Андрей Смирнов
Время чтения: ~19 мин.
Просмотров: 1

3d xpoint

If the 3D Xpoint is so fast, why not just use it to replace RAM altogether?

RAM’s speed advantage over traditional storage has long made it the chip of choice to funnel data directly into processors.

However, because it is relatively expensive to produce, computer makers tend to restrict how much they include.

Each megabyte of 3D Xpoint will certainly be significantly cheaper than the equivalent amount of RAM. And the new technology has the added advantage of being non-volatile, meaning it does not «forget» information when the power is switched off.

But, unfortunately it is still not quite as fast as RAM, and some — but not all — applications need the extra speed the older tech provides.

Image caption

Online video game companies may wish to substitute 3D Xpoint for Ram in their computer servers

Оценки производительности

В начале 2016 года IM Flash заявила, что первое поколение твердотельных накопителей достигнет 95 тысяч операций ввода-вывода в секунду и с задержками порядка 9 микросекунд. На форум Intel для разработчиков в 2016 году были продемонстрированы PCIe-накопители объёмом 140 ГБ, показавшие двух-трёхкратное улучшение показателей по сравнению с твердотельными накопителями NVMe на NAND.

В середине 2016 года Intel заявляла, что по сравнению с флэш-памятью NAND новая технология имеет в 10 раз меньшие задержки операций, в 3 раза более высокий ресурс по перезаписи, в 4 раза большее количество операций записи в секунду, в 3 раза большее количество операций чтения в секунду, используя при этом около 30 % от энергопотребления флэш-памяти.

В октябре 2016 года вице-президент подразделения решений для хранения данных Micron заявил, что «3D Xpoint будет примерно в два раза дешевле DRAM, и четыре-пять раз дороже, чем флэш-память NAND» (при равном объёме), но ниже, чем у DRAM.

Независимые тесты первых вышедших NVMe-устройств на 3D XPoint (Intel Optane Memory) на применимость их как блочных устройств на характерных для индивидуальных пользователей нагрузках не продемонстрировали какого-либо заметного преимущества в сравнении с NVMe-накопителями на базе NAND, а с учётом их высокой цены — и конкурентоспособности, с этим же связывают фокус Intel и Micron на продвижение этого типа памяти на корпоративный, а не потребительский рынок.

Характеристики

Предупреждения
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ Данный накопитель не предназначен для использования в серверах. Серверные Optane называются DC P4800X.SSD для серверов в НИКСе тоже есть
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ2 Накопитель под нагрузкой сильно нагревается. Необходимо продуманное охлаждение системного блока.
Основные характеристики
Кодовое название Mansion Beach
Производитель Intel
Серия Optane 900P
Модель SSDPED1D280GASXнайти похожий SSD
Тип оборудования SSD для геймеров
Емкость накопителя 280 Гб
Отличительные особенности
Background Garbage Collection Не требуется благодаря новой архитектуре памяти Intel Optane
Поддержка TRIM Не требуется благодаря новой архитектуре памяти Intel Optane
Шифрование данных AES 256 бит
Надежность
Ресурс SSD 5233 TBW
Ресурс DWPD 10 перезаписей всего объема накопителя в день (DWPD — Drive Writes Per Day) в течение 5 лет
Для сервера баз данных Не подходит
Для веб-сервера или файлового сервера Не подходит
MTBF 1.6 млн. часов
Максимальные перегрузки 50G длительностью 11 мс при работе и в выключенном состоянии
Интерфейс подключения к ПК
Поддержка NVMe Есть
Интерфейс SSD PCI-Express 4x rev. 3.0 (PCIe)
Пропускная способность интерфейса 8 Гб/сек
Конфигурация
Контроллер Intel EAU01D76 SLL3D — данные из неофициальных источников
Тип чипов 3D XPoint
Техпроцесс 20 нм
Параметры производительности
Скорость чтения До 2500 Мб/сек
Скорость записи До 2000 Мб/сек
IOmeter, скорость записи 4Кб файлов, глубина очереди=32 500000 IOPS
Формат
Формат накопителя AIC (add-in-card) Half Height Half Length (HHHL)
Совместимость
Рабочая температура 0 ~ 70 °C
Комплект поставки и опции
Комплект поставки Низкопрофильная планкакомплект №1
ПО в комплекте Игра Star Citizen и эксклюзивный космический корабль Sabre Raven
Прочие характеристики
Потребление энергии 14 Вт в режиме Active, 5 Вт в режиме Idle
Логистика
Размеры (ширина x высота x глубина) 168 x 69 x 19 мм (PCI-Ex)
Вес 230 грамм
Размеры упаковки (измерено в НИКСе) 28.26 x 17.79 x 5.02 см
Вес брутто (измерено в НИКСе) 0.693 кг

Sounds great, so is flash storage going to become obsolete?

Intel suggests not.

Solid state drives — and even slower hard disks — will remain significantly cheaper than 3D XPoint for some time to come, so it makes sense to continue using them to store most files.

The suggestion is the new technology will normally be used instead as an intermediary step.

Rather than copy data directly from the slower types of storage into RAM, programs will anticipate what data is likely to be needed and then transfer it in advance to the 3D XPoint.

As a metaphor, imagine a furniture retailer keeps most of its goods in a distant hub that is cheap to run but has slow road links.

It would make sense for it to build a second smaller depot on land that is more expensive but has motorway access, where it could store a selection of its most in-demand items. As a result, it should take less time to restock stores with bestselling goods.

Image caption

DRAM chips are still faster than 3D Xpoint, but the difference is much smaller than when compared with flash

History

Development

Development of 3D XPoint began around 2012. Intel and Micron had developed other non-volatile phase-change memory (PCM) technologies previously;Mark Durcan of Micron said 3D XPoint architecture differs from previous offerings of PCM, and uses chalcogenide materials for both selector and storage parts of memory cell that are faster and more stable than traditional PCM materials like GST. But today, it is thought of as a subset of ReRAM.

3D XPoint has been stated to use electrical resistance and to be bit addressable. Similarities to the resistive random-access memory under development by Crossbar Inc. have been noted, but 3D XPoint uses different storage physics. Specifically, transistors are replaced by threshold switches as selectors in the memory cells. 3D XPoint developers indicate that it is based on changes in resistance of the bulk material. Intel CEO Brian Krzanich responded to ongoing questions on the XPoint material that the switching was based on «bulk material properties». Intel has stated that 3D XPoint does not use a phase-change or memristor technology, although this is disputed by independent reviewers.

Media reports comment that as of April 2016, no other supplier had developed a working resistive RAM or phase-change memory technology that was sampling and matched 3D XPoint’s performance and endurance.

Initial production

In mid 2015, Intel announced the Optane brand for storage products based on 3D XPoint technology. Micron (using the QuantX brand) estimated the memory to be sold for about half the price of dynamic random-access memory (DRAM), but four to five times the price of flash memory. Initially, a wafer fabrication facility in Lehi, Utah, operated by IM Flash Technologies LLC (an Intel-Micron joint venture) made small quantities of 128 Gbit chips in 2015. They stack two 64 Gbit planes. In early 2016 mass production of the chips was expected in 12 to 18 months.

In early 2016 IM Flash announced that the first generation of solid-state drives would achieve 95000 IOPS throughput with 9 microsecond latency. This low latency significantly increases IOPS at low queue depths for random operations. At Intel Developer Forum 2016, Intel demonstrated PCI Express (PCIe) 140GB development boards showing 2.4–3× improvement in benchmarks compared to PCIe NAND flash solid-state drives (SSDs). On March 19, 2017, Intel announced their first product: a PCIe card available in the second half of 2017.

Reception

Optane 900p sequential mixed read-write performance, compared to a wide range of well reputed consumer SSDs. The graph shows how traditional SSD’s performance drops sharply to around 500–700 MB/s for all but nearly-pure read and write tasks, whereas the 3D XPoint device is unaffected and consistently produces around 2200–2400 MB/s throughput in the same test. Credit: Tom’s Hardware.

Despite the initial lukewarm reception when first released, 3D XPoint – particularly in the form of Intel’s Optane range – has been highly acclaimed and widely recommended for tasks where its specific features are of value, with reviewers such as Storage Review concluding in August 2018 that for low-latency workloads, 3D XPoint was producing 500,000 4K sustained IOPS for both reads and writes, with 3–15 microsecond latencies, and that at present «there is currently nothing that comes close», while Tom’s Hardware described the Optane 900p in December 2017 as being like a «mythical creature» that must be seen to be believed, and which doubled the speed of the best previous consumer devices. ServeTheHome concluded in 2017 that in read, write and mixed tests, Optane SSDs were consistently around 2.5× as fast as the best Intel datacentre SSDs which had preceded them, the P3700 NVMe.AnandTech noted that consumer Optane based SSDs were similar in performance to the best non-3D-XPoint SSDs for large transfers, with both being «blown away» by the large transfer performance of enterprise Optane SSDs.

Примечания

  1. , Intel
  2. ↑ Clarke, Peter (28 July 2015),
  3. Intel и Numonyx представили 64 Гбит стекируемые чипы PCM в 2009: McGrath, Dylan (28 Oct 2009),
  4. Clarke, Peter (31 July 2015),
  5. Neale, Ron (14 Aug 2015),
  6. Hruska, Joel . ExtremeTech (29 July 2015).
  7. Clarke, Peter (28 July 2015),
  8. Merrick, Rick, , с. 2
  9. Mellor, Chris . The Register (28 July 2015). — «An Intel spokesperson categorically denied that it was a phase-change memory process or a memristor technology. Spin-transfer torque was also dismissed».
  10. . Дата обращения 8 октября 2016.
  11. Smith, Ryan (18 August 2015),
  12. ↑ Merrick, Rick (14 Jan 2016),
  13. Smith, Ryan (18 Aug 2015),

  14. Demerjian, Charlie . semiaccurate.com (Sep 12, 2016). Дата обращения 15 ноября 2016.
  15. . Дата обращения 14 октября 2016.
  16. Антон Тестов. . 3dnews (23.11.2015). Дата обращения 15 ноября 2016.
  17. Evangelho, Jason (28 July 2015). — «Intel’s Rob Crooke explained, ‘You could put the cost somewhere between NAND and DRAM.’».
  18. Андрей Кожемяко. . iXBT.com (24 июля 2017). Дата обращения 3 августа 2017.

Тест производительности

тут

  • Процессор Intel Core 7-го поколения или новее
  • Чипсет Intel 200 Series или новее (полный список тут)
  • BIOS, в который интегрирован UEFI-драйвер RST версии 15.5 или новее (15.7 для серии чипсетов X299). Да, legacy-режим БИОСа не поддерживается – для Optane Memory обязательна загрузка в режиме UEFI
  • Windows 10 64-bit
  • Драйвер Intel Rapid Storage Technology 15.5 или новее
  • Загрузочный SATA-накопитель (именно его будет ускорять Optane Memory). Поддерживается только разметка GPT.
  • 5МБ свободного пространства в конце SATA-накопителя – это нужно для метаданных RST
  1. Убеждаемся, что BIOS материнской платы поддерживает Optane (см. выше; сейчас все “Optane Memory Ready” платы на 200 сериях чипсетов отгружаются с БИОСом, который поддерживает Optane Memory, однако на рынке еще можно найти платы из предыдущих партий – на них потребуется обновить БИОС).
    И да, Intel провел громадную работу с производителями плат – все платы, которые поддерживают Optane Memory, имеют на коробке вот такой шильдик:
  2. Берется система с SATA-накопителем, на который установлена Windows 10 64-bit (накопитель должен быть подключен SATA-порту, разведенному от Intel AHCI контроллера в чипсете, иначе RST его не увидит), разметка должна быть GPT.
  3. Подключается модуль Optane Memory (накопитель должен быть вставлен в M.2 слот с разведенными линиями PCIe от чипсета, поддерживающий «ремаппинг» линий PCIe на Intel AHCI контроллер, встроенный в чипсет).
  4. Скачивается утилита отсюда (можно выбрать стандартную утилиту RST, которая позволит управлять как конфигурациями с Optane Memory, так и обычными массивами RST, или упрощенную версию утилиты, которая позволяет только включать и выключать конфигурации Optane Memory и смотреть статистику).
  5. Устанавливается утилита, она же автоматически меняет SATA режим в БИОСе на режим RST/Optane (на это требуется одна перезагрузка системы), она же включает ускорение с помощью Optane Memory (на это требуется вторая перезагрузка системы). В результате вместо 2 дисковых устройств система будет видеть только одно – т.н. Optane Volume.
  6. PROFIT! А именно:
    • Более быстрая загрузка операционной системы;
    • Ускорение большинства операций ввода-вывода (по сути – кэширование, однако достаточно умными алгоритмами).

Why do we need faster storage? The flash storage in my smartphone and PC seems more than fast enough to view and record the photos and videos I want.

Because there are other situations where using today’s storage slows things down or introduces constraints.

So-called «big data» tasks are a particular issue.

For example, efforts to sequence and analyse our genes/DNA hold the potential for new and personalised medical treatments.

But copying the huge amounts of information involved backwards and forwards makes this an extremely time-intensive activity at present.

Faster storage would also help cloud services better handle big files.

That could be helpful in the future, for example, if we wanted to stream 8K ultra-high definition video clips without experiencing lags at their start.

Image caption

Modern consoles have 8GB of RAM, helping games developers create large levels, but 3D Xpoint could give them further freedom

And it would also prove a boon to video game-makers.

At present, level designs are limited by how much data can be stored in the RAM — or, strictly, a type of RAM chip called dynamic RAM (DRAM).

That’s why players sometimes have to halt their play while they wait for the machine to load a new section.

But if the data can be loaded more quickly from 3D XPoint, the developers should, in theory, be able to deliver them bigger, open worlds and a more seamless experience.

Image caption

3D Xpoint is a type of «persistent memory» — meaning it retains data stored on it when the power is switched off, unlike RAM

So, is there ever an advantage to using 3D Xpoint instead of, rather than in addition to, RAM or flash?

Online gaming companies might want to substitute 3D Xpoint for RAM.

At present, the amount of players that can be hosted on a single server is limited by the amount of RAM it contains.

Switching to 3D Xpoint would cause only a small — and possibly unnoticeable — difference to the performance of many of the simpler titles. But it would radically increase the number of people that could be supported for the same price.

One instance when you might want to use the new chips instead of flash would be to store operating system files that are required every time you boot up your machine.

Image caption

Intel and Micron spent more than a decade researching 3D Xpoint before it was ready to go into production

Many users have already experienced faster switch-on times on new computers thanks to such files being kept on SSDs rather than disk drives. A similar performance leap would be experienced by adopting 3D Xpoint.

«It would make for an instant-on experience,» says Intel’s marketing director Greg Matson.

Технология

Разработка 3D Xpoint началась примерно в 2012 году. Ранее Intel и Micron уже занимались совместной разработкой других типов энергонезависимой памяти на фазовых переходах (PCM); по сообщениям сотрудника Micron, архитектура 3D Xpoint отличается от предыдущих вариантов реализации PCM-памяти и использует халькогенидные материалы как для селектора, так и для хранения данных в ячейках памяти. Такие материалы быстрее и более стабильны, чем традиционные для PCM материалы, например, как GeSbTe (GST).

В 2015 году отмечалось, что технология «не основана на электронах», а также что используется изменение электрического сопротивления материалов и возможна побитовая адресация. Отмечалось также некоторое сходство с резистивной памятью произвольного доступа, разрабатываемой компанией , но использование при этом других физических принципов для хранения информации. Генеральный директор Intel Брайан Кржанич, отвечая на вопросы о материалах XPoint, уточнил, что переключение основано на «объёмных свойствах материала» (англ. bulk material properties). Также заявлялось, что 3D Xpoint не использует изменение фазового состояния материала или технологии «мемристоров».

По данным СМИ, другие компании не представили рабочих вариантов резистивной памяти или памяти на изменении фазовых состояний, которые бы достигли такого же уровня производительности и надёжности, как XPoint.

Отдельные ячейки памяти в XPoint адресуются при помощи селектора, и для доступа к ним не требуется транзистор (как в технологиях NAND и DRAM), что позволяет уменьшить площадь ячейки и увеличить плотность их размещения на кристалле.

TechInsights сообщает об использовании PCM-памяти на базе GST и селектора на базе As+GST (ovonic threshold switch, OTS)

Сравнение производительности и результаты тестов

Чтобы помочь вам сделать осознанный выбор, SSD диск был протестирован в Компьютерном Супермаркете НИКС 21-02-2018. Результаты тестирования наглядно отображены в диаграмме и двух таблицах.

За диаграммой следует таблица с аналогичными показателями для 10 товаров-чемпионов в своей категории, в виде рейтинга ТОП10.

По этой таблице легко определить место SSD диска в общей «табели о рангах», а также оценить, насколько дорого будет попытаться повысить производительность. Выбранный товар также выделен красной строкой.

Последняя табличка — просто список результатов тестов. Из них подсчитывается процентный рейтинг, который использовался в двух первых отчетах. Кликнув на название теста, можно перейти к сводной таблице с показателями всех товаров категории, в том числе и отсутствующих на складе в данный момент.

Для сравнений используются только товары, которые сейчас есть в наличии.

Если вы решили подойти к выбору нового оборудования всерьез и со всей ответственностью, неоценимую помощь окажет полный рейтинг , включающий результаты тестирования отсутствующих сейчас на складе товаров.

процент от максимально зарегистрированных результатов по всем тестам

SSD 280 Gb PCI-Ex4 Intel Optane 900P Series <SSDPED1D280GASX> 3D XPoint
от 31 318 руб.
73.50%
#НаименованиеРейтинг производительностиЦена (руб.)
1 SSD 480 Gb PCI-Ex4 Intel Optane 900P Series <SSDPED1D480GAX1> 3D Xpoint 75.20% от 53 001 руб.
2 SSD 2 Tb M.2 2280 M Samsung 970 EVO Plus <MZ-V7S2T0BW> (RTL) V-NAND 3bit-MLC 74.40% от 36 599 руб.
3 SSD 280 Gb PCI-Ex4 Intel Optane 900P Series <SSDPED1D280GASX> 3D XPoint 73.50% от 31 318 руб.
4 SSD 512 Gb M.2 2280 M Samsung 970 PRO Series <MZ-V7P512BW> (RTL) V-NAND MLC 70.20% от 13 249 руб.
5 SSD 1 Tb M.2 2280 M Samsung 970 PRO Series <MZ-V7P1T0BW> (RTL) V-NAND MLC 69.70% от 25 310 руб.
6 SSD 1 Tb M.2 2280 M Patriot Viper <VPN100-1TBM28H> 3D TLC 63.90% от 14 801 руб.
7 SSD 1 Tb M.2 2280 M Samsung 970 EVO Plus <MZ-V7S1T0BW> (RTL) V-NAND 3bit-MLC 63.70% от 17 985 руб.
8 SSD 512 Gb M.2 2280 M ADATA XPG GAMMIX S11 Pro <AGAMMIXS11P-512GT-C> 3D TLC 62.20% от 7 254 руб.
9 SSD 1 Tb M.2 2280 M Silicon Power <SP001TBP34A80M28> 3D TLC 61.80% от 13 248 руб.

So, what’s the big advantage over flash memory?

3D XPoint does away with the need to use the transistors at the heart of Nand chips.

Nand works by moving electrons back and forth to an isolated part of the transistors known as their «floating gates» to represent the ones and zeros of binary code.

An issue with this technique is that it cannot rewrite single bits of data at a time. Instead, larger blocks of information have to be wiped and then rewritten to incorporate the changes.

«It’s kind of like a parking lot where you want to move one of the cars, but they are all jammed in,» Intel executive Rob Crooke says.

«So, you have to shuffle them all around to get one new one in there.»

By contrast, 3D XPoint works by changing the properties of the material that makes up its memory cells to either having a high resistance to electricity to represent a one or a low resistance to represent a zero.

The advantage is that each memory cell can be addressed individually, radically speeding things up.

An added benefit is that it should last hundreds of times longer than Nand before becoming unreliable.

Image caption

Solid state drives are up to 1,000 slower than 3D Xpoint, but are cheaper to buy

OK. Let’s go back to basics — why does it have that weird name?

It refers to the fact the technology is made up of a 3D structure featuring layers of wires.

On each layer, the wires run in parallel to each other, but at right-angles to those on the layer below.

In between each layer are vertical sub-microscopic columns, which connect the points at which the wires criss-cross.

Each of these columns contains:

  • a «memory cell», which can store a single bit of data. This represents either a one or a zero in binary code
  • a «selector», which allows a specific memory cell to be read or rewritten. Access is controlled by varying the amount of voltage it receives via the wires

Принцип работы

  • Если при включенном ускорении системы с помощью RST драйвера и Optane Memory необходимо подключить SATA-накопитель к другой системе, то нужно либо переносить всю конфигурацию (SATA-устройство + Optane Memory, при этом надо убедиться, что новая система поддерживает Optane Memory), либо предварительно выключить ускорение (это делается нажатием одной кнопки в утилите – при этом в момент выключения данные из кэша перенесутся на SATA-устройство, метаданные RST будут удалены, устройство Optane Memory будет очищено).
  • Клонирование диска не сработает при включенном ускорении с Optane Memory, т.к. ни одна утилита не сможет работать с метаданными RST. Прямого клонирования раздела с метаданными будет недостаточно – дело в том, что метаданные привязаны к серийным номерам Optane Memory и SATA-устройства. С бэкапами на уровне файловой системы сложностей нет.

Compatibility

Intel

Intel distinguishes between «Intel Optane Memory» and «Intel Optane SSDs». As a memory component, Optane requires specific chipset and CPU support. As an ordinary SSD, Optane is broadly compatible with a very wide range of systems, and its main requirements are much like any other SSD – ability to be plugged into the hardware, operating system, BIOS/UEFI and driver support for NVMe, and adequate cooling.

  • As a standards-based NVMe-PCIe SSD: Optane devices can be used as the storage element of an ordinary solid-state drive (SSD), typically in M.2 card format, NVMe PCI Express format, or U.2 standalone format. When Optane is used as an ordinary SSD (in any of these formats), its compatibility requirements are the same as for any traditional SSD. Therefore compatibility depends only upon whether the hardware, operating system and drivers can support NVMe and similar SSDs. Optane SSDs are therefore compatible with a wide range of older and newer chipsets and CPUs (including non-Intel chipsets and CPUs).
  • As a memory or on-board acceleration device: Optane devices can also be used as NVDIMM (non volatile main memory) or for certain kinds of caching or accelerating roles, but unlike general SSD roles, this requires newer hardware, since the chipset and motherboard must be designed to work specifically with Optane in those roles.

Micron

Micron offers NVMe AIC SSD drives (QuantX X100) which maintain compatibility with NVMe capable systems. Native support as an acceleration device is not supported (although tiered storage can be used).

Технология 3D XPoint

В отличие от NAND, нет привязки операций записи к страницам и привязки операций стирания к блокам. C 3D XPoint обращаться к данным на физическом уровне мы можем на уровне отдельной ячейки. Кроме того, нам не нужно удалять данные перед операцией записи – мы можем перезаписывать данные, что позволяет избавиться от операций read-modify-write и сильно упростить сборку мусора. Это приводит к уменьшению задержкек доступа (latency) и росту количества выполняемых операций ввода-вывода за секунду (IOPS); в дополнение к этому, операции записи выполняются почти так же быстро, как и операции чтения. Наконец, износостойкость (endurance) памяти 3D XPoint сильно выше по сравнению с NAND (такой эффект, как утечка электронов из ячеек, здесь не существует). Подводя итог, 3D XPoint быстрее и обладает большей износостойкостью по сравнению с NAND. Однако, было бы несправедливо не отметить недостаток 3D XPoint – это стоимость производства, которая на данный момент ощутимо выше по сравнению со стоимостью производства 3D NAND.
В отличие от DRAM, 3D XPoint позволяет создавать устройства с большей плотностью хранения данных, является энергонезависимым типом памяти и, при этом, дешевле

Из недостатков в данном сравнении – 3D XPoint как технология реализации памяти несколько медленнее, чем DRAM (обратите внимание, сравниваем технологии, а не продукты на базе этих технологий).

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации