3D XPoint

Wie 3D XPoint funktioniert

Bei der Ankündigung der Technologie im Jahr 2015 versprachen Intel und Micron, dass 3D XPoint bis zu 1.000-mal schneller und bis zu 1.000-mal langlebiger als NAND-Flash sein würde und eine 10-mal höhere Speicherdichte als herkömmliches Memory hätte. Die ersten Produkte sind schneller und haltbarer als NAND und dichter als herkömmlicher Speicher, aber sie haben die Behauptungen der Hersteller nicht ganz erfüllt.

3D XPoint hat eine andere Architektur als andere Flash-Produkte. Sie basiert auf der Technologie des Phasenwechselspeichers, mit einer transistorlosen Kreuzpunktarchitektur, bei der Selektoren und Memory-Zellen an der Kreuzung senkrechter Drähte angeordnet sind. Auf diese Zellen, die aus einem nicht näher spezifizierten Material bestehen, kann einzeln zugegriffen werden, indem ein Strom durch die oberen und unteren Drähte 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 Datenelement, so dass eine Zelle entweder eine 1 oder eine 0 darstellt, und zwar durch eine Änderung der Eigenschaft des Zellmaterials, die den Widerstandswert der Zelle verändert. Die Zelle kann entweder einen hoch- oder niedrig-ohmigen Zustand einnehmen, und die Änderung des Widerstandsniveaus der Zelle ändert, ob die Zelle als 1 oder als 0 gelesen wird. Da die Zellen beständig sind, behalten sie ihre Werte auf unbestimmte Zeit, selbst bei einem Stromausfall.

Lese- und Schreibvorgänge erfolgen durch Veränderung der Spannung, die an jeden Selektor angelegt wird. Bei Schreibvorgängen wird eine bestimmte Spannung durch die Drähte um eine Zelle und einen Selektor geschickt. Dadurch wird der Selektor aktiviert und die Spannung zur Zelle geleitet, um die Änderung der Eigenschaften einzuleiten. Bei Lesevorgängen wird eine andere Spannung durchgeschickt, um festzustellen, ob sich die Zelle in einem hoch- oder niedrig-ohmigen Zustand befindet.

3D XPoint ist in der Lage, Daten auf Bit-Ebene zu schreiben - ein Vorteil gegenüber NAND. Alle Bits in einem NAND-Flash-Block müssen gelöscht werden, bevor Daten geschrieben werden können. Theoretisch ermöglicht diese Fähigkeit 3D XPoint eine höhere Leistung und einen geringeren Stromverbrauch als NAND-Flash.

Produkte und Anbieter

Intel begann im Frühjahr 2017 mit der Auslieferung seiner ersten 3D-XPoint-Produkte. Die 375 Gigabyte (GB) große Optane SSD DC P4800X Serie wurde im März an ausgewählte Kunden verschickt. Die Technologie wurde im Laufe 2017 flächendeckend verfügbar.

Intel-Optane-Memory für Consumer-PCs wurden im Frühjahr 2017 ausgeliefert. Es handelt sich um ein Cache-Laufwerk mit einer Kapazität von 16 GB oder 32 GB. Optane-Memory funktioniert nur in PCs mit Intel-Core-Prozessoren der siebten Generation, die in einen M.2-Steckplatz auf Motherboards mit Intel-Chipsatz der Serie 200 eingesteckt werden.

Micron bietet 3D-XPoint-basierte Memory- und Speicherprodukte unter der Marke QuantX seit Jahr 2017 an. Sowohl die 3D XPoint Optane- als auch die QuantX-Produkte verwenden denselben Speicherchip, der in der Joint-Venture-Anlage von Intel und Micron in Lehi, Utah, hergestellt wird.

Geschwindigkeit und Leistung

Mit der 3D-XPoint-Architektur müssen Daten nicht mehr in 4-KB-Blöcken unter Verwendung eines langsamen Datei-I/O-Stacks gespeichert werden. Die neue Technologie ermöglicht das Schreiben und Lesen kleiner Datenmengen und macht den Lese-/Schreibprozess schneller und effizienter als bei NAND. Die ersten Produkte, die die 3D-XPoint-Technologie verwenden, bestätigen dies, wenn auch nicht mit der Geschwindigkeit und Leistung, die Intel und Micron bei der Einführung der Technologie versprochen hatten.

3D XPoint ist zwar nicht so schnell wie DRAM, hat aber den Vorteil, dass es sich um einen nichtflüchtigen Speicher handelt. Vom Standpunkt der Leistung und des Preises liegt die 3D-XPoint-Technologie zwischen schnellem, aber teurem DRAM und langsamerem, billigerem NAND-Flash.

Laut Intel war das P4800X-Laufwerk in internen Tests bei geringer Warteschlangentiefe (Queue Depth) und gemischter Arbeitslast fünf bis acht Mal schneller als das NAND-Flash-basierte DC P3700 des Unternehmens. Die P4800X erreicht laut Intel bei einer Warteschlangentiefe von 11 bis zu 500.000 IOPS oder etwa 2 GB/s.

Nichtflüchtige 3D-XPoint-Dual-Inline-Speichermodule (DIMMs), die in DRAM-Steckplätze passen und den Bus mit doppelter Datenrate nutzen, können ebenfalls dazu beitragen, dass 3D XPoint sein volles Leistungspotenzial erreicht.

Kosten

Im August 2017 lag der Preis für die 375 GB Optane P4800X Add-in-Karte bei 1.520 US-Dollar bzw. 4,05 US-Dollar pro Gigabyte. Zum Vergleich: Intels 400-GB-NVMe-PCIe-P3700-SSD auf Flash-Basis kostet 879 US-Dollar, also etwa 2,20 US-Dollar pro Gigabyte.

Intel Optane-Speicher für PCs kostet 44 US-Dollar für ein 16-GB-Modul und 79 US-Dollar für ein 32-GB-Modul.

Einsatzgebiete für 3D XPoint

3D XPoint wird als zusätzliche Speicherebene zwischen Flash und DRAM verwendet. Es ist eine relativ gängige Praxis, Speicher zwischen Festplatten (HDDs) und Flash aufzuteilen (Storage Tiering). Daten mit hohem Datenaufkommen und Anwendungen, die eher von hohen Geschwindigkeiten profitieren, werden auf der Flash-Ebene gespeichert, während Daten und Anwendungen, auf die weniger häufig zugegriffen wird, auf der Festplatte abgelegt werden. 3D XPoint ist eine weitere Speicherebene über Flash für Daten und Anwendungen, die noch höhere Geschwindigkeiten benötigen.

Die 3D XPoint Optane SSD wird oft für Hochleistungs-Memory und Caching sowie zur Erweiterung und zum Ersatz von Arbeitsspeicher verwendet. Laut Herstellerangaben lässt sich das Server-Memory so um das Achtfache erhöhen und DRAM bei bestimmten Arbeitslasten im Verhältnis 10:1 zu ersetzen.

Intel bietet drei Möglichkeiten zur Memory-Erweiterung mit 3D XPoint Optane SSDs:

• über einen Paging-Mechanismus des Betriebssystems, der Daten auf die PCIe-angeschlossene SSD verschiebt, wenn der DRAM für eine Arbeitslast voll ist.
• über optimierte Anwendungen.
• über die Memory Drive Technology von Intel, die von den Xeon-Prozessoren unterstützt wird.

Es ist auch möglich, Memory mit den 3D XPoint DIMMs zu erweitern. 3D XPoint Optane, und Optane NVDIMMskönnen verwendet werden um:

• die offensichtliche Größe von DRAM zu erweitern.
• größere, effizientere Datenbanken zu ermöglichen.
• Engpässe in Big-Data-Netzwerken zu überwinden.
• HPC-Anwendungen zu erleichtern.
• eine Erweiterung des Memory und Steigerung der Instanzspeicherleistung in der Cloud zu erreichen.
• die Speicherkapazität und Geschwindigkeit bereitzustellen, die hybride Clouds benötigen.
• als primäre Memory-Ebenen in hyperkonvergenten Systemen zu dienen.