Intel Optane SSD: возможности и преимущества

В начале июля мы начали бесплатное тестирование SSD-дисков Intel Optane. Акция все ещё продолжается, и любой из вас может принять участие (подробности по ссылке выше).
Появление на рынке дисков Optane можно без преувеличений назвать революцией в области хранения информации. В этой статье расскажем о том, какие технологии лежат в основе новых дисков и какие преимущества они дают.

3D X-point: новая энергонезависимая память

3D X-Point (читается 3D crosspoint) — это новая технология энергонезависимой памяти на основе фазового перехода (Phase-Change Memory, сокращённо PCM).

Слова о революционности Intel Optane, сказанные в самом начале — это гораздо больше, чем просто маркетинговый ход: по сути, мы имеем дело с первым случаем запуска памяти этого типа в массовое производство.

По вполне понятным причинам Intel не разглашает всех тонкостей 3D X-Point. Более того, в публичных заявлениях компания отрицает, что эта память основана именно на фазовом переходе. Впрочем, имеются косвенные свидетельства (см., например, неплохую статью на эту тему), подтверждающие обратное. Вполне возможно, что в основе 3D X-Point лежит какая-то гибридная технология.

Поэтому мы в дальнейшем изложении будем опираться на информацию, опубликованную в открытых источниках.

Память на основе фазового перехода: краткая справка

Идея памяти на основе фазового перехода не нова: она была высказана американским изобретателем Стэнфордом Овшинским ещё в 1960-х годах. В 1970 году статью о технологиях PC опубликовал Гордон Мур, один из основателей Intel. В течение последних 10 лет неоднократно предпринимались попытки начать производство такой памяти, но препятствием на пути к её широкому распространению был слишком большой размер ячейки, а также слишком сложный технологический процесс. Эту проблему удалось решить только сейчас. Как именно — Intel держит в секрете.

Чтобы понять, как работает 3D X-Point, вспомним, что такое фазовый переход.
Фазовый переход — это переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий. Описание деталей — задача, которая выходит далеко за рамки этой статьи; заинтересованных читателей отсылаем к Википедии, где всё разъяснено достаточно ясно и подробно.

К веществам, способным совершать фазовый переход, относятся так называемые металлоиды (также их называют полуметаллами, и в русскоязычной литературе именно этот термин употребляется чаще) — химические элементы, которые обладает свойствами как металлов, так и неметаллов. При комнатной температуре металлоиды являются изоляторами, а при нагревании обладают электрической проводимостью. Бор обычно используется для допирования, кремний — для изготовления стандартных транзисторов.

Другие полуметаллы, способные совершать фазовый переход и используемые в промышленности — это германий, мышьяк, сурьма и теллур. В результате соединений этих веществ с металлами получаются так называемые халькогениды. Если их смешать в нужных пропорциях, то они будут обладать следующими свойствами (иллюстрация взята с сайта Pcper.com):

Иллюстрация Pcper.com

Сплавы металлоидов могут переходить из одного состояния в другое, и сопротивление при этом изменяется. В аморфном состоянии они скорее напоминают стекло, а в кристаллическом — металл.

У двух состояний характеристики электросопротивления различны: аморфная фаза с большим сопротивлением (логическая единица), а кристаллическая — с меньшим (логический ноль). В силу этого свойства халькогениды являются хорошим материалом для записи информации. Собственно, они уже давно для этого используются: из материалов на основе халькогенидов изготовляются диски CD-RW и DVD-RW.

Приведём таблицу, в которой память на основе фазового перехода сравнивается с другими видами памяти (взята отсюда) :

Свойство	PCM	EERPROM	NOR	NAND	DRAM
Энергонезависимость	да	да	да	да	нет
Минимальные размер элемента, нм	<10	~4x	~3x	~1x	~2x
Побитовое изменение данных	да	да	нет	нет	да
Требуется цикл стирания	нет	нет	да	да	нет
Скорость записи	~100 МБ/с	~30 КБ/с	~1 МБ/с	~20 МБ/с	~1ГБ/с
Скорость чтения	50 … 100 нс	~200 нс	70 … 100 нс	15 .. 50 мкс	20 ..80 нс
Количество циклов перезаписи	106 .. 108	105 .. 106	105	104 .. 105	не ограничено

Таблица эта взята из статьи, опубликованной в  2011 году. В то время память на основе фазового перехода существовала лишь в виде экспериментальных образцов. Интересно, что указанные характеристики во многом совпадают с реальными характеристиками 3D X-Point, но есть и целый ряд отличий. В следующем разделе мы рассмотрим технические особенности памяти 3D X-Point более подробно.

3D X-Point: основные технические характеристики

Рассмотрев общие принципы работы памяти на основе фазового перехода, перейдём к описанию устройства 3D X-Point. Начнём с разбора технических характеристик (здесь мы опираемся на материалы сайта TechInsights).

Размер модуля памяти 3D X-Point составляет 17.6×13.7 мм (241.12 кв.мм); единственный кристалл памяти X-Point расположен внутри. Размеры кристалла — 16.16 миллиметров в длину и 12.78 миллиметров в ширину. Эффективность памяти на кристалле составляет 91,4%. Это больше, чем значение аналогичного показателя у Samsung 3D 48L V-NAND (70%) и у Intel/Micron 3D FG NAND (84,9%).

Плотность записи данных у памяти 3D X-Point равна 0,62 ГБ/кв.мм, что гораздо ниже, чем у многих представленных на рынке модулей памяти 2D NAND и 3D NAND. Для сравнения: у Samsung 3D 48L TLC NAND 2,5 Гбит/мм, а у Toshiba/SanDisk 2D TLC NAND — 1,28 Гбит/мм². При этом у памяти DRAM значение этого показателя почти в пять раз ниже.

Есть все основания полагать, что модули оперативной памяти на базе 3D X-Point в ближайшее время получат широкое распространение.

На том же сайте TechInsights не так давно была опубликована фотография микросхемы модуля памяти 3D X-Point:

Иллюстрация TechInsights

Как видим, всё устроено достаточно просто: пары из селектора и ячейки памяти расположены на пересечении двух перпендикулярных рядов проводников (отсюда и название crosspoint, т.е. пересечение) — битовой (bitline) и словарной (wordline) шины. При подаче напряжения активируется селектор, в результате чего происходит считывание или запись.

Ячейки в кристалле расположены в несколько слоёв — отсюда и аббревиатура 3D в названии. Первое поколение 3D X-Point имеет двухслойную структуру и выпускается по 20-нанометровому технологическому процессу. По сравнению с NAND плотность упаковки ячеек у 3D X-Point в 8 — 10 раз выше.

Память на основе фазового перехода работает гораздо быстрее по сравнению с традиционной флэш-памятью. Эксперименты показывают, что время записи в одну ячейку PCM-памяти составляет 19 наносекунд (для сравнения: запись в одну ячейку флэш-памяти занимает несколько миллисекунд).

Важным плюсом такой памяти является долговечность: если флэш-память выдерживают до 10 000 циклов перезаписи, то память 3D X-Point — до 100 000 000 циклов!

Intel Optane SSD: практические преимущества

Предыдущая часть статьи была посвящена вопросам теоретическим аспектам: мы рассказали о технологии 3D X-Point. Рассмотрим теперь вопросы практические и поговорим во возможностях и преимуществах накопителей Intel Optane.

Побитовый доступ к памяти

Отличительной особенностью флэш-памяти является доступ на уровне страниц: чтобы прочитать или записать небольшую порцию данных, требуется манипулировать крупными блоками памяти. Это обеспечивает низкие задержки, что очень важно, например, для работы с нагруженными базами данных.

В накопителях на основе технологии 3D X-Point всё устроено по-другому: как и в памяти DRAM, в них возможен побитовый доступ к памяти. Это позволяет обеспечить в 100 раз более низкий по сравнению с NAND-памятью уровень задержек (latency),полностью избавиться от операций по сбору мусора и сэкономить энергию.

Технология Intel Memory Drive

Накопители Optane могут использоваться не только для хранения и кэширования, но и для расширения оперативной памяти. Достаточно установить специальную программу^ и операционная система будет распознавать Optane не как диск, а как RAM. Система сможет работать с огромными объёмами памяти — гораздо большими по сравнению с теми, что предусматривают её архитектурные особенности. Данные между оперативной памятью и Optane будут распределяться автоматически.

Технология Intel Memory Drive может использоваться, например в области big data и машинного обучения: она позволяет хранит в памяти крупные своды данных и обеспечивать доступ к ним с минимальной задержкой (см. заметку на эту тему здесь).

Увеличивать память с помощью технологии Intel Memory Drive выгодно и с чисто финансовой точки зрения: 1ГБ памяти DDR4 стоит примерно 10 долларов. В случае с Intel Optane даже при текущих далеко не низких ценах стоимость 1ГБ составит чуть больше 4 долларов — почти в два с половиной раза дешевле!

Долговечность

На сайте Intel указана такая характеристика Intel Optane: 30 DWPD (drive writes per day). Это означает, что накопитель можно заполнить информацией, затем стереть и снова перезаписать — и так 30 раз.
Intel Optane хорошо подойдут для использования, например, в качестве кэширующих дисков в облачных сервисах хранения данных или в корпоративных СХД: они способны выдержать любую нагрузку.

Ещё одна важная характеристика дисковых накопителей — это TBW (Total Bytes Written), то есть общий объём информации, которую можно записать на диск в течение всего срока его эксплуатации. Значение этой характеристики у Intel Optane впечатляет: 12.3 Петабайт.

Эти цифры свидетельствуют о том, что новые накопители являются практически вечными, и вполне оправдывают их высокую цену.

Заключение

Как уже было сказано, мы предлагаем всем нашим пользователям провести тест-драйв новых накопителей совершенно бесплатно.

Условия акции просты: вы записываетесь на тестирование, мы выделяем вам сервер с Intel Optane P4800x на борту.

По результатам тестирования вы публикуете статью-отчёт на своём сайте, в блоге или на любом тематическом ресурсе.

А если вы напишете действительно интересный отчёт, мы рассмотрим возможность его публикации в качестве гостевого поста у нас.