3D XPoint

3D Xpoint会成为美光的救命稻草吗？

2017-01-04 半导体行业观察

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众所周知，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，于是从早几年开始，这个美国存储的仅存硕果之一就和Intel一起开发3D Xpoint技术。这种新型的存储技术将会在未来给Intel和美光带来新的成长激励。 尤其是对美光来说，在现状和未来的表现都不够好的环境下，这似乎是美光的最后救命稻草。

回顾存储的发展历程。3D Xpoint是自NAND Flash推出以来，最具突破性的一项存储技术。由于具备以下四点优势，3D Xpoint被看做是存储产业的一个颠覆者：

（1）比NAND Flash快1000倍；

（2）成本只有DRAM的一半；

（3）使用寿命是NAND的1000倍；

（4）密度是传统存储的10倍；

而得益于这些优势，3D Xpoint能被广泛应用在游戏、媒体制作、基因组测序、金融服务交易和个体化治疗等领域。以上只是3D Xpoint的一些应用示例。但从以上介绍，我们可以看出，3D Xpoint未来的应用非常有潜力。

Source：techreport

从美光的公告我们可以看出，2017年，他们将会从3D Xpoint上获得收益。但美光并没有详细说明会从3D Xpoint上获得多少收益，美光同样没有介绍未来将会有哪些客户使用这个新技术。就我所看，2017年，美光从3D Xpoint上获取的收益并不会太多，但可预期的是，未来数年，美光能从其身上获得更大的成长驱动力。

英特尔与美光双方宣称，3D XPoint能够提供千倍于当前NAND产品的使用寿命水平。假设这里的参考对象为现代（15纳米至20纳米）MLC NAND，那么其使用寿命将达到数百万次全盘写入; 不过在市场营销材料当中，我们看到相关产品的写入次数可以达到数千万次。如果我们假定其全盘写入次数为300万次（即1000倍于现代MLC闪存），那么一块基于3D XPoint技术的256 GB驱动器将能够提供总计高达768 PB的数据写入能力。这相当于五年内每天写入420 TB数据，或者每秒写入4.9 GB数据。对于目前依赖于NAND技术的存储设备而言，3D XPoint将消除任何可能出现的使用寿命问题——不过相对于耐久性几乎无限的DRAM来说，3D XPoint仍然要略逊一筹。企业最终是否会利用3D XPoint取代DRAM还是要取决于实际应用情况，特别是对于那些要求使用DRAM的企业级工作负载来说更是如此。

3D XPoint的延迟水平在10纳秒级别，但英特尔与美光双方并没有明确指出这一数字到底来自读取延迟还是写入延迟。从英特尔方面提供的图表来看，10纳秒级别应该是指读取延迟，因此NAND写入延迟的计量单位应该是毫秒（一般来讲，全页写入的延迟为1到2毫秒），而图表中列出的NAND延迟为数十微秒的说法与NAND的读取延迟相符。

写入延迟往往远高于此，再结合英特尔与美光双方作出的“速度可达NAND上千倍”的说明，那么我们猜测3D XPoint的写入延迟应该在100纳秒级别甚至是毫秒级别。不过更复杂的是，3D XPoint以bit为访问层级，而NAND以页为访问层级，因此在不考虑外界因素的前提下比较二者的延迟水平相当困难。无论如何，3D XPoint的性能表现应该更接近于DRAM而且优于NAND，不过考虑到英特尔与美光都没有就延迟给出明确参数，因此我们作出断言恐怕还为时尚早。

与此同时，与目前已经存在的大部分下一代内存技术不同，3D XPoint走得最远、而且已经不再单纯是纸面或者实验室环境下的理论产物。英特尔与美光目前已经开始制造第一代样品晶粒，负责代工的是双方的合资公司、位于犹他州的Lehi代工厂。其晶粒的存储容量为128 Gbit（即16 GB），相比之下各初创企业能够拿出的实际产品只有数十MB容量。该晶粒以20纳主制程工艺制成，其中包含两层，并可能会在未来随着光蚀刻尺寸的缩小通过增加层数进一步实现容量扩展。

这座犹他州代工厂目前正在生产20纳米NAND，因为英特尔方面尚未开始投资兴建16纳米生产线，而3D NAND生产线则将在美光的新加坡代工厂全面上线。不过我们尚不清楚后者每月20000块晶圆的生产能力是否将会被全部用于生产3D XPoint。根据我个人的猜测，3D XPoint将最终占据犹他州代工厂的整体晶圆产量，具体取决于市场对于这项新技术的反应以及英特尔与美光感受到的实际发展前景。3D XPoint在生产制造方面确实需要使用相当一部分新设备及整套新型材料供应体系，但英特尔与美光表示整个过渡与切换为新型NAND节点非常相似，而且仍有一部分现有设备能够继续进行使用。

两家公司并没有对每GB使用成本作出任何说明，不过由于3D XPoint的功能定位介于DRAM与NAND之间，因此其价格应该也会据此进行制定。NewEgg为DRAM统计出的每GB使用成本大约在5到6美元之间，而高端企业级SSD的每GB使用成本则为2到3美元。与此同时，消费级SSD的每GB使用成本最低可达0.35美元，但这样比较并不是特别公平，因为至少3D XPoint在刚刚面世时肯定只会针对企业级应用场景。根据我的个人猜测，第一款基于3D XPoint技术的产品每GB使用成本大约为4美元，并可能会考虑到未来一年中DRAM与NAND的价格下调而略微有所削减。

与此同时，美光还能从其他的新技术上获取增长。在上个季度，美光的计算和网络部门的增长同比增长了18%，而移动业务则增长了，嵌入式业务则成长了13%，存储业务同样也增加了13%。而这些成长归功于云计算、GPU更高图像运算能力带来的需求和强势的游戏主机销售带来的增长，另外在LPDRAM和移动NAND、家庭自动化、相机、汽车电子等领域带来的强需求，也是美光增长的原因。

业绩的提升似乎会给美光带来新的转变。

而该公司在工业方面的增长似乎会带来高达20%到25%的DRAM增长，同时NAND也会带来强势的增长。美光方面表示，到2017年，NAND的增长会高达30%到40%。不过，3D XPoint显然并不算是DRAM或者NAND的真正继任者，而英特尔与美光也并不打算为其设定这样的角色。DRAM将继续在高性能应用市场保持着延迟与使用寿命角度的王者地位。我们的早期成本分析也显示，3D XPoint还无法达到平面NAND、更遑论3D NAND的存储密度。不过由于具备横向与纵向伸展能力，相信3D XPoint终将有一天彻底取代3D NAND的历史地位。

展望更遥远的未来，3D XPoint并不是英特尔与美光拿出的惟一一席技术盛宴。如果一切按照计划顺利推进，那么我们应该会在未来两年内见识到双方打造的另一款新型内存技术方案。由于3D XPoint似乎更适合取代3D NAND，那么第二项新技术也许正是DRAM的致命克星。

总而言之， 3D XPoint在未来可能实现的应用场景是项重要的工作，因为这是一项前所未有的崭新技术。不夸张地讲，3D XPoint有可能给现代计算机体系结构及运作方式带来根本性转变——当然，这种转型不会在一夜之间发生，而且很可能还要面临其它厂商竞争技术带来的挑战。不过可以肯定的是，英特尔与美光双方已经在即将在明年拉开序幕的内存与计算新时代中占据了先发优势。

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