GUIDE: Intel 3D Xpoint Slik fungerer Intels superraske lagringsteknologi

Guide Intel 3D Xpoint

(Bilde: Intel)

Slik fungerer Intels superraske lagringsteknologi

Vi tar en nærmere titt på Intels 3D XPoint.

Hei, dette er en Ekstra-sak som noen har delt med deg.

Lyst til å lese mer? Få fri tilgang, ny og bedre forside og annonsefritt nettsted for kun 49,- i måneden.
Prøv én måned gratis Les mer om Tek Ekstra

På IDF 2015 slo Intel og Micron på stortrommen og lanserte det de mener er intet mindre enn en revolusjon i hvordan datamaskiner opererer: den nye XPoint hybrid minne/disk-teknologien, som skal være 1000 ganger raskere enn NAND flash, ha 1000 ganger lengre levetid, og ha 10 ganger høyere lagringstetthet enn DRAM. 

På toppen av dette er minnet ikke-volatilt, så det beholder innholdet når strømmen slås av, akkurat som en harddisk/SSD.

XPoint skal være resultatet av ti års forskning hos Intel, som nå introduserer minnet som en ny node i PC-arkitekturen. Ikke i konkurranse med DRAM og NAND flash – men et tillegg til disse.

Tradisjonelt ser vi en datamaskin som en enhet med tre hovedkomponenter; Prosessor, minne og harddisk. Prosessoren prosesserer kjempefort, men data må leses fra harddisken til minnet for å kunne brukes. Minnet er raskt, prosessoren er raskere, og harddisker er tradisjonelt veldig trege. Dette skaper en flaskehals fordi data ikke kan leses raskt nok inn for å tilfredsstille prosesseringsevnen i maskinen.

3D XPoint-brikker.
3D XPoint-brikker.

Mens prosessorer blir 10-20 % raskere ved hver generasjon, og minnet nå er fremme ved nokså raske DDR4, har det ikke skjedd stort på harddiskfronten siden 1989 da NAND Flash ble lansert av Toshiba, og det tok omtrent tyve år før dette fant veien til diskene vi kjenner og bruker i dag. Intel og Micron lover derimot XPoint-produkter for alle markeder allerede i 2016.

Verken flash eller DRAM

Selv om NAND flash er betydelig raskere enn den gamle snurredisken, tar det likevel en god stund å gjøre ting som å starte Windows og å laste inn tunge programmer som for eksempel spill, og prosessoren bruker fortsatt mye tid på å vente på data. Hvis vi tar skrittet ut i store bedriftsmaskiner som håndterer virkelig svære databaser, blir det også tydelig at harddisken, selv med flash, er‏ overmoden for en oppgradering. 

Også DRAM har problemer, ettersom teknologien ikke klarer å miniatyrisere ytterligere; så vi er nødt til å ta til takke med minnebrikker på 4 til 8 GB minne i vanlige datamaskiner, og slik har det vært i årevis. Mens prosessorene stadig blir mindre og raskere, blir ikke DRAM mindre, kapasiteten blir ikke større – og brikkene blir ikke billigere. Dessuten er DRAM volatilt, så minnet tømmes når strømmen går. 

Det er her XPoint skal komme inn i bildet og legge seg et sted mellom NAND flash og DRAM, også i pris og kapasitet. XPoint er nesten like raskt som DRAM i søke/aksesstid, men ikke helt, og det pakker langt mer data per brikke enn det DRAM gjør. 

Mer SSD enn minne

Der XPoint skinner er hvis du ser på det som en lynrask disk som fjerner en del av flaskehalsen i PC-en, og som lover å gjøre med Flash-disker det Flash-disker gjorde med snurredisker – altså å sette seg på toppen som en kjemperask hoveddisk. 

3D XPoint kan også å gjøre noe med det tradisjonelle oppsettet, ettersom det ifølge Intel er raskt nok til å kunne brukes som minne i enkelte applikasjoner, som for eksempel i enkelte telefoner eller tingenes Internett-maskiner der XPoint kan fungere som både minne og disk. Det vil si at alt som er lagret i XPoint-minnet samtidig er åpent for prosessoren.

I PC-er kreves det raskere minne, men som lagring åpner dette opp for å ha hele spill «åpne» med nanosekunders leseforsinkelse og sekunders ladetid, og kanskje helt nye applikasjoner som slår seg på umiddelbart.

XPoint har mange elementer som gjør at det ligner mer på minne enn lagring, og aksesstid (latency) er et av disse. Der harddisker har en aksesstid på milisekunder, har NAND en aksesstid på hundretalls mikrosekunder, mens XPoint operer med titalls nanosekunder – men det er fortsatt tregere enn DRAM som har aksesstid nede i enda færre nanonsekunder.

Når Intel snakker om at XPoint er «1000 ganger så raskt» som NAND, er det derfor aksesstiden de mener. 1000 ganger raskere enn flash når det kommer til rå flytting av data ville vært latterlig raske 500 GB/s hvis vi legger SATA 3-bussen til grunn – godt over ti ganger raskere enn PCI Express 16x som forer prosessoren med data fra de råeste grafikkortene på markedet med GDDR5-minne i hvinende 31,51 GB/s, og betraktelig raskere enn minnebussen som takler omtrent det dobbelte. 

Når Intel snakker om at XPoint er «1000 ganger så raskt» som NAND, er det aksesstiden de mener

Intels eget markedsføringsmateriale sier imidlertid (i litt mindre bokstaver) om dataflytting at XPoint er 10 ganger raskere enn flash på en PCIe NVMe-buss, og på Intels egen utviklerkonferanse oppnådde en XPoint-disk syv ganger raskere IOPS (inn/ut-operasjoner per sekund) i en live test, sammenlignet med dagens toppmodell fra Intel, den flashbaserte P3700, som har en hastighet på 2800 MB/s.

NVMe, eller Non Volatile Memory express, som selv ble hyllet som en revolusjon da den kom, er en driverteknologi som gjør det mer effektivt å bruke SSD-er ved å redusere aksesstiden og å øke IOPS, og som kan skvise opp til 3 GB/s ut av en SSD gjennom et 4x PCIe-spor, men det er bare de nyeste hovedkortene som støtter denne teknologien i BIOS enn så lenge.

Syv ganger raskere enn 2800 MB/s gir oss imidlertid en lese/skrivehastighet på hele 19,6 GB/s, som er formidabelt – og langt unna hastigheten vi får selv fra de aller raskeste flash-diskene på markedet i dag og i overskuelig fremtid. Det sprenger også taket på NVMe og PCI Express x4, og får oss til å lure litt på hvordan Intel har gjort disse testene – med en brikke koblet til minnebussen? PCIe 16x? Vi vet ikke.

Så hastighetsmessig ser vi at Intels påstander om «1000 ganger raskere» ikke helt holder mål. Derimot er det ingen som helst tvil om at XPoint er kjapt, veldig kjapt. Ti ganger raskere enn flash kjapt.

Det vi vet om teknologien (lite)

Slik er en celle i 3D XPoint bygget opp.
Slik er en celle i 3D XPoint bygget opp.

Arkitekturmessig er det enklest å se for seg XPoint-minnet som en slags tredimensjonal matrise med tråder mellom hver etasje. Disse trådene består av en velger og en minnecelle. 

Å lese eller skrive til en celle gjøres ved å aktivere topp- og bunntråden, ordlinjer og bitlinjer, med forskjellig spenning – derav navnet crosspoint (krysningspunkt).

NAND Flash fungerer på sin side ved å «fange» elektroner med transistorer, men kan ikke skrive direkte til en bit – det må skrive en hel side (16KB) om gangen, og teknologien kan bare slette hele blokker om gangen – som er flere hundre sider. Dette gjør flash tregere, og krever avanserte søppelsorteringsmekanismer som igjen sørger for at minnet blir degradert raskere etter hvert som elektronene går gjennom silisiumoksid-materialet.

Siden hver bit er adresserbar i XPoint, er det ingen problemer med søppelsortering og effektivitet som med flash, og dette gjør igjen teknologien både raskere og mer strømgjerrig.

Det er mange forskjellige måter å bruke strøm/spenning på for å forårsake en fysisk endring i et materie som holder seg selv etter at strømmen av slått av. Det kan enten være gjennom krystallisering eller en kjemisk forandring på molekylært nivå, eller magnetisme som det er i snurredisker. For en svært nøye diskusjon om dette, anbefaler vi Anandtechs artikkel om den mulige teknologien i 3D XPoints minneceller.

Slik forklarer Micron teknologien (artikkelen fortsetter under videoen):

Ingen transistorer=kjappere, tettere, mindre strøm

Intel og partneren Micron sier ingenting om hvordan minnecellen fungerer helt konkret, eller om hvilke materialer de bruker i XPoint. De sier heller ikke noe mer om spenningen enn at den skal være betraktelig lavere enn NAND, og dette skulle tilsi at XPoint vil være perfekt til strømgjerrige systemer.

Å kvitte seg med transistorer gjør også at levetiden til cellene blir 1000 ganger lengre enn flash, som klarer 10 000 sykluser med sletting og skriving per celle. Flash kan riktignok klare litt mer enn dette – men det kommer ikke i nærheten av 100 000 sykluser. 

Krysspunktsarkitekturen gjør dessuten også at XPoint kan pakkes mye tettere – XPoint har ifølge Intel 10 ganger høyere tetthet enn tradisjonell DRAM, som igjen vil si at dette kan føre til nokså store SSDer når teknologien kommer på markedet neste år.

I fremtiden skal det også være mulig å pakke flere lag med XPoint-minne oppå hverandre

I fremtiden skal det også være mulig å pakke flere lag med XPoint-minne oppå hverandre, det skal være takhøyde for litografisk forminskning (i dag er minnet produsert på en 20 nanometers teknologi) og mange spekulerer også i om ikke minnet en dag vil klare å lagre to bits per celle, slik som har skjedd med NAND.

Dette er viktig, for etter hvert som teknologien skalerer, kan den også bli billigere og få større kapasitet over tid. Mer om dette senere.

Nærbilde av en Xpoint-wafer.
Nærbilde av en Xpoint-wafer.

Selv om XPoint åpenbart ikke er 1000 ganger raskere enn flash når det kommer til å flytte data, er det likevel (mye) raskere enn flash og (noe) tregere enn DRAM. Når det kommer til grensesnitt er nok derfor SATA nokså utelukket. Vi kan derimot se for oss PCI Express-enheter som vil kjøre på en hastighet av 1969 MB/s per spor av fire, for til sammen 7 876 MB/s – men også dette kan bli for tregt. Det snakkes derfor også om å sette en XPoint-brikke direkte i et minnespor, slik at den også kommer nærmere prosessoren.

Siden nordbrikken for tiden sitter i prosessoren i stedet for på hovedkortet, må vi derimot vente på en ny prosessor for å få støtte for dette – og en skal allerede være på vei.

Kommer til minnesporet

Det blir en kommende Xeon-prosessor som blir den første som støtter XPoint i minnebussen, og det ryktes om at Intel blant annet skal ha klargjort en «minnebrikke» på hele 6 terabyte. Hva prisen for dette blir kan vi bare gjette på – det eneste Intel sier er at XPoint blir dyrere enn NAND og billigere enn DRAM.

Det blir i hvert fall en drøm for datasentre som kjører svære databaser, som i praksis kan være «åpne» i sin helhet med den nye teknologien. De vil trenge mindre DRAM og mere XPoint, ettersom lese- og skrivehastigheten er såpass høy.

Allerede i produksjon, men hva blir prisen?

Som vi så med NAND kan det ta tiår før en ny minneteknologi får fotfeste i PC-en, og det begynner gjerne i enterprisemarkedet til en rimelig høy pris før det filtrerer ned til vanlige PC-er. I enterprisemarkedet, der store datasett er tingen, og i områder som for eksempel genetikk, er det allerede et skrikende behov for raskere lagring, og XPoint kommer antakelig i bruk her først.

Intel og Micron har derimot lovet produkter for «alle» allerede i 2016, og har allerede begynt produksjon av wafere på en fabrikk i Utah, selv om de ikke har sagt noe konkret om pris per gigabyte utenom å stadfeste at det blir dyrere enn NDRAM og billigere enn DRAM. For Intel sin del kommer det produkter med merkenavnet Optane – og etter hvert kan vi altså vente oss både PCI Express-baserte grensesnitt og «minnebrikker». Muligens vil Intel også se på mulighetene for raskere PCI Express-spor eller en egen buss for XPoint-minnnet, siden Intel også kontrollerer arkitekturen på hovedkortet og er den eneste aktøren som kan gjøre noe sånt. 

DDR4 DRAM er ikke truet i dag, men en dag kommer det kanskje en erstatning.
DDR4 DRAM er ikke truet i dag, men en dag kommer det kanskje en erstatning.

Prismessig er det verd å tenke på Intels NVMe-disker, som for eksempel Intel P3700 på 400 GB, som kjører på 2800 MB/s overføringshastighet og i skrivende stund koster over 9000 kroner – eller cirka 22,5 kroner per gigabyte – som vil si at en disk på 128 GB til samme pris tikker inn på 2 880 kroner. Så vi undres på hvilke flash-produkter Intel sikter til når de sier «dyrere enn flash, men billigere enn DRAM.» . DRAM koster til sammenligning omtrent 70 kroner per GB, eller 8 960 kroner for 128 GB.

Hvis XPoint legger seg midt imellom dette, snakker vi om en pris på rundt 50 kr/gigabyte, eller 6 400 for 128 GB, og 64 GB for 3 200 kroner, som antakelig vil skyte et (litt for) stort hull i vanlige entusiastbudsjetter. Men dette er den første generasjon av et nytt produkt.

Det er verd å huske på at man i dag få en helt standard 250 GB flashdisk til omtrent 800 kroner – som er 3,2 kroner per GB, eller 400 kroner for 128 GB. Det viser litt hvordan prisene på XPoint  kan utvikle seg hvis produksjonen skalerer. For fem år siden løp folk nesten mann av huse for å kjøpe en flashdisk på 64 GB til en tusenlapp for å ha Windows på. 

Et viktig element i å drive ned prisen på flash var/er imidlertid at det finnes et helt økosystem av produsenter, og at teknologien er godt etablert. Intel og Micron kommer derimot ikke til å lisensiere ut XPoint-teknologien, så de kan med andre ord sette prisen akkurat som det passer dem, og hvis de lykkes med å gjøre XPoint til en helt ny node i PC-arkitekturen er det deres så lenge patentene varer – eller inntil de blir utkonkurrert.

Fremtidig DRAM-erstatning?

Nantero RAM bruker karbonnanorør.
Nantero RAM bruker karbonnanorør.

Det finnes selvfølgelig konkurranse. Oppstartsbedriftene Nantero og Crossbar har begge også forsket i tiår, og har nylig gått i produksjon av sine versjoner av nestegenerasjons ikke-volatil lagringsteknologi, men de klarer ifølge Anandtech ikke å produsere mer enn noen prøver på 12-24 megabyte, mens Intel allerede er i produksjon med wafere på 16 GB per brikke med XPoint.

Nanteros design, NRAM, som bruker supermaterialet karbon-nanorør, er kanskje mest interessant, ettersom de lover muligheten til å faktisk erstatte DRAM med et ikke-volatilt minne med stor kapasitet og samme hastighet, som kan gi nettopp den radikale systemforandringen som Intel (nesten) lover med XPoint.

NRAM kan også, i likhet med XPoint, produseres på eksisterende fabrikknoder for Flash og DRAM, men det er enn så lenge ikke produsert i store volumer. Å ha et mye tettere, ikke-volatilt minne som kan erstatte DRAM virker som det neste, logiske skrittet i datamaskinarkitektur, og det vil bli en revolusjon når det kommer på markedet – hvis prisen er riktig.

Forskjellen mellom XPoint og NRAM er også at Nantero har planer om å lisensiere teknologien til så mange som mulig – i likhet med strategien til for eksempel ARM, som i dag er de facto standard for mobilprosessorer uten at ARM har laget en eneste prosessor selv.

Ny node=Ingen konkurranse, enda

Intel har selv sagt at de verken ser XPoint som en konkurrent til DRAM eller flash, men at XPoint er et tillegg til begge to som ligger imellom. Det er derimot vanskelig å se for seg vanlige datamaskiner med tre-fire forskjellige lagrings/minneteknologier hvis og når teknologier som NRAM kommer på markedet. Disse teknologiene vil i så fall true med å redusere levetiden til XPoint.

Noe villedende markedsføring til tross (XPoint har 1000 ganger så lav aksesstid, men er bare cirka ti ganger raskere på å flytte data) lover Intel lynrask SSD-lagring med XPoint-teknologien, og å gjøre om flashdisken til lagring, akkurat som flash gjorde med snurredisken. XPoint vil ta over kronen som den desidert raskeste SSDen du kan få for penger når den kommer på markedet en gang i 2016.

XPoint er ikke raskt nok til å fungere som systemminne i datamaskinapplikasjoner, men vi vil muligens se andre enheter, som enkelte telefoner og tingenes Internett-systemer som benytter XPoint som både systemdisk- og systemminne, spesielt hvis prisen går ned over tid. Det er også tenkelig at det kommer indirekte fordeler etter hvert som XPoint sprer seg – i form av kjappere servere og et raskere Internett, som består av akkurat de svære databaseserverne som blir raskere med XPoint.

Det gjenstår bare å se hva prisen blir, og om produksjonen lar seg skalere slik at XPoint blir billigere og bedre over tid. Det skal bli bli et tøft salg for Intel i entusiastmarkedet hvis prisen blir alt for høy ved introduksjonen.

For en sann revolusjon med ikke-volatilt systemminne i kvanta store nok til å fungere som disk på PC-ene våre, må vi derimot belage oss på å vente enda litt lenger. Men det er liten tvil om at fremtiden for lagrings-/minneteknologi er like spennende som den er rask (og enn så lenge: dyr).

Etter et tiårs dominans er SATA på vei ut:
Guide: Diskens mange tilkoblinger » (Tek Ekstra)

(Kilder: Computerworld, Anandtech, Extreme Tech, PC World, med flere)

Norges beste mobilabonnement

Januar 2018

Kåret av Tek-redaksjonen

Jeg bruker lite data:

Komplett MiniFlex 1 GB


Jeg bruker middels mye data:

Telipol Fri 6GB


Jeg bruker mye data:

Telipol Fri 12GB


Jeg er superbruker:

Telipol Fri 30GB


Finn billigste abonnement i vår mobilkalkulator

Her er noen av sakene du kan lese på Ekstra i dag:

Til toppen