三、DRAM、NAND、3D XPoint在上文中提到,DRAM(内存)和NAND(硬盘)是比较常见的存储器技术,尽管二者已经诞生了几十年,但DRAM和NAND的基础性物理运作机制并没有发生太多改变,在技术层面都存在着一定局限。
● DRAM
DRAM(Dynamic Random Access Memory),即动态随机存取存储器,是最为常见的系统内存。由于DRAM只能将数据保持很短的时间,因此为了保持数据,DRAM所使用的电容存储必须隔一段时间刷新一次。
DRAM通过MOS管的栅电容上的电荷来存储信息,一旦掉电信息会全部的丢失,由于栅极会漏电,所以每隔一定的时间就需要一个刷新机构给这些栅电容补充电荷,并且每读出一次数据之后也需要补充电荷,这也是其被称为动态随机存储器的主要原因。
DRAM的特点是延迟低、寿命长。但核心问题是易失性,需要不停的供电,断电存储数据就会消失。
▲DRAM
● NAND
NAND(NAND Flash Memory)是一种非易失性存储技术,即断电后仍能保存数据。随着人们持续追求功耗更低、重量更轻和性能更佳的产品,NAND也在向着降低每比特存储成本、提高存储容量的目标发展。
NAND主要是利用浮置栅极上的电容存储电荷来保存信息,因为浮置栅不会漏电,所以断电后信息仍然可以保存。另外,它的结构相对简单,集成度较高,所以容量可以很大。
从寿命上来说,NAND是有平均读写次数的寿命的,即使是SLC NAND颗粒,其寿命也远远不及DRAM;同时受制于存储原理,NAND的延迟较高。
▲NAND
●再谈3D XPoint
我们在文章开始就说过,3D XPoint是一种非易失性存储技术,它将原本平面化的NAND闪存结构变成了立体结构。
在立体结构中,存储容量将不再单纯受芯片平面面积大小的影响,同样的芯片面积上可以容纳更大的数据吞吐量。同时,与NAND相比,3D XPoint拥有更加出色的性能和耐久,价格方面也处在DRAM和NAND之间。
另一方面,在生产工艺一定的前提下,单位面积里容纳的存储空间总是有限的,3D XPoint?通过立体闪存堆叠技术,让在单位空间内可以容纳下更大容量的存储空间。如果说每一个单位的NAND闪存就是一栋平房,那么3D XPoint可以说是直接在地基上建造的摩天大楼。
▲3D存储结构
除了立体化的存储结构,3D XPoint在立体化空间里排布也有所不同,它由选择器与内存单元共同构成,数据存储在交叉叠起的字线和位线之间,在字线与位线之间提供特定电压会激活单一选择器,使存储单元进行写入或者读取。
当数据需要读取时,字线和位线可以检测某个存储单位的电阻值,根据其电阻值来反馈数据存储情况。
▲交叉阵列结构
同时,3D XPoint是一项以电阻为基础的存储技术成果,其通过改变单元电阻水平来区分0与1。这与NAND通过以浮置栅极是否带电来表示1或0是极为不同的。
同时,NAND由block(块)构成,block的基本单元是page(页),NAND的page进行一次编程才能存储1bit数据,而且擦除操作要在block层级进行操作;
而在3D XPoint中,基础访问单位是bit,数据以bit的形式存储在Memory Cell中,一个Memory Cell可存储1bit数据,这样操作更加简单,搭配合理高效的选择器(Selector),可以带来更高的性能和更低的功耗水平。
▲Memory Cell和Selector
▲3D XPoint工作原理
3D XPoint可以说是自NAND推出以来最具突破性的一项存储技术,也被看作是存储产业的一个颠覆者。3D XPoint拥有与NAND类似的容量以及接近DRAM的性能。
与NAND相比,3D XPoint的速度更快,是NAND的1000倍左右,同时拥有更加持久的使用寿命;与DRAM相比,3D XPoint的成本只有DRAM的一半,存储密度却是传统存储的10倍;正是得益于这些优势,该技术可以广泛应用在游戏、媒体、金融等领域,未来具有广阔的应用前景。