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nand 3dxpoint 存储技术的新突破,3D XPoint技术强在哪？

发布时间 : 2025-02-24

作者 : 小编

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存储技术的新突破,3D XPoint技术强在哪？

【电脑报在线】由英特尔和镁光联合推出的3D XPoint技术在2016年大出风头，先是年初英特尔展示了采用该技术的存储产品，然后在4月初，英特尔又宣布斥资35亿元在中国生产产品。

由英特尔和镁光联合推出的3D XPoint技术在2016年大出风头，先是年初英特尔展示了采用该技术的存储产品，然后在4月初，英特尔又宣布斥资35亿元在中国生产产品。当然最吸引大家关注的是3D XPoint存储产品出色的性能：速度比目前的NAND快1000倍，而储存密度则是DRAM的10倍。那么3D XPoint究竟是何方神圣，它是如何实现如此优异的性能的呢？

3DXPoint的原理

3DXPoint是一种新型非易失性存储技术，可用于NAND和DRAM，其是由多层线路构成的三维结构。可能有人会说这不就是英特尔版的3D V NAND。尽管3D层叠技术是3DXPoint的一大亮点，但是3D XPoint不仅仅是将存储单元层叠起来这么简单，其在基本工作原理上与传统的NAND有着极大的区别。

传统NAND，采用的是电容储存原理，依靠的是浮动栅级上的绝缘层形成一个等效电容，依靠控制这个等效电容上是否储存有电量，就可以判断出这一单元存储的是1或者0，这就达到了存储数据的目的。而3DXPoint则采用了全新的储存原理，其存储单元是一种很特殊的电阻材料，这种电阻材料有非常神奇的特性：即施加不同的电压，其内部材料的形态会产生巨大的变化，从而使电阻阻值产生极大的变化，当电压撤消后，其阻值依旧会保持。打个比方，当在存储电阻上加载正电压时，电阻会呈现低电阻状态，而施加负电压时，内部材料变化，从而形成高阻抗区，让电阻阻值急剧升高，变成高阻值状态，这样，依靠施加电压的改变，就可以让存储单元在高低阻值间切换，就可以让每一个存储单元表征出1或0，就达到了存储数据的目的。

图：传统NAND闪存依靠电容原理来存储数据。

图：3DXPoint的可变电阻阻抗转换原理

3DXPoint为何能如此出色？

3DXPoint是如何做到速度比目前的NAND快1000倍，且寿命更长，而储存密度则是DRAM 10倍的呢？

我们先从存储密度说起，3DXPoint产品的结构相当简单，完整的存储器仅由存储单元、控制存储单元的选择器以及读写总线构成，与传统内存颗粒内部复杂的电容、晶体管结构来说，可是简单多了。这样一来每一个存储单元所占的空间就比传统产品小了很多，再加上3DXPoint还采用层叠原理，将数个存储单元垂直安装，这就更进一步提升存储密度，从而实现储存密度则是内存的10倍。需要注意的是，在这里与3DXPoint产品进行对比的是DRAM，这是因为英特尔悄悄地偷换了概念。因为NAND也开始采用了3D层叠技术，3DXPoint与3D NAND的容量密度将会基本相当，所以现阶段依靠3DXPoint来大幅度提升SSD的容量概率并不太高。而3DXPoint内存的容量有望大幅提升，年初英特尔就展示了6TB容量的3DXPoint内存。

图：3DXPoint存储结构与原理。

同时由于NAND在写入或擦除数据时，电子要在栅级和源极之间的绝缘层之间流动，电子的进进出出，就让绝缘层变得千疮百孔，一旦绝缘层损坏漏电，那这个存储单元也就无法使用了。更为重要的是NAND制程越先进，绝缘层的厚度和面积也必然减小，寿命反而越短。而3DXPoint技术通过特殊材料形态变化来控制阻值变化，材料本身并不会因形态重复变化而导致性能衰退，这也就是3DXPoint敢于宣称其寿命可以延长1000倍的所在。再加上3DXPoint产品的寿命并不会随着制程进化而降低，这样，在未来的发展中，就可以随着制程的进化而增加存储密度，降低成本，因此3DXPoint技术更具发展潜力。

图：NAND在写入和擦除过程中的电子移动，将损坏绝缘层，影响寿命

在大家最关心的性能上，NAND的每一个存储单元，都需要一只晶体管进行处理，晶体管在低功耗状态下的延迟、开关速度等，都会影响到NAND的读写速度，而于3DXPoint产品在单个单元的读写过程中，依靠的都是电阻自身阻值的变化，无需晶体管的介入，只需要在末端控时，需要控制芯片的进行处理。在数据量巨大时，存储单元晶体管即便是微妙级别的延时，都会对数据总吞吐量造成巨大的影响，相反，控制级芯片对于功耗的敏感度较低，其延时可以做到纳秒级的，这对于总体速度提升大有帮助。不过目前在英特尔自己做的实测中，3DXPoint产品的IOPS、延迟性能也只是P3700 的7.13倍、8.11倍，显然3DXPoint还有不小的性能提升空间。

别急着高兴，3DXPoint大规模量产没这么简单

3DXPoint技术表现得如此出色，而现在英特尔、镁光都拿出样品进行展示，那么3DXPoin产品真的能在短时间内推出并迅速占领市场吗？这件事情显然并没有那么简单。

首先，3DXPoint产品在实现大规模量产上还有巨大的困难。要知道电阻式闪存结构并不是什么新生事物，早在60年代，这一结构就已经被发现，而在2014年，镁光也曾经发布过基于电阻式闪存结构的Reram，但实验室的成功，并不等于能立即商品化。据悉，3DXPoint产品在生产时，需要用到100多种的新材料，而这些新材料在使用时，还可能产生化学反应，导致材料变性，这将成为商品化量产前的巨大障碍，而攻克这些难题，将需要较长的时间，同时，新品的初步量产，也将面临成品率低、产能提升等诸多门槛，即便问题顺利解决，英特尔和镁光实现承诺，在年内推出产品，其产能也不会很大，难以全面取代现有NAND闪存和内存产品。

其次，显然是价格。每一种新品在上市时，其价格往往高得惊人。毕竟，生产线建立需要花费巨大成本，而早期较低的产量，又将进一步拉抬产品价格。3DXPoint产品的量产将是投入相当大的新品，英特尔在中国的生产环节，就宣称要投入35亿美元，如此高额的投入，3DXPoint产品初上市时的价格，可能会高的令人咂舌，这也注定了3DXPoint产品即便上市，也难于在短时间内飞入寻常百姓家。

说句套话，3DXPoint产品可以说是前途光明，但道路坎坷。初期的高价，令3DXPoint产品将会首先应用于追求高速，而对价格敏感性较低的服务器等领域，而只有当其价格降低到与现有的NAND闪存基本相当时，才可能在民用领域大规模普及，套用比尔盖茨的一句名言：“我们经常高估了今后一、两年内将发生的变革，但又常常低估了今后10年内将要发生的变化。” 3DXPoint也是如此，它的表现很出色，但它的普及，需要时间，也许还是一段较为漫长的时间。

遗憾！Intel 3D-XPoint仅支持七代CPU

近几年，固态硬盘技术得到了突发猛进的发展，尤其是在闪存领域，各大存储大厂都在研发新一代的3D NAND技术。而作为半导体行业的王者，Intel也参与了此次的技术变革，只是Intel独辟蹊径的从更高更广的角度研发了既能够当做硬盘又能当做内存的存储黑科技3D-Xpoint。

Intel基于3D Xpoint的Optane黑科技储存技术，被认为是从60年代到现在内存技术的下一个突破，首次将内存和存储结合到了一起，这是一种比DRAM更便宜、比NAND更快的非易失性设备。不久之前，英特尔已经宣布革命性的Optane创新储存技术即将出货，并且下一代已经开始研发当中了。

可是，近日Intel官方低调宣布，Optane固态硬盘仅支持第七代Kaby Lake处理器和200系列芯片组的主板。具体包括，酷睿(S、H和U系列)、至强E3 v6处理器，英特尔200系列或100/C230系列(HM175、QM175或CM238)芯片组、2组或4组PCH重新映射的PCIe控制器和通道M.2 型2280-S1-B-M或2242-S1-B-M连接器(B-M头符合NVMe规格1.1)及支持RST 15.5驱动程序的系统BIOS。

换句话说就是，存量巨大的100系芯片组主板，以及7代之前所有的核心平台几乎都无法应用这一新技术。

笔者表示，相当遗憾毕竟200系主板和100系主板，几乎没什么差距，完全没有升级的欲望。至于CPU更是没有换新的冲动啊。

存储技术的新突破,3D XPoint技术强在哪？

遗憾！Intel 3D-XPoint仅支持七代CPU

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