通用超級(jí)存儲(chǔ)器

英特爾已經(jīng)將目光投向未來的電腦：新的3D XPoint存儲(chǔ)器和內(nèi)存一樣快，又可以比固態(tài)硬盤更可靠地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，首批產(chǎn)品將在2016年發(fā)布。

電腦技術(shù)的發(fā)展速度極快，按照摩爾定律，半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量每18個(gè)月增加一倍。但是，除了芯片，其他的一些技術(shù)也非常重要，例如所謂的非易失性存儲(chǔ)器（Non Volatile Memory，簡(jiǎn)稱NVM）：NVM是工作存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的通用組合，目前為了確保電腦可以快速地工作，我們需要為其配備內(nèi)存，而內(nèi)存在電腦關(guān)閉之后是無法保存數(shù)據(jù)的，為此，我們還需要為電腦配備硬盤驅(qū)動(dòng)器。作為工作存儲(chǔ)器，內(nèi)存的速度非?？?，但它需要每隔幾秒就重新刷新，否則數(shù)據(jù)將丟失。而硬盤可以長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，但是它的速度比內(nèi)存要慢很多。在使用兩種存儲(chǔ)器的情況下，電腦需要從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器上加載數(shù)據(jù)到工作存儲(chǔ)器，處理之后在將數(shù)據(jù)從工作存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，個(gè)人電腦花費(fèi)大量的時(shí)間來進(jìn)行類似的讀取和寫入操作。

而使用通用的存儲(chǔ)器NVM將可以完全避免這種浪費(fèi)，因?yàn)閮?nèi)存和硬盤驅(qū)動(dòng)器不再是兩種不同的介質(zhì)，而是合為一體，成為一個(gè)單一的介質(zhì)，這將可以帶來一種全新的電腦。為了實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，通用存儲(chǔ)器必須和內(nèi)存一樣快，并且能夠在切斷電源之后仍然可以保存其數(shù)據(jù)。雖然閃存很快，固態(tài)硬盤可以比普通的機(jī)械硬盤快得多，但是和內(nèi)存相比它們?nèi)匀惶瑸榇?，我們需要一種新的存儲(chǔ)器。十多年來研究人員一直在琢磨能夠滿足這種需求的NVM技術(shù)，而當(dāng)前有3種新興的存儲(chǔ)技術(shù)最有機(jī)會(huì)脫穎而出：可變電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)（Resistive random-access memory，簡(jiǎn)稱ReRAM或RRAM）、相變存儲(chǔ)技術(shù)（Phase Change Memory，簡(jiǎn)稱PCM）和自旋轉(zhuǎn)移力矩隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)（Spin Transfer Torque Random Access Memory，簡(jiǎn)稱STT-RAM）。由于3D XPoint使用PCM技術(shù)，所以目前它看起來像是這場(chǎng)竟賽的贏家，雖然英特爾并沒有明確說明所使用的技術(shù)，但是根據(jù)英特爾已經(jīng)發(fā)布的3D XPoint相關(guān)資料，似乎指向PCM的方向。

從非結(jié)晶到結(jié)晶

所謂的相變存儲(chǔ)技術(shù)指的是利用一些物質(zhì)可逆轉(zhuǎn)的相變來存儲(chǔ)信息的技術(shù)，物質(zhì)的非結(jié)晶和結(jié)晶狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)0和1。許多PCM項(xiàng)目指望硫?qū)倩铮ǔＪ侵芷诒硌踝宓囊环N或多種元素的化合物，而最有希望的候選者是鍺、硒和碲的合金。在非結(jié)晶或隨機(jī)狀態(tài)下，這些合金是不導(dǎo)電的，但是它們?cè)诮Y(jié)晶狀態(tài)下是導(dǎo)電的。從非結(jié)晶狀態(tài)向結(jié)晶狀態(tài)轉(zhuǎn)換只需要用較弱的能量和稍長(zhǎng)的脈沖加熱即可，但是如果要使材料返回到非結(jié)晶狀態(tài)，則需要施加強(qiáng)大的短脈沖熔化材料，然后在它達(dá)到非晶狀態(tài)時(shí)冷卻它。

如果我們仔細(xì)觀察3D XPoint的PCM單元，那么我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)它由兩部分組成，每一部分都夾在兩個(gè)電極之間：下面的部分是一個(gè)晶體或非晶體狀態(tài)的存儲(chǔ)元件，上面則是一個(gè)開關(guān)（雙向閾值開關(guān)），用于釋放或鎖定存儲(chǔ)器元件的存取。這個(gè)開關(guān)主要是為了防止相鄰的PCM單元的漏電流無意中激活存儲(chǔ)元件而導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤。添加這一開關(guān)作為絕緣層，能夠讓PCM單元彼此靠近而不相互影響。

上億次寫操作

和內(nèi)存一樣，每一個(gè)PCM單元是由位線和字線控制的，可以單獨(dú)控制，而閃存則無法做到這一點(diǎn)，所以如果固態(tài)硬盤控制器需要修改一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，則必須重新寫一個(gè)最小尺寸4 000字節(jié)的大塊。而另一方面，3D XPoint的PCM單元使用20nm的工藝生產(chǎn)，因此，所實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)載體類似于最新的固態(tài)硬盤，其存儲(chǔ)密度至少是普通內(nèi)存的10倍。此外，3D XPoint目前最多可以堆疊兩層PCM單元，這種結(jié)構(gòu)是其名稱“3D”的由來。而我們更關(guān)心的是，這種技術(shù)最終是否能夠和閃存一樣堆疊32或48層。3D XPoint另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是耐用：相對(duì)于普通固態(tài)硬盤，閃存單元只有大約5000～10000次的寫操作壽命，PCM單元可以承受上億次相位的變換。

2015年，英特爾和美光已經(jīng)宣布將要大量生產(chǎn)3D XPoint，并組成合資企業(yè)“英特爾美光閃存技術(shù)”（Intel Micron Flash Technologies，簡(jiǎn)稱IMFT）。不過，生產(chǎn)的具體情況并不太清楚：英特爾打算在2016年開始供應(yīng)3D XPoint固態(tài)硬盤，但I(xiàn)MFT的負(fù)責(zé)人認(rèn)為，可能需要到2017年4月中旬才能夠展示產(chǎn)品的原型。

該產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)2GB/s的傳輸速度，而影響其速度的可能是相對(duì)比較緩慢的接口。另外，3D XPoint的內(nèi)存條也有望在2017年開始銷售，界時(shí)我們將可以體驗(yàn)一下3D XPoint究竟有多快以及它是否可以成為一種通用的存儲(chǔ)器。