3D XPoint 相比 3D NAND Flash 有什麼不同？

01-05

Intel, Micron debut 3D XPoint storage technology that"s 1,000 times faster than current SSDs
英特爾美光公布新內存號稱速度比老產品快千倍_Intel 英特爾_cnBeta.COM
Mark Durcan, Micron"s CEO, says the new technology is not to be confused with the 3D Flash memory used in Micron"s latest SSDs, since 3D XPoint is a completely new class of memory.

Intel says 3D XPoint results from the company"s years of research and development, overcoming many hurdles including the chance that it would not be successful. 3D XPoint stores data in a totally different manner from the means used by existing NAND. It uses the property change of the memory cell itself, instead of storing the cell in a capacitor in the traditional way.
看起來結構上跟3D NAND 差不多，為什麼性能會有這麼大提高？

看了些資料和視頻，大致理解了基本原理，但核心問題仍然是個謎，這個回答就當是拋磚引玉吧

3D XPoint本質上就是RRAM，2013年有報道創業公司Crossbar提出的RRAM，結構跟現在的3D XPoint很類似（http://www.36kr.com/p/205215.html）。推測現在intel 已經搶先一步找到合適的材料來達到商業化需要的可靠性

3D XPoint 的動畫介紹 -- 來自intel

3D XPointTechnology Revolutionizes Storage Memory

工作原理示意圖：

大致就是通過縱橫的字線位線之間的電阻值作為01二進位信息，綠色塊的電阻用來儲存信息，也就是memory cell，selector（灰色快）可以控制改變綠色塊電阻，選擇讀或寫。然而intel並沒有公布3D XPoint 的核心問題，也就是Selector 和MemoryCell 的工作原理和製作材料，這應該是這個新器件的核心問題。

相關資料：

Crossbar - RRAM Overview

Design guidelines for 3D RRAM cross-point architecture

3D Xpoint memory: Faster-than-flash storage unveiled

3D XPoint? Unveiled

Intel-Micron Webcast Event

NAND是利用浮柵晶體管作為基本元件的，電荷是存儲物理量。Xpoint應該是用的相變材料或者阻變材料(一些氧化物有這些特性)，兩種材料都有可編程和非易失的特性，利用電導率作為存儲物理量。

有猜測Xpoint是crossbar結構的PCM而不是RRAM。兩家已經合作在PCM上攻堅多年了，之前Micron也一度接近推出產品化的PCM，後來似乎是reliability的問題撤回了。RRAM目前工業界學術界都還處於探索階段，兩家應該不敢貿然強行出產品，一旦出產品，也應該是DRAM層級而不是NAND。

雖然3D XPoint和3D NAND兩項技術名字都是3D打頭，並且兩項技術都是由美光科技和英特爾共同研發，但實際上二者有著根本性的不同。相比3D NAND，3D XPoint迄今仍像是一座冰山，公眾所知仍然非常有限，從已揭開的冰山一角來看，3D XPoint是自1989 年NAND快閃記憶體推出至今的首款基於全新技術的非易失性存儲器，集NAND類似的容量和DRAM類似的性能於一身，可說是開創了一種全新的存儲類別。該技術集當今市場中所有存儲器技術在性能、密度、功耗、非易失性和成本方面的優勢於一體，開創了一種可顯著降低延遲的新型非易失性存儲器，使得在靠近處理器的位置存儲更多數據成為可能，並以此前的非易失性存儲無法達到的速度來訪問更多數據。與NAND相比，這項技術在速度及耐用性方面均實現了高達1000倍的提升。除了相比NAND而言超出1000倍的速度和超出1000倍的耐用性，由於採用了獨特的複合材料和一種面向存儲器技術的交叉點架構，相比傳統存儲器，3D XPoint技術的存儲密度也提升了高達10倍，能夠以較低成本滿足用戶在非易失性、高性能、高耐用性和高容量方面對存儲與內存的需求。

而3D NAND仍然屬於NAND的範疇，但相對於平面NAND而言，該技術有了工藝上的革命性提升。突破平面NAND的發展瓶頸，3D NAND以卓越的精度垂直堆疊了多層數據存儲單元，同由與之競爭的NAND技術所打造出的設備容量相比，由3D NAND技術製成的設備容量高三倍。而且，由於容量可通過垂直堆疊單元來獲得，單個單元的尺寸就能變得相當大——這還將有望提升性能和可靠性。同時，該技術還能帶來相比平面結構的NAND更高的成本效益。

3D NAND是相對於原先的NAND在工藝上的提升，可以理解為把原先平面的存儲單元構建為立體的，這樣一片晶元上存儲的cell會更多。

傳統的2D NAND工藝到16nm就已經飽和了，而3D通過增加縱軸的疊層數目可以繼續演進三代左右（現有的技術一般是32層或48層，個人預測未來終結產品會發展到128層）。同一片晶元上存儲單元越多即意味著每個bit的成本更低。

而3D X point則和3D NAND完全不同，NAND是基於floating gate/charge-trap gate MOS技術，而x point則是基於phase change material。通俗的說，NAND是通過晶體管上充放電來存儲數據，而x point是通過材料是熔化或凝固狀態來存儲數據。從性能上而言，x point會遠遠超過NAND，這可是Micron和Intel合夥憋了很多年的大殺器，如果能很快的解決現在yield lost問題，會改變以後存儲世界的格局。

3D Xpoint比內存（易失性存儲）的速度稍慢，但比傳統NAND的壽命（可擦寫次數）高得多。

3D Xpoint的存儲單元（Memory
Cell）是沒有晶體管的。由於發熱等原因，普通晶體管存儲器不能做得太密集，但3D
Xpoint的無晶體管設計，使存儲密度提升，發熱量和耗電都變少。

現在的NAND快閃記憶體工作時只能一塊一塊的擦除，一頁一頁的寫入，但是內存就不用這樣操作，3D
CrossPoint這個技術內存相似，它也不需要這樣的操作，所以說它的應用會比現在的快閃記憶體更簡單。現在的架構裡面還存在著叫磨損控制以及垃圾回收的機制，在3D
CrossPoint裡面這樣的機制不是取消了就是被簡化了。

3D Xpoint架構最根本的不同就在於每一個存儲單元你都可以直接定位到，跟現有的NAND
Flash不同，因為NAND
Flash沒辦法定位到具體每一個存儲單元，只能定位到一個page（每個page大約是4KiB或者8KiB）的內容，寫入需要整個page寫入，擦除這需要整個block（每個block大概是256KiB）擦除，這種架構導致了NAND
Flash隨機訪問的性能是很差的，而像3D
CrossPoint就可以具有很好的隨機性能，這個特點是跟內存相象的，跟快閃記憶體不同。

固態硬碟的關鍵組件——內存

引言

SSD的關鍵組件是控制器和存儲數據的內存。

固態硬碟組成

SSD中的主要內存組件傳統上是DRAM內存晶元，但自從2009年以來，更常見的是NAND快閃記憶體晶元。

2013年，三星宣布開始量產業界第一款3D NAND快閃記憶體。

2017年，還出現一種基於3D XPoint技術的新內存晶元。

市場份額

NAND快閃記憶體製造商市場份額（10Q1-16Q4）

2010年至2013年第三季度，NAND快閃記憶體市場由三星、東芝、美光、海力士和Intel瓜分。

2010年，SanDisk開始對外供應NAND快閃記憶體，2013年第四季度，SanDisk衝上第三名。

2016年第四季度，三星電子在全球NAND快閃記憶體市場佔有率為37.1%，排名第一，東芝（18.3%）、西數/閃迪（17.7%）、美光（10.6%）、SK海力士（9.6%）和英特爾（6.8%）分別位列第二至第六。[1]

NAND快閃記憶體

NAND快閃記憶體分為SLC、eMLC、MLC和TLC。

SLC、eMLC、MLC、TLC的讀寫速度依次從快至慢，使用壽命依次從長至短，成本依次從高至低。[2] [3]

◇SLC

傳統上，每個儲存單元內儲存1個信息位，稱為單階儲存單元（Single-Level Cell,SLC）。

SLC快閃記憶體的優點是傳輸速度更快，功率消耗更低和儲存單元的壽命更長。然而，由於成本較高，大多數用在企業上，很少有消費型SLC儲存裝置拿來販賣。

◇eMLC

eML指的是企業級MLC（Enterprise Multi Level Cell），它是MLC快閃記憶體，但針對企業領域進行了優化，具有更好的性能和耐久性。

eMLC的性能比不上SLC，但eMLC的成本較低。

◇MLC

多階儲存單元（Multi-Level Cell,MLC）可以在每個儲存單元內儲存2個以上的信息位。

與SLC相比，MLC成本較低，其傳輸速度較慢，功率消耗較高和儲存單元的壽命較低，因此MLC快閃記憶體技術會用在標準型的記憶卡，也用在最常見的消費型固態硬碟和隨身碟上。

◇TLC

三階儲存單元（Triple-Level Cell, TLC），這種架構的原理與MLC類似，但可以在每個儲存單元內儲存3個信息位。

TLC的寫入速度比SLC和MLC慢，壽命也比SLC和MLC短，大約1000次。現在，廠商已不使用TLC這個名字，而是稱其為3-bit MLC。

◇SLC、MLC和TLC的發展歷程

固態硬碟的主流從SLC晶元轉到MLC晶元，促成了2011年的大降價，固態硬碟因此普及。

由於因為SLC的速度較快但成本過高，用於伺服器的企業級SSD都改用了MLC。

TLC因為速度較慢但成本低，原本只用來做隨身碟；但是，在2015年，我們耳熟能詳的SSD廠商大規模推出了TLC SSD——三星 850 EVO、東芝 Q300、英睿達BX200……氣勢磅礴。

隨著技術的進步，TLC的性能、可靠性和壽命得到大幅改善。

三星SSD質保

另外，SSD廠商對於TLC SSD的質保提升到與MLC SSD基本一致的水平，比如三星 TLC SSD的質保一般為五年，讓消費者在這五年的使用中高枕無憂。

◇小結

3D NAND快閃記憶體

◇簡介

3D NAND與2D NAND區別

我們之前見過的快閃記憶體多屬於Planar NAND平面快閃記憶體，也叫有2D NAND或者直接不提2D的，而3D NAND快閃記憶體，顧名思義，就是它是立體堆疊的。

Intel 3D NAND_騰訊視頻v.qq.com視頻

Intel之前用蓋樓為例介紹了3D NAND，普通NAND是平房，那麼3D NAND就是高樓大廈，建築面積一下子就多起來了，理論上可以無限堆疊。[5]

◇3D NAND快閃記憶體類型

NAND快閃記憶體有SLC、eMLC、MLC和TLC四種類型，3D NAND快閃記憶體通常使用MLC或 TLC 。[6]

◇3D NAND快閃記憶體有什麼優勢？

3D NAND 的優勢

3D NAND快閃記憶體在容量、速度、能效及可靠性上都有優勢，我們來看一段三星的3D V-NAND宣傳視頻。[7] [8]

Samsung V-NAND_騰訊視頻v.qq.com視頻

◇四大天王的3D NAND快閃記憶體及特色[8]

在主要的NAND廠商中，三星最早（2013年）量產了3D NAND，名為Vertical NAND（V-NAND）。

三星最早量產了3D NAND快閃記憶體

東芝是快閃記憶體技術的發明人，很早就投入3D NAND研發了，2007年他們獨闢蹊徑推出了BiCS技術的3D NAND。

東芝的BiCS技術3D NAND

東芝和閃迪是戰略合作夥伴，雙方在NAND領域是共享技術的，他們的BiCS快閃記憶體在2015年開始量產。

SK Hynix的3D NAND最為低調，相關報道很少，不過從官網公布的信息來看，SK Hynix的3D NAND快閃記憶體已經發展了4代了，可謂悶聲發大財。

這幾家廠商中，Intel、美光的3D NAND快閃記憶體來的最晚，但IMFT的3D

NAND在成本及容量上更有優勢。

PS：IM Flash Technologies（IMFT）是一家非常隱匿而強悍的公司，它是由Intel和美光合資興辦的半導體製造公司，主要生產NAND型快閃記憶體晶元產品。

四大天王的3D NAND快閃記憶體規格及特色

這四大天王的3D NAND快閃記憶體所用的技術不同，堆棧的層數也不一樣（理論上堆棧層數越多，3D快閃記憶體容量就越大，優勢也越明顯），而Intel在常規3D NAND快閃記憶體之外還開發了新型的3D XPoint快閃記憶體，它跟目前的3D快閃記憶體有很大不同，屬於殺手鐧級產品，值得關注。

3D XPoint

3D XPoint（發音three dee cross point）是一種由英特爾和美光科技於2015年7月宣布的非揮發性內存（NVM）技術。英特爾為使用該技術的存儲設備冠名Optane，而美光稱為QuantX。

3D XPoint_騰訊視頻v.qq.com視頻

美光的存儲解決方案副總裁說：「3D Crosspoint將是DRAM價格的一半左右，但會比NAND快閃記憶體貴4到5倍。」相較NAND快閃記憶體，英特爾宣稱其有10倍的低延遲，3倍寫入耐久，4倍每秒寫入、3倍每秒讀取的性能提升，以及30%的功耗。[9]

2017年3月19日，英特爾發布第一款 3D XPoint SSD——Intel Optane SSD DC P4800X。

Anandtech的獨立測試表明，P4800X不是每一項測試中最快的SSD。但在混合讀寫工作負載的繁重環境中，P4800X超越了市面上所有的產品。[10]

與大多數基於NAND快閃記憶體晶元的SSD相比，P4800X非常昂貴——容量375GB，售價 1520 美元（10332元人民幣），因此這裡不再展開討論3D XPoint。

結尾

隨著時間的推移，3D NAND快閃記憶體將會逐漸取代傳統的平面NAND快閃記憶體並成為主流，而3D XPoint由於成本過高，暫時無法普及，但這項技術為SSD內存行業提供了一個未來的方向。

參考文獻

1. NAND Flash manufacturersamp;amp;amp;apos; market share 2016 | Statista

2. 快閃記憶體 - 維基百科，自由的百科全書

3. Everything You Need to Know About SLC, MLC, and TLC NAND Flash | My Digital Discount - MyDigitalDiscount.com

4. 不敢買TLC SSD？看看這篇深度分析文 – wechat中文網

5. 3D NAND Technology Animation

6. What is 3D NAND flash? - Definition from WhatIs.com

7. Samsung V-NAND Origami skater - YouTube

8. 超能課堂(36)：3D NAND快閃記憶體是什麼，引中國廠商競折腰？ - 超能網

9. 3D XPoint - 維基百科，自由的百科全書

10. The Intel Optane SSD DC P4800X (375GB) Review: Testing 3D XPoint Performance

11. Solidot | 英特爾發布第一款 3D XPoint SSD

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3D Xpoint是媒介

解釋這個問題，先要弄清楚3D NAND Flash是什麼。

首先，flash大家都知道，就是快閃記憶體卡。而快閃記憶體的基本「單元」有NAND結構和NOR結構兩種，這是兩種不同的存儲實現形式。而3D則是三維的意思，相對於普通的flash(2D)，3D採用堆疊的方式使存儲量變大，2D只是一層存儲。可以簡單理解，3D就是多層。

而3D XPoint，是一種實現存儲的技術和方式，它屬於3D flash的範疇內，但究竟是NAND 還是 NOR或者又是其他的新的具體實現方式，則就不好揣測了。

期待進一步了解3D Xpoint 內部作用機制

美光戰略上把這個劃分為storage class memory，感覺主要是用來替代NAND，有可能後續這存儲器直接跟SRAM連，把DRAM/NAND都取代掉