存储新革命3D XPoint初解析
性能鸿沟：PC架构的问题
说完了DRAM和NAND各自存在的问题，另一个问题也逐渐浮现出来，那就是DRAM和NAND作为目前新的两级存储系统，中间的性能鸿沟依旧存在。所谓性能鸿沟，就是上下两级系统存在较大的性能差距，使得级次缓存的设计方案很难体现出佳的效果。在之前的文章中，本刊曾经提到过DRAM和HDD之间的性能鸿沟堪称天堑；在NAND和DRAM上，这个鸿沟只是略有缩小而已，本质上的变化并不明显。举例来说，NAND设备目前的快速度差不多在2GB/s～3GB/s，处理器的内存带宽已经突破50GB/s大关，两者之间差了一个数量级。在延迟上，DRAM只有十几纳秒，相比NAND的约一百微秒，快了好多个数量级。
实际上，内存和外部存储之间的性能差距过大，已经成为影响用户体验继续提升的瓶颈。说起来CPU性能10年来提升了好几倍，但你并没有感觉到电脑的速度快了好几倍。所以研究机构一直在提出很多解决方案，试图解决这个鸿沟，比如相变存储器、赛道存储器、全新的高速磁存储设备等。但这些技术不是还深藏在实验室中，就是刚在于PPT上公诸于众。到了去年，作为存储业界的领军企业之一的英特尔和美光，终于将其中一种全新的存储技术推向了前台，这种技术同时拥有高性能和非易失性两种特性，这就是今天的主角：3D XPoint！
NAND工作原理图，绝缘浮置栅极是其存储数据的核心。
3D XPoint的结构示意图
3D XPoint的原理——“电阻存储器”
首先，我们还是来看看3D XPoint的原理。
我们知道，目前的所有IT设备都使用的是二进制。二进制中只有0和1两个数字。对存储器而言，要存储数据，就需要想办法呈现两种差异较大的、可探测的状态，其中一种代表0，另一种代表1。其实算来算去，目前人类掌握的物理特性中，能够方便表现不同状态的物理量一只手都可以数过来，无非就是电流、电压、电阻、磁极等几种，至于其他的物理量，目前暂时还没什么看到投入实际使用的可能。
举例来说，NAND里面有一个“小空间”被称为绝缘浮置栅极，不同数据状态就通过检测绝缘浮置栅极中的电压来确定。比如0就是高电压、1就是低电压。随后人们发现，如果电压差拉得比较大的话，还可以存在00高电压、01较高电压、10较低电压、11低电压四种状态，这就是MLC。随后还可以做出八种状态，被称为TLC。
言归正传，那么3D XPoint是应用了什么物理特性呢？目前英特尔和美光对此闭口不谈，资料更是匮乏。一些不具名的介绍资料显示，3D XPoint使用的标记数据状态的物理值不是业内常用的电压、也不是电流，更不是目前还在实验室内的磁极，而是电阻。
从英特尔给出的一些图片来看，3D XPoint的基本单元结构和目前的存储芯片非常相似，都拥有完整的字线和位线，数据存储在交叉叠起的字线和位线之间。字线或者位线之间存在的特定电压差，能够改变一种特殊材料的电阻。电阻改变后，数据就被标识为1，反之则为0。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。
Tips：猜测——3D XPoint的根本原理
上文仅仅使用了约不到200字就介绍了3D XPoint的基本工作原理。看起来似乎很简单。但实际情况远远比上文描述的复杂。尤其是特殊的电压差和特定的材料，目前尚没有第三家厂商掌握其中的原理。本文下面的内容是综合业内人士的一些资料，给予猜测性质的介绍。
首先重要的是，先来确定英特尔和美光是如何改变一种材料的电阻值的。目前可以改变电阻值的方法其实并不多，一种是物理方法，改变材料内部晶体结构形态分布；另一种可以被称作“化学方法”，也就是改变材料属性，比如电子结构。
先来看物理方法。物理方法目前有名的就是相变存储器，包括IBM、英特尔、三星等厂商都在相变存储器上投入了不少的精力。但是迄今为止，相变存储器无论是数据密度、成本还是工艺难度、性能等诸多方面都没有得到突破。英特尔在3D Xpoint的相关会议上也否认了使用相变材料的可能。因此，3D Xpoint肯定不是使用相变材料。
高通曾推出过磁存储芯片，不过技术不成熟。
金属原子的电子自旋特性可以用于制造存储器。
导电桥技术可能是3D XPoint核心技术原理。
接下来就是所谓“化学方法”了。目前“化学方法”也分为很多种。我们简要根据原理一一介绍如下：
1.利用金属原子存在的低自旋和高自旋两种不同的状态之间的电阻差异。
根据泡利不相容原理，在费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态，也就是不能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数。那么对某些元素（比如二价铁）来说，基态（低自旋态）时候S=0，高自旋态时S=2。基态和高自旋态存在电阻差异，可以通过外界刺激转换，也就可以用于表征数据状态。
这种方法的问题在于，如何精确地控制金属原子的不同状态。这里需要一种特殊的材料在有限的刺激下实现快速的、可控的状态转换，同时不受其他刺激影响。考虑到类似材料特性会受到温度的影响，再加上制造和生产上的难度（不同材料的结合等），显然短期内很难搞定这样的材料。
2.调整材料磁性布局来改变电阻。
自旋转矩也就是STT（Spin Transfer Torque），被称作是GMR之后重要的发明。简单来说，这种效应的特点是当自旋极化电流通过磁性材料时，磁性薄膜磁化矢量会发生改变（比如极化电流通过一层厚磁性材料时，材料立刻可以出现极化特征）。对应到材料上来说，如果可以控制材料的磁性布局，那么电阻就可能发生变化，从而表征数据状态。
这种方法目前的问题在于制造障碍和工艺瓶颈，因为如何控制如此多的磁体聚集在一起并且保持状态稳定是很困难的，之前业内只有高通和Everspin尝试过类似技术。英特尔则表示，3D XPoint和磁性技术无关。
3.通过可编程金属化单元改变电阻。
本文也不卖关子了，根据资料显示，通过可编程金属化单元改变电阻是有可能成为3D XPoint的核心原理的技术。这项技术又被称为导电桥技术，其原理是通过物理变化阻碍电子运动，从而实现电阻的变化。简单来说，有一种电解质材料存在于活性电极和惰性电极之间，只要施加一定方向的电压，那么电解质材料立刻开始析出金属原子，从而降低两极之间的电阻，反之，则重新氧化为高电阻物质。
这项技术的核心问题在于材料。一般来说，很难有使用这种材料的结构，能保持多次电解、氧化后具有稳定的性能，要么可能影响寿命、要么可能存在工艺上的问题。但无论如何，根据镁光的暗示，3D XPoint可能就是采用了这样的方案，相关研究的开始时间甚至早于2002年，直到今天才开始逐渐成熟。
实际上，上述三种方案都有可能成为未来新存储设备的技术。尤其是美光在2015年的技术展示中，暗示了基于自旋矩阵效应制造的存储器产品，同时也展给出了导电桥技术的截面图。未来究竟应该如何发展，还得看技术进一步向前迈进了。
