Wie XPoint 3D-Speicher funktioniert

Im Jahr 2015 gaben die Unternehmen Intel und Micron bekannt, dass sie eine Speichertechnologie namens 3D XPoint entwickelt haben, die bis zu 1000-mal schneller ist und eine bis zu 1000-mal höhere Ausdauer als NAND-Flash-Speicher hat. Darüber hinaus könnte sie eine bis zu 10-mal höhere Speicherdichte erreichen als derzeitige Speicher. Die ersten Produkte, die auf den Markt kamen, erfüllten jedoch nicht die Erwartungen.

Sie übertrafen zwar die Leistung herkömmlicher Speicher, aber nicht so sehr, wie die Unternehmen, die 3D XPoint entwickelten, behaupteten.

Es muss gesagt werden, dass 3D XPoint eine andere Architektur hat als andere Flash-Produkte. Dieser neue Speicher basiert auf der Phasenverschiebungstechnologie mit einem transistorlosen Kreuzpunkt, bei dem Selektoren und Speicherzellen an der Kreuzung der senkrechten Verbindungsleitungen platziert werden, wie in der Abbildung oben zu sehen ist.

Auf diese Zellen, die aus einem nicht näher spezifizierten Material bestehen, kann einzeln zugegriffen werden, indem ein Strom durch die oberen und unteren Verbindungsleitungen geschickt wird, die jede Zelle berühren. Um die Speicherdichte zu erhöhen, können die 3D-XPoint-Zellen in drei Dimensionen gestapelt werden.

Jede Zelle speichert ein einzelnes Bit, d. h. sie kann den Zustand 0 oder 1 annehmen, was durch eine Änderung der Materialeigenschaften der Zelle dargestellt wird, die den Widerstand der Zelle verändern würde. Die Zelle kann einen hohen oder niedrigen Widerstandszustand einnehmen und stellt somit eine binäre Information dar. Da die Zellen beständig sind, behalten sie ihre Werte auf unbestimmte Zeit bei, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, d. h. sie sind nicht flüchtig.

Zugriffsoperationen, d. h. Lese- und Schreibvorgänge, erfolgen durch Veränderung der an jeden Selektor angelegten Spannung. Bei Schreibvorgängen wird eine bestimmte Spannung an die Verbindungen zwischen einer Zelle und einem Selektor angelegt. Dadurch wird der Selektor aktiviert und die Spannung kann in die Zelle gelangen, um den gesamten Eigentumswechsel einzuleiten. Bei Lesevorgängen wird eine andere Spannung gesendet, um festzustellen, ob sich die Zelle in einem hoch- oder niederohmigen Zustand befindet. Auf diese Weise funktionieren diese Speicher.

Andererseits muss auch gesagt werden, dass 3D XPoint in der Lage ist, Daten Bit für Bit zu schreiben, ein Vorteil gegenüber NAND. Bei NAND müssen alle Bits in jedem Block gelöscht werden, bevor neue Werte geschrieben werden können. Theoretisch ermöglicht diese Fähigkeit 3D XPoint eine höhere Leistung und einen geringeren Stromverbrauch als NAND-Flash.

Implementierungen
neue intel optane h20 m.2 ssd’s

Sowohl Micron als auch Intel haben begonnen, einige interessante Produkte zu entwickeln, die auf der neuen 3D XPoint-Speichertechnologie basieren. Zum Beispiel:

2017 kam die erste 375 GB Intel Optane SSD DC P4800X auf Basis von 3D XPoint auf den Markt. Ein Laufwerk, das als Speicherpuffer in Computern mit Intel-Prozessoren und kompatiblen Chipsatz-Motherboards fungiert. Laut Intel war das P4800X-Laufwerk in internen Tests bei gemischter Arbeitslast in Warteschlangen mit geringer Tiefe fünf bis acht Mal schneller als die NAND-Flash-basierte DC P3700 des Unternehmens. Die P4800X kann bis zu 500 000 IOPS oder etwa 2 GBps bei einer Warteschlangentiefe von 11 erreichen.
Micron QuantX wird ebenfalls im Jahr 2017 auf den Markt kommen. Dabei handelt es sich um einen 3D XPoint-basierten Speicher.
Dieser 3D XPoint-Speicher hat sich jedoch aufgrund einer Reihe von Faktoren nicht wirklich auf dem Markt durchgesetzt…

3D XPoint: Vorteile und Nachteile
3D XPoint

Werfen wir einen Blick auf einige Highlights des 3D XPoint, die diesen Speicher trotz allem vorantreiben sollten:

In der 3D-XPoint-Architektur müssen die Daten nicht mehr in 4-KB-Blöcken gespeichert werden, wie bei NAND-Flash-Speichern. Dieser Datei-I/O-Stapel ist langsam, und mit 3D XPoint wird alles beschleunigt, weil man schneller und effizienter auf kleine Datenmengen zugreifen kann.
Er ist zwar nicht so schnell wie DRAM, aber 3D XPoint ist schneller als NAND-Flash, und das ist gut so, denn es handelt sich auch um einen nichtflüchtigen Speicher.
Es handelt sich um einen vielseitigen Speicher, da er sowohl M.2-Formate zur Nutzung eines PCIe-Busses als auch DIMM-Module verwenden kann.
Allerdings scheinen diese Verbesserungen nicht ausreichend für eine Erweiterung zu sein, wie wir bereits gesagt haben. Und das mag an anderen Nachteilen liegen:

Die neue 3D XPoint-Technologie ist teurer als herkömmlicher NAND-Flash.
Die von Intel und Micron vorhergesagten Geschwindigkeiten sind nicht erreicht worden. Einige glauben, dass der verwendete PCIe-Bus die Leistung einschränken könnte.
Hinzu kommt, dass zur Nutzung der Vorteile dieser Technologie auch Systemänderungen erforderlich sind. Zum Beispiel die Verwendung eines Compilers, der diesen Speicher als persistent deklarieren kann, so dass Anwendungen das E/A-System für den Zugriff darauf nutzen können.