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[萝卜头知识周刊] 3D XPoint、Z-SSD等下一代存储技术

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发表于 2017-3-19 00:57:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
3D XPoint、Z-SSD、MRAM、ReRAM都被看作是下一代存储器。




3D XPoint

美光在韩国双雄三星和SK海力士的攻击下,DRAM和Flash业务发展都不如预期,所以美光与Intel合力开发了这种新型的存储技术。


3D-Xpoint是一种基于闪存颗粒的存储技术的革命,它的诞生将改变NAND传统的存储规则,从根本上提高闪存颗粒的存储性能,从而极致的提高以固态硬盘为代表的存储设备的读写表现。3D XPoint是自1989 年NAND闪存推出至今的首款基于全新技术的非易失性存储器,集NAND类似的容量和DRAM类似的性能于一身。


美光、Intel将会各自推出了自家的产品,美光的叫做QuantX,Intel的是Optane。



3D XPoint被认为是改变行业游戏规则的革命性技术,有这四大亮点:
1. 其速度是NAND Flash的1000倍
2. 其成本大约是DRAM的1/2
3. 其使用寿命是NAND高出1000倍
4. 其密度是传统存储器的10倍


3D XPoint市场潜力巨大,Intel和美光将3D XPoint的市场定位在高端SSD和DDR4 NVDIMM,是一个适合企业级应用的产品。对于SSD应用,3D XPoint其复杂的制造工艺导致成本较高。另一方面,DDR4 NVDIMM对于3D XPoint来说是一个很好的切入点,因为3D XPoint的读取延时很低(大约在100ns左右)。预计3D XPoint量产后很长一段时间是无法取代DRAM的。



Z-SSD

三星推出了Z-SSD新技术,将其性能水平定位在SSD与DRAM之间,剑指美光与英特尔的XPoint技术。


Z-SSD基于NAND技术,目标应用是高端企业SSD。Z-SSD采用了新的电路设计和控制器,实现了比现有高端SSD低4倍的延迟和1.6倍的顺序读取。三星采用V-NAND基础结构并配合一套独特的电路设计及控制器,能够最大程度提升性能水平,其延迟与连续读取性能水平分别达到三星PM863 NVMe SSD的四分之一与1.6倍。


PM963的最高连续读取传输带宽为每秒1.6 GB,而新一代Z-SSD的同项参数则可提升至每秒2.56 GB。不过其延迟水平则要靠估计,因为三星没有公布过PM963的延迟。美光9100 NVMe SSD的写入延迟为30纳秒,同等比较之下这可能意味着Z-SSD的延迟为7.5纳秒,与英特尔的Optane XPoint 7纳秒延迟基本相当。
         其中“独特的电路设计”可能代表着其采用SLC芯片(即单层单元),这意味着其在基础层面拥有远超MLC(即二层单元)或者TLC(三层单元)产品的读取与写入速度。不过利用SLC闪存实现XPoint级别的速度表现仍然可能性很低--事实上,根本不可能。


Z-SSD具有独特的电路设计,似乎在说明采用的是SLC芯片,这意味着其在基础层面拥有远超MLC或者TLC产品的读取与写入速度。



MRAM

MRAM全称是磁性随机访问存储器。目前,MRAM的诸多研究中,已经可以开始生产的产品结构被称为STT MRAM(自旋转移力矩磁性随机访问存储器)。IBM公司在MRAM(磁性随机访问存储器)领域已经投入了二十年时间。最初IBM配合摩托罗拉希望打造一款场交换式MRAM,如今IBM联手三星致力于全新的MRAM技术——STT MRAM。其中的每个bit单元都包含一个晶体管外加一条垂直排列的隧道交叉点。该隧道交叉点包含两个磁体,其一的北极永远指向上,其二则为自由磁体、其北极可在向上与向下间切换以代表存储0或者1。其只需要7.5微安电流通过即可实现偏振方向编程。



工作原理:
单一场效应晶体管(FET)通过STT MRAM内的一条垂直磁性隧道交叉点(MRJ)实现读写电流控制。位于堆叠结构底部的FET接入该MRJ,后者则由钴-铁-硼(CoFeB)化合物层构成,同时配合固定旋转取向的镁氧化物(MgO)隧道栅极以及可进行自旋转变以代表0与1的CoFeB顶层。此堆叠体系还辅以另一MgO层,旨在强化垂直磁体各向异性(简称PMA)并降低自旋电流流失。







STT MRAM的关键性优势在于结合了非易失性与无限使用寿命,这不同于当前乃至可预见的未来所存在的任何其它存储技术。另外,其亦通过对bit以及磁性材质垂直异向性的优化拥有极长的数据驻留周期。



相比目前的DRAM或者SRAM,MRAM的优势还是非常明显的。包括它的高可制造性、高数据密度、高速度、非易失性和耐久性等。似乎MRAM成为“万能内存王”指日可待。



ReRAM

ReRAM是基于电阻式随机存取的一种非易失性存储器,它可将DRAM的读写速度与SSD的非易失性结合于一身,同时具备更低的功耗及更快的读写速度。虽然ReRAM的名字中带RAM,但其实是像NAND闪存那样用作数据存储的ROM,只不过它的性能更强。


其密度比DRAM内存高40倍,读取速度快100倍,写入速度快1000倍。ReRAM单芯片(200mm左右)即可实现TB级存储,还具备结构简单、易于制造等优点。ReRAM存储芯片的能耗可达到闪存的1/20,数据擦写上限是后者的10倍。



作为存储器前沿技术,ReRAM未来预期可以替代目前的FlashRAM,并且具有成本更低、性能更突出的优势。



ReRAM基于忆阻器原理,将DRAM的读写速度与SSD的非易失性结合于一身。关闭电源后存储器仍能记住数据。如果ReRAM有足够大的空间,一台配备ReRAM的PC将不需要载入时间。


中芯国际已正式出样采用40nm工艺的ReRAM芯片,并称更先进的28nm工艺版很快也会到来。



存储拼得是什么?似乎已不止是容量,下一代存储器,谁能称王,时间会是最好的答案。


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