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) :

СвойствоPCMEERPROMNORNANDDRAM
Энергонезависимостьдадададанет
Минимальные размер элемента, нм<10~4x~3x~1x~2x
Побитовое изменение данныхдаданетнетда
Требуется цикл стираниянетнетдаданет
Скорость записи~100 МБ/с~30 КБ/с~1 МБ/с~20 МБ/с~1ГБ/с
Скорость чтения50 … 100 нс~200 нс70 … 100 нс15 .. 50 мкс20 ..80 нс
Количество циклов перезаписи106 .. 108105 .. 106105104 .. 105не 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.

Что еще почитать по теме

T-Rex 30 марта 2021

Что такое SMTP-протокол и как он устроен?

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — протокол передачи почты. Он был представлен еще в 1982 году, но не теряет актуальности до сих пор. В статье разбираемся, какие задачи решает протокол и как он ра…
T-Rex 30 марта 2021
Владимир Туров 1 сентября 2020

Дело совершенно секретного iPod

Это был обычный серый день в конце 2005 года. Я сидел на рабочем месте и писал код для следующей версии iPod. Вдруг без стука ворвался директор ПО для iPod, начальник моего начальника, и закрыл дверь.
Владимир Туров 1 сентября 2020
T-Rex 21 августа 2020

TrendForce: цены на SSD упадут

Эксперты DRAMeXchange предсказывают значительное падение цен на оперативную память и твердотельные накопители в ближайшее время. Причина — сокращение спроса на чипы для NAND и DRAM.
T-Rex 21 августа 2020

Новое в блоге

Михаил Фомин 24 июня 2022

Docker Swarm VS Kubernetes — как бизнес выбирает оркестраторы

Рассказываем, для каких задач бизнесу больше подойдет Docker Swarm, а когда следует выбрать Kubernetes.
Михаил Фомин 24 июня 2022
Ульяна Малышева 30 сентября 2022

«Нулевой» локальный диск. Как мы запустили облако только с сетевыми дисками и приручили Ceph

Чем хороши сетевые диски и почему именно Ceph, рассказал директор по развитию ядра облачной платформы Иван Романько.
Ульяна Малышева 30 сентября 2022
Валентин Тимофеев 30 сентября 2022

Как проходит онбординг сотрудников ИТО? Что нужно, чтобы выйти на смену в дата-центр

Рассказываем, как обучаем новых сотрудников, какие задачи и испытания проходят инженеры прежде, чем выйти на свою первую смену.
Валентин Тимофеев 30 сентября 2022
T-Rex 28 сентября 2022

Книги по SQL: что почитать новичкам и специалистам

Собрали 6 книг, которые помогут на старте изучения SQL и при углублении в тему.
T-Rex 28 сентября 2022