解密Intel黑科技3DXPoint存储芯片的机遇及挑战

　　Intel去年最重大的科技成果不是推出14nm工艺的Skylake处理器，而是3D XPoint存储芯片，性能是当前水平的1000倍，但它可不是NAND非易失性闪存这么简单，实际上能带来一次电脑革命，因为它还可以作为DIMM插槽的内存使用。Intel准备在2016年开始推出基于3D XPoint技术的存储产品，现在曝光的就是容量高达6TB的DIMM插槽产品，很快电脑内存就能跑步进入TB时代了。话不多说，我们就3DXPoint来谈谈Intel将遇到哪些机遇和挑战？

　　3DXPoint内存自2015年发布后成为了业界的焦点。去年七月，Intel和Micron宣布他们将在晚些时候给更多客户提供工程样片，3D XPoint可望在一年到一年半的时间内实现量产。

　　

　　3D XPoint内存

　　3D XPoint的机遇

　　相较于传统内存，3D XPoint有一些显著优势。例如，3D XPoint速度大约是传统NAND Flash的1000倍。相对DRAM，3D XPoint的存储密度有8到10倍的改善。

　　基于这些优点，Intel和Micron把3D XPoint的市场定位在高端SSD和DDR4 NVDIMM（编注：Non-Volatile DIMM 即非易失型DIMM，即使下电也不会丢失内存里的数据，常用于高端服务器）。对于SSD应用，3D XPoint由于目前的成本问题仍然只能占据一些细分市场。

　　另一方面，DDR4NVDIMM对于3D XPoint来说是一个很好的切入点，因为3DXPoint的读取延时很低（大约在100ns左右）。

　　在DDR4NVDIMM的典型配置中，数据从CPU传送到DRAM并复制到3D XPoint。然后CPU需要数据的时候直接从3D XPoint而非DRAM读取，因为3DXPoint的读取延时较低。然而，由于3D XPoint的总读写次数上限远低于DRAM而且3D XPoint的写操作延时很长，因此3D XPoint不太可能直接取代DRAM。所以，3D XPoint的主要作用是利用其读取延时较低的优势在整个内存系统中与DRAM形成互补，从而成为内存系统中的重要部分。整体业界对于3D XPoint也充满了期待。今年3月，Facebook的工程总监Jay Parikh就公开表示Facebook正在积极考虑如何把3D XPoint技术应用到服务器中。据业界人士分析，Facebook的支持将会对3D XPoint技术产生非常正面的影响。

　　

　　使用3D XPoint DDR4 NVDIMM的典型配置

　　3D XPoint尚需克服的技术难点

　　目前，3D XPoint想要大规模量产仍有一些挑战需要克服。

　　首先，3D XPoint需要用到大约100种新的制造原料。在这些原料中，有些原料目前的供应量非常有限，因此需要仔细调整供应链。

　　其次，由于3D Xpoint需要更多道工序，加工厂需要把厂房用地以及初始资本增加大约3到5倍。

　　另外，3D XPoint也需要生产力更强的设备。

　　例如，生产第一代3D XPoint内存需要占地2.5平方米的湿加工设备能在每小时处理180块晶圆，而到了第二代3D XPoint就需要占地相同的设备每小时处理1000块晶圆。

　　

　　3D XPoint加大了加工厂对于厂房和资本的需求

　　以上的挑战都增加了3D XPoint的成本。然而，对于3D XPoint市场，成本是关键。第二代3D XPoint可以实现四层层叠，而其售价大约是DRAM的一半。从目前的市场趋势来看，如果3D XPoint的成本没法做到DRAM的一半以下，消费者会更倾向于使用DRAM而不是3D XPoint。由于DRAM仍保持着每年大约30%的成本下降速度，3D XPoint想要保持成本比DRAM低一半的难度并不小。

　　来自于其他新技术的挑战

　　除了3D XPoint自身的技术难点外，来自于其他新内存技术的挑战也不容小觑。例如，软件NVDIMM-P就是一个有力的挑战者。软件NVDIMM-P使用软件算法来预测数据的访问频率，并依据访问频率的预测把数据存放到DRAM（存放高访问频率数据）或NAND（访问低访问频率数据）中。这样的技术可以平衡成本和性能，因为DRAM访问速度较快但是成本高，而NAND成本低存储密度大但是访问速度较慢。显然，软件NVDIMM-P的综合性能取决于软件算法和应用场合，在有些应用中软件NVDIMM-P算法的预测准度较高但是在另一些应用中数据的访问频率却很难预测。

　　

　　软件NVDIMM-P

　　另外，3D Super-NOR也非常有潜力。3D Super-NOR技术使用3D堆叠技术并能提供很低的延迟。而且，3D Super-NOR的制造工艺相比3D XPoint来说要简单，并不需要新材料。3D Super-NOR的制造商BeSang宣称3D Super-Nor可以实现成本比3D XPoint低十倍，当然我们仍然需要等3D Super-NOR真正量产才能验证它能否取代3D XPoint。

　　

　　3D Super-NOR结构图

　　具体量产时间和产品消息

　　在英特尔公司公布其 2016 年第三季度财报的电话会议当中，首席执行官 Brian Krzanich 就 XPoint SSD 作出声明称：“ 在 3D XPoint 方面，其将于 2016 年第四季度末实现量产。我们目前已经向客户发出了数千份样品，样品发放工作仍在进行当中，我们本季度内还将继续推进这项工作。其市场投放数量将在 2017 年快速增长，从而推动 2017 年营收水平。截至今年第四季度末，其将全面实现量产。”

　　而从早前的报道我们可以得知，。3DXPoint闪存是美光和Intel共同研发的，不过美光、Intel将会各自推出了自家的产品，美光的叫做QuantX，Intel的是Optane，此前在各种场合演示过了。今年底Intel就会正式推出Optane硬盘，产品名为Optane Memory 8000p，容量有16GB、32GB两种，后者性能最好，不过读取速度也不过1600MB/s，写入速度500MB/s，看起来并不那么惊艳。

　　英特尔方面表示，其Optane硬盘性能远远超过现有SSD硬盘，与Intel企业级P3700硬盘相比，IOPS性能是后者的7倍多，这还只是原型Optane硬盘而已，反正逆天的性能让人无限遐想。初代产品完整命名为Optane Memory 8000p，主控未知，使用PCI-E 3.0 ×2通道，容量有16、32GB两种，规格会有M.22242及M.2 2280两种。

　　据了解，英特尔公司目前已经开始向其 OEM 客户提供 3D XPoint SSD 样品。

　　美光方面也表示，他们也将以QuantX作为品牌名销售3D XPoint，其进入市场计划“完全独立”，瞄准数据中心市场的第一代QuantX固态硬盘（SSD），将于2017年第2季推出，价格较DRAM便宜，速度约是NAND Flash的4-5倍。

　　美光储存解决方案副总Jon Carter表示，或许有一天QuantX有机会出现在移动设备上，但这并不在短期计划内。Carter也认为，3D XPoint虽有可能在许多应用中取代DRAM，但在消费类市场短时间内还无法取代NAND Flash。他还持续指出，当前最要紧的，是要尽快满足客户对3D XPoint存储器的需求。美光计划与7家制造伙伴合作，投入QuantX的生产。此外，美光也与多家一线储存阵列厂商进行合作，发展特定技术应用，并预计于2017下半年推出相关产品。

　　至于功耗方面，美光表示当前QuantX的功耗与NAND闪存相似，为了提高并行度而增加的独立单元在读写数据时全部都要保持活动状态，这对功耗控制是不利的，不过相对于提升的性能来说，QuantX的单位IOPS功耗相比NAND闪存是降低了的。相比当前更高阶的NVDIMM形态，3D XPoint还需要等软硬件系统的逐渐成熟才能投入实用。

　　3D Xpoint可能造成的影响

　　分析师认为，3D XPoint将帮助英特尔摆脱NAND生产困境

　　3D XPoint内存为英特尔开启了一道摆脱NAND业务迈向高利润非易失性存储产品的大门，事实上芯片巨头投入高昂成本建立的闪存代工设施并未带来理想的回报。

　　说到这里，我们需要回答一个简单的问题：英特尔公司的闪存业务究竟处于何种状态？根据一位金融分析师的说法，状态不怎么好。

　　在今年第一季度的财报当中，英特尔公司首次将非易失性记忆体解决方案（简称NVMS）独立出来，这一范畴包含NAND闪存与3D XPoint两大产品线。

　　NVMS营收为5.57亿美元，较上年同期的5.925亿美元降低6%，亦比上个季度的6.553亿美元下滑15%。

　　虽然考虑到第四季度营收较每年第一季度普遍更高，但这样的降幅仍然有些夸张。

　　另外，上年同期NVMS业务实现7200万美元盈利，但本季度却亏损9500万美元。这意味着营收降低3550万美元，利润却大幅跳水1.67亿美元。

　　尼古拉斯公司总经理Aaron Rakers给出了以下解释：

　　1、产品定价面临难题。

　　2、英特尔的MLC（即二层单元）平面NAND产品在成本上逊于竞争对手们的TLC（即三层单元）NAND产品。

　　3、3D XPoint研发投入成本。

　　在中国大连建立3D NAND晶圆厂的成本。

　　展望未来，他指出西部数据的HGST事业部已经出售了与英特尔共同开发的SSD业务。西部数据已经决定收购SanDisk公司，这意味着其将拥有自己的NAND芯片生产设施，因此将不再为英特尔提供额外的销售渠道。

　　他同时预计，西部数据/HGST所收购的英特尔NAND闪存约占虚拟巨头NAND闪存整体营收的20%到25%。这部分营收消失之后，预计英特尔NAND营收将进一步面临下行压力。

　　尼古拉斯公司还发布了一份图表，其中涵盖了英特尔公司自2011年第三季度以来的闪存营收水平。可以看到自2015年第二季度达到峰值以来，这部分营收就一直处于下滑态势。

　　

　　总体而言，英特尔公司一季度营收总额为137亿美元，而闪存营收仅占其中4.1%，比重实在低得可怜。

　　结语

　　3D XPoint的市场潜力巨大，然而其复杂的制造工艺导致成本居高不下，在近期3D XPoint仍然很难取代DRAM。但我们应该保持乐观的态度。