاسنترها خواهد داشت. 

آنسوورث می‌گوید:

علاوه بر سرورها، سیستم‌های ذخیره‌سازی، دیتاسنترهای بزرگ و مشتریان خدمات ابری، توجهات زیاد دیگری از سوی سایر مشتریان کلیدی، مانند مشتریان نرم‌افزاری وجود دارد؛ زیرا اگر تجزیه و تحلیل دیتابیس‌ها و داده‌های حجیم با سرعت بیشتر و هزینه معقول‌تر امکان‌پذیر باشد، بالطبع کاربر نهایی نیز تمایل به پردازش داده‌ها با سرعت بالاتر و به‌صورت بلادرنگ خواهد داشت. بنابراین ما این فناوری را به‌عنوان یک فناوری دگرگون‌کننده باور داریم.

با این حال چنین دگرگونی، نیازمند زمان است. اکوسیستم دیتاسنتر برای سازگاری با حافظه‌ی جدید نیازمند سازگاری است که این سازگاری با چیپست‌های جدید برای پردازنده و برنامه‌ی واسطی که بتواند از این فناوری پشتیبانی کند، فراهم می‌شود.

به علاوه تنها دو ارائه‌کننده برای این فناوری وجود دارد: اینتل و میکرون. ولی آنسوورث  می‌گوید در درازمدت ممکن است شرکت‌های دیگری نیز به این جرگه بپیوندند.

آیا حافظه‌های جدیدی نیز در حال ظهور هستند؟

فناوری Resistive Ram یا (ReRam) و memrisor، دو فناوری جدید و قادر به رقابت با 3D XPoint هستند؛ ولی هیچ یک در ظرفیت‌های بالا یا تیراژ زیاد تولید نشده است.

پاییز گذشته، سامسونگ حافظه‌های جدید Z-NAND خود را که رقیبی واقعی برای 3D XPoint محسوب می‌شوند، عرضه کرد. SSDهای Z-NAND که هنوز روانه‌ی بازار نشده‌اند، ادعای تأخیر ۴ برابر کمتر و سرعت خواندن ۱.۶ برابر بیشتر نسبت به 3D XPoint دارند. سامسونگ انتظار دارد امسال حافظه‌های Z-NAND خود را روانه‌ی بازار کند.

آیا تمامی حرف‌های زده‌شده به معنای فراموشی فلش‌های NAND است؟

بر اساس گفته‌های گارتنر، در حالی که سایر فناوری‌های حافظه‌ی دائمی ممکن است بالاخره بتوانند 3D XPoint را به چالش بکشند، حافظه‌های فلش NAND خط توسعه‌ی طولانی پیش رو دارند. حداقل انتظار داریم ۳ نسل دیگر از فلش‌های NAND را ببینیم که به معنای تولید این نوع از فناوری تا سال ۲۰۲۵ است.

در حالی که آخرین نسخه‌ی فلش‌های NAND سه بعدی و NAND عمودی، از ۶۴ لایه سلول‌ فلش در بالای یکدیگر برای رسیدن به چگالی بیشتر از حافظه‌های NAND دوبعدی استفاده می‌کنند، انتظار داریم تا شروع سال بعدی تعداد لایه‌ها به ۹۶ و طی سال‌های آتی به ۱۲۸ برسد.

به علاوه، انتظار می‌رود سلول‌های سه سطحی (TLC) که در هر سلول توانایی نشان دادن ۳ بیت را دارند، به ۴ بیت در هر سلول (QLC) افزایش یابد که منجر به افزایش چگالی و کاهش هزینه‌های تولید می‌شود.

آنسوورث اعتقاد دارد:

این صنعت بسیار انعطاف‌پذیر است و بسیاری از فروشندگان نیمه هادی جهان و چین در آن حضور دارند. اگر چین فکر می‌کرد که فلش‌ NAND به آخر راه خود رسیده است، میلیاردها دلار در آن سرمایه‌گذاری نمی‌کرد. سرعت تولید NAND-های سه بعدی کاهش خواهد یافت ولی به این زودی متوقف نخواهد شد.