Ny teknologi skal revolutionere data-hukommelse

Af Palle Vibe, Alt om Data

Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.

Intel og Micron lancerer nu sammen, hvad begge chip-giganter kalder det største gennembrud siden NAND-flash blev introduceret i 1989. Den helt nye hukommelsesteknologi har fået navnet 3D XPoint (udtales crosspoint), og det er nærmest en slags hybrid mellem NAND og traditionel DRAM.
Mens NAND-flash er en meget anvendt form for hukommelse – ikke mindst i de nu så populære ssd-diske – der forener forholdsvis høj hastighed (i forhold til traditionelle harddiske) med stor kapacitet og tæthed, er DRAM overlegen i hastighed. Omvendt bevarer NAND-flash sin information uden strømtilførsel, hvilket DRAM ikke gør.

Intels præsentation af hukommelsesteknologi skal vise, at den har stået stille på det seneste. 3D XPoint er angiveligt det vigtigste fremskridt siden NAND.

Intel tror så meget på 3D XPoint, at chipvirksomheden ligefrem har opfundet et mærkevarenavn til kommende lagerhukommelsesenheder med 3D XPoint: Optane. Og Micron vurderer, at 3D XPoint vil revolutionere brugen af ssd på samme måde som ssd på mange områder er ved at vippe harddiske af pinden.
Teoretisk vil 3D XPoint kunne erstatte både DRAM og NAND i datacentre og måske på et lidt senere tidspunkt vinde indpas i almindelige computere og bærbare. Men lad os her se, om der er hold i drømmene.

Gammel drøm og nye fordele
I dag har de to virksomheder fungerende prototyper af den nye teknologi klar. Men allerede for mere end fem år siden var Intel optaget af, hvordan en ny processorarkitektur, der smelter intern lagerplads (DRAM) og langtidslagring (flash og harddiske) sammen til en ny, enkel og helstøbt teknologi. Problemet med DRAM er, at den er dyr at producere, og kapaciteten er ved at være for lav. Intel har længe flirtet med teknologien, men har ikke selv kunnet producere den, da Intels fabrikker udelukkende producerer chips baseret på CMOS-teknologi. Micron derimod har fabrikker, der også kan producere chips baseret på andre teknologier. Selv om teknologien altså ikke er ny som sådan, er det først nu, at det er lykkedes at sætte den i masseproduktion.

Skemaet sammenligner hastighed, pris og flygtighed for henholdsvis NAND-flash, DRAM og 3D XPoint.

Hvis vi først ser på hastigheden, er 3D XPoint i omegnen af 10 gange langsommere end DRAM, men angiveligt 1000 gange hurtigere end NAND. Men den nye hukommelses-teknologi har også andre fordele. Den nye hukommelse kan overskrives 1000 flere gange end dagens NAND-hukommelse, der kun kan holde til 3000-10.000 overskrivninger. Dette antal kan forbedres en smule med fejlkompenserende og fejlkorrigerende software, men der vil stadig være langt op til 3D XPoint-levetid. I praksis er levetiden og holdbarheden for 3D XPoint sandsynligvis på linje med ssd-enheder.

Også strukturen i 3D XPoint er tættere end DRAM (hævdes at være 10 gange tættere eller mere), omend tætheden ikke er helt på højde med tætheden for NAND-flash. Prismæssigt er 3D XPoint dyrere at producere end NAND, men noget billigere end DRAM. Dermed ligger 3D XPoint nærmest midt mellem DRAM og NAND i hukommelseshierarkiet. 3D XPoint vil sandsynligvis både kunne erstatte en del DRAM og samtidig tilføre mere brugerhukommelse til computere.
Men vigtigst er måske, at strømforbruget ikke er så stort som ved DRAM, der kræver én transistor pr. celle, fordi 3D XPoint bevarer sine data uden strømtilførsel.

To færdige 3D XPoint-hukommelseschips, der ifølge Intel kan sikre billig produktion og høj kapacitet.

Større lager på mindre plads
Hver celle i 3D XPoint kan lagre én bit, og selvom NAND-flash kan lagre 2-3 bit i hver celle, kan den nye hukommelsesteknologi angiveligt presse 8-10 gange flere hukommelsesceller sammen ned i samme rumfang. 3D XPoint vil dermed kunne tilbyde mere computerhukommelse med større kapacitet på mindre plads og samtidig kunne booste hastigheden for dagens NAND-flash fra 500 MB/s op til 500 GB/s.

Sådan er 3D XPoint bygget op
Hukommelsescellerne er her grønne, mens de gule områder er kontaktområder (selectors). Imellem ligger et 3D-gitterværk af strømførende baner på kryds og tværs. Ved at variere spændingen i disse ledere kan hver celle påtrykkes enten en 1-tilstand eller en 0-tilstand, der også kan aflæses igen med det samme uden at gøre brug af dyre kondensatorer eller transistorer. Det øger kapaciteten og reducerer produktionsomkostningerne.

Ligesom DRAM kan 3D XPoint tilgå hver enkelt bit i sine hukommelsesceller individuelt, uden at en hel datablok først skal slettes og først derefter genskrives, som det er tilfældet for NAND. 3D XPoint anvender nemlig ikke transistorer eller kondensatorer til bit-lagring. I stedet er hukommelsescellerne omgivet af et gitterværk af fine elektriske forbindelser, der kan påtrykkes høj eller lav spænding alt efter, om pågældende bit skal repræsentere 1 eller 0. Cellerne kan oven i købet placeres i lag oven på hinanden. Navnet 3D XPoint henviser faktisk direkte til muligheden for at stakke cellerne i en 3-dimensional struktur, og det er grunden til, at 3D XPoint kan opvise så høj tæthed. Samtidigt forbedres responstiden fra mikrosekunder for NAND til nanosekunder med 3D XPoint. Og fordi cellernes performance ikke falder ved gentagen skrivning og læsning på samme måde som i NAND-flash, kan 3D XPoint udmærket bruges som erstatning for de nuværende solid state drev.

På kort sigt er det ikke usandsynligt, at 3D XPoint kan afløse NAND som cache i traditionelle systemer. Den nye type hukommelse kan også tænkes som erstatning for RAM-hukommelsen i ultraportable systemer for at spare strøm og øge batterilevetiden.
På langt sigt vil den nye teknologi kunne indgå i computere, smartphones og tablets og måske endog også blive fast inventar i storage-systemer og datacentre, der i dag benytter DRAM suppleret med kondensatorbaserede buffer-kredse, som sikrer, at informationerne bliver bevaret, hvis strømmen svigter. Her gemmer 3D XPoint uden videre alle sine informationer uden supplerende sikkerhedsforanstaltninger. 3D XPoint vil dog næppe erstatte den lynhurtige DRAM totalt, men balancen vil uvægerligt blive skubbet mod mere ikke-flygtig 3D Xpoint hukommelse og mindre DRAM.

Toplederne Rob Crooke og Brian Krzanich fra Intel præsenterede 3D XPoint i San Francisco i oktober sidste år.

De fleste branchefolk vurderer dog, at 3D XPoint først og fremmest vil finde anvendelse i datacentre og hos andre professionelle lagerudbydere, og at der vil gå en del år, før det almindelige forbrugermarked vil se 3D XPoint i for eksempel bærbare computere. Omkostninger relateret ydelse betyder nemlig langt mere for erhvervsmæssige udbydere end for almindelige forbrugere, der som regel mest fokuserer på prisen.
Der er endnu ingen premieredato for de første 3D XPoint-produktioner, men lanceringen sker formentlig engang næste år.

Leksikalsk: NAND og DRAM

3D Xpoint kombinerer fordelene ved NAND-flash og DRAM – se her, hvad de to hukommelsesteknologier kan

NAND (Not And) er en type flash-hukommelse, der blev udviklet for at reducere fremstillingsomkostningerne pr. bit og samtidig øge kapaciteten. Dermed kunne den konkurrere med eksempelvis traditionelle harddiske. NAND er i modsætning til RAM-hukommelse ”ikke-flygtig”: Den bevarer sin information, selv om strømtilførslen slukkes.
Flash-hukommelse bruges især i små bærbare enheder, hvor et stort antal data bliver indlæst og ofte vil overskrive data, der ligger der i forvejen. Det gælder eksempelvis mp3-afspillere, digitale kameraer og USB-nøgler. De moderne ssd’er er også NAND-baserede.

DRAM (Dynamic Random Access Memory) er den nyeste type af RAM og anvendes i stort omfang til brugerhukommelse i eksempelvis pc’er. DRAM er relativt billig at producere og kan have stor kapacitet i forhold til størrelse. Da hukommelsen er baseret på kondensatorer, der kun kan holde sin ladning i en vis tid og forudsætter en såkaldt ”memory refresh”-funktion, der genoplader kondensatorerne igen, er DRAM en ”flygtig” hukommelsestype. DRAM glemmer samtlige sine informationer i samme øjeblik, man slukker for strømtilførslen.