当数据中心服务器在深夜默默处理着海量数据,两种不同的存储技术正在电路板下展开一场无形的较量,它们将决定未来十年数据存储的速度、成本与能效。

英特尔与美光在2015年7月联手推出的3D XPoint技术,被称为自NAND闪存问世25年来最具突破性的存储技术革新-2

与此同时,传统3D NAND技术正通过不断堆叠层数实现自我超越,长江存储已宣布研发超过200层的3D NAND闪存芯片-3


01 破局者:3D XPoint的技术魅力

3D XPoint技术的亮相,在存储界引起了不小的轰动。这项技术被英特尔描述为速度和耐用性都是NAND闪存的1000倍,密度更是达到NAND的10倍-5

尽管后续测试显示,其实际性能比NAND闪存快约10倍,但这仍然是一个令人印象深刻的数字。

这项技术的核心魅力在于其独特的交叉点结构设计。与需要晶体管的传统存储技术不同,3D XPoint的存储单元不需要晶体管,这使得其封装密度能够达到DRAM的4倍-6

这可不是小打小闹的改进,而是结构性的突破。

更有意思的是它的非易失特性,断电后数据不会丢失,这一点结合了DRAM的高速度和NAND的持久性优势-5

英特尔非易失性存储器解决方案事业部拓展经理倪锦峰坦言,即使在NAND PCIe/NVMe SSD开始普及的今天,依然有相当一部分客户还没有能力把SSD性能发挥出来-5

02 实用主义:3D NAND的稳步进化

与3D XPoint的“贵族”身份不同,3D NAND更像是存储领域的“实干家”。这项技术沿着一条更加务实和渐进的道路发展,通过垂直堆叠存储单元的方式,不断提升存储密度。

Kioxia和Sandisk最近推出的新一代3D闪存技术,实现了4.8Gb/s的NAND接口速度-7

这一速度比目前大规模生产的第八代3D闪存提高了33%,同时通过将存储层数量增加到332层,比特密度提高了59%-7

市场上,3D NAND已经占据了主导地位。在美国闪存市场价值约160亿美元的总盘子中,3D NAND技术是主要的增长驱动力之一-4

预计到未来几年,3D NAND的生产量将占NAND闪存总产量的75%以上

长江存储作为中国存储芯片的领军企业,已成功自主研发并小规模量产超过200层的3D NAND闪存芯片-3。这种技术的应用范围极广,从智能手机、数据中心到汽车电子,无处不在。

03 技术对决:两种架构的根本差异

从制造工艺角度看,3D NAND和3D XPoint有着根本性的不同。

3D NAND制造过程中,首先加入沉积导电层,然后在每一层之上添加绝缘材料,只有在全部层沉积完毕后,整个“单元塔”才以光刻方式进行定义-1

相比之下,3D XPoint的每一层都需要单独进行光刻与蚀刻,即在各层之上重复同样的流程,然后再对下一层进行沉积-1

这种方式虽然牺牲了3D NAND所带来的一部分经济优势,但却实现了远高于纯光刻技术的存储密度。

另一个关键区别在于数据访问方式。在NAND中,整页(在最新节点中为16KB)必须一次性进行编程才能存储1bit数据,更麻烦的是必须在块层级(至少包含200个页)执行擦除操作-1

相比之下,3D XPoint实际上是以bit层级进行访问,不需要复杂的垃圾回收机制,极大简化了控制器与固件结构,实现了更高性能和更低功耗-1

04 市场定位:填补空白还是替代升级?

价格是区分这两种技术市场定位的关键因素。根据美光存储解决方案副总裁的说法,3D XPoint的价格大约是DRAM的一半,但比NAND闪存贵4到5倍-6

具体来说,DRAM的成本约为每GB容量5美元,NAND约为每GB容量25美分,而3D XPoint的预计成本约为每GB容量2.40美元-9

在应用场景上,3D XPoint填补了DRAM和NAND闪存之间的性能鸿沟。英特尔首款3D XPoint SSDP4800X可以在较浅的队列深度下实现高IOPS性能,而传统的NAND闪存SSD只能在更深的队列深度上才能达到类似性能-9

IDC指出,3D XPoint作为一个新存储层的推出,是从大型云和大规模数据中心成为技术主导力量以来首要技术转型之一-9

Gartner预测,到2018年末,3D XPoint技术在数据中心的采用率将会显著提高-9。这种技术转型需要时间,整个数据中心生态系统必须进行调整,包括新的处理器芯片组和第三方应用程序。

05 应用场景:从消费电子到人工智能

3D NAND和3D XPoint在不同领域各有侧重。消费电子产品是3D NAND最大的应用市场,随着5G手机的普及和AI功能的集成,3D NAND技术显著提升了应用加载速度和多任务处理能力-3

在数据中心领域,情况则更加复杂。3D XPoint非常适合服务未优化内存处理的随机事务数据集,例如对现有数据集执行有限的实时分析或存储和更新记录-9

而NAND闪存则在存储近线数据方面展现优势,适合使用面向列的数据库管理系统执行分析,但这需要32个或更多突出的读/写操作-9

人工智能的兴起为两种技术都带来了新机会。Kioxia首席技术官Hideshi Miyajima指出,随着AI技术的普及,预计产生的数据量将大幅增加,现代数据中心对提高电源效率的需求也会相应增加-7

更有趣的是,研究人员正在探索将3D XPoint用作内存计算加速器的可能性,直接在存储单元中执行矩阵向量乘法等操作,这可能会彻底改变传统计算架构-10


随着层数突破332层的3D NAND芯片逐渐普及-7,存储市场正在向两个方向分化:一边是追求极致性价比的海量存储,另一边是瞄准高性能计算的速度革命。

技术的演进不会停止,3D XPoint与3D NAND或许最终将找到各自的最佳应用场景,共同支撑起从边缘设备到超大规模数据中心的整个数字世界存储需求。

未来可能出现的新型存储技术,如ReRAM和忆阻器,正等待在实验室中突破量产的瓶颈-9

网友问题与回答

问题一:作为一个普通用户,我该如何在3D XPoint和3D NAND之间做选择?

嘿朋友,这个问题问得很实在!咱们普通用户选存储产品,说到底就是看需求和预算。让我给你掰扯掰扯。

如果你就是日常用用电脑,存点照片文档,偶尔玩个游戏,那基于3D NAND的固态硬盘(SSD)绝对是性价比之选。现在市场上绝大部分SSD都是3D NAND技术的,价格亲民,速度也足够快。

举个实际例子,一个1TB的3D NAND SSD大概几百块就能拿下,而基于3D XPoint的产品价格可能要翻好几倍-6

但如果你是个专业用户,比如搞视频编辑、大型数据库处理或者高频交易这些对速度要求极高的活计,那3D XPoint的优势就体现出来了。它的延迟比NAND闪存低得多,耐用性也更强-9

不过说实话,现在消费级市场上基于3D XPoint的产品并不多,主要是英特尔傲腾内存系列,而且需要特定平台支持。

还有一点很关键,看看你的使用场景。3D XPoint在随机读写性能上特别出色,适合需要频繁存取小块数据的应用;而3D NAND在顺序读写大文件时表现更佳-1-9

就我个人建议,除非你有特别专业的需求,否则目前阶段选择主流品牌的3D NAND SSD就足够好了。等技术更成熟、价格更亲民时,再考虑3D XPoint也不迟。

问题二:3D XPoint和3D NAND在技术原理上到底有什么不同?

哎呦,这个问题问到点子上了!很多人搞不清楚这俩技术的本质区别,我来给你说道说道。

最核心的区别在于它们存储数据的方式完全不同。3D NAND是基于电荷的存储技术,通过往浮栅晶体管中注入或释放电荷来表示0和1。而3D XPoint则是通过改变材料的电阻来存储数据,具体来说是一种相变存储器(PCM)-10

你可以把3D NAND想象成一个个小水桶,有水代表1,没水代表0;而3D XPoint更像是可调节的电阻器,高电阻代表0,低电阻代表1。

另一个重要差异是存储单元结构。3D NAND需要晶体管来控制每个存储单元,而3D XPoint的存储单元不需要晶体管,这让它的结构更简单,密度更高,能达到DRAM的4倍密度-2

再说说制造工艺。3D NAND像是建高楼,先一层层往上堆,最后统一开窗户;而3D XPoint是每建一层就马上开好窗户,再建下一层-1。虽然3D XPoint的制造成本更高,但换来了更高的存储密度。

数据访问方式也大不相同。3D NAND必须按“块”或“页”来读写数据,就像看书必须整页整页地翻;而3D XPoint可以像RAM一样按字节寻址,想读哪个字节就读哪个-1-9

这种差异直接影响到了性能表现和控制器设计的复杂度。

问题三:从长远来看,3D XPoint会不会完全取代3D NAND?

这个问题特别有意思,业界也一直在讨论。我的看法是——不会完全取代,而是各司其职,长期共存

咱们先看看价格因素。目前3D XPoint的成本大约是DRAM的一半,但比NAND闪存贵4到5倍-6。除非有革命性的制造突破,否则这种价格差距很难在短期内弥合。对于需要海量存储的应用来说,成本永远是首要考虑因素。

应用场景也不同。3D XPoint定位很明确,就是填补DRAM和NAND之间的性能鸿沟-2。它在数据中心、高性能计算这些对延迟极其敏感的领域特别有优势。而3D NAND则继续主导消费电子、移动设备等对成本敏感的大众市场。

技术上也在各自演进。3D NAND通过不断增加堆叠层数来提高密度和降低成本,像Kioxia和Sandisk已经推出了332层的3D NAND技术-7

而3D XPoint则可能向多层单元设计发展,就像NAND领域从SLC到MLC、TLC的演进一样-1

市场需求也在分化。随着人工智能、物联网、自动驾驶等新技术的发展,不同的应用对存储提出了截然不同的要求。有的需要超大容量,有的需要超低延迟,有的需要超高耐用性。

这种多样性决定了存储市场会越来越细分,而不是统一到单一技术上。

所以啊,别想着谁替代谁,它们更像是存储生态系统的不同组成部分,各自满足不同层次的需求。未来可能会有更多新型存储技术加入这个大家庭,让整个存储体系更加丰富多彩。