Memoria 3D Xpoint

Marıa del Mar Sanchez

Universidad Catolica ”Nuestra Senora de la Asuncion”

Abstract. La memoria 3D Xpoint o 3D Crosspoint es una tecnologıamas rapida que la basada en puertas logicas NAND y mas densa que laDynamic Random Access Memory (DRAM). La misma fue desarrolladaen conjunto, por las empresas Intel y Micron y se encuentra actualementedisponible bajo el nombre de Intel Optane Memory para Intel y QuantXpara Micron. Intel Optane combina una memoria no volatil de la gen-eracion memoria 3D Xpoint con los controladores avanzados de memoriadel sistema de Intel, ademas de mejoras en la interfaz de hardware ysoftware para el aporte al mercado [1].La clave para esta tecnologıa es Intel Optane Technology, la cual es unatecnologıa completamente nueva y no basada en NAND, construido enuna arquitectura unica que permite a las celdas de memoria estar individ-ualmente direccionados en un diseno denso, apilable y sin transistores [2].

Key words: 3D Xpoint, DRAM, NAND, DIMM, SSD.

1 Introduccion

Las soluciones de memoria y almacenamiento siempre han estado limitadas porcapacidad, rendimiento o costo. Por ejemplo: DRAM es ideal para el proce-samiento de datos en memoria a altas velocidades, pero es costoso y limitadoen capacidad y escalabilidad. El almacenamiento basado en NAND, como lasunidades de estado solido (SSDs), ofrece una mayor capacidad y un menor costoen relacion con la DRAM, pero sin ofrecer los mismos niveles de rendimiento.Por ultimo, las unidades de disco duro (HDDs), son capaces de proporcionaralmacenamiento masivo a bajos costos, pero estos discos giratorios, traen prob-lemas relacionados con la confiabilidad, requisitos de espacio fısico, refrigeracion,etc [2].3D Xpoint se situa entre el espacio de la NAND flash y la DRAM, ofreciendomenor latencia que la NAND y mayor capacidad de almacenamiento en el mismoespacio fısico que la DRAM y sin el uso de transistores. [3].Puede almacenar los datos y programas comunmente mas utilizados, para queposteriormente el sistema sea capaz de acceder a la informacion de una maneramas eficaz, ademas de hacer posible que las tareas se completen rapidamente yreducir el tiempo de espera en comparacion a otros dispositivos que carecen deesta memoria. Entre otras ventajas, en terminos de velocidad y almacenamiento,se pueden mencionar el inicio o arranque del sistema, buscar y encontrar archivos,guardar y mover archivos de gran tamano, iniciar aplicaciones, entre otros [4].

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2 Flexibilidad en Memoria y Almacenamiento

Uno de los muchos beneficios que ofrece Intel Optane memory media es quepuede implementarse en una variedad de factores de forma que pueden conec-tarse al canal de memoria o al bus de almacenamiento para proporcionar unagama de soluciones de memoria y almacenamiento [2].Es diferente de las tradicionales NAND y DRAM, pero ofrece las caracterısticasde ambos.La clave de esta tecnologıa es la Intel Optane memory and storage media: unaarquitectura revolucionaria de memoria la cual apila cuadrıculas de memoria enuna matriz tridimensional, para mejorar la densidad, aumentar el rendimientoy proporcionar persistencia. [5]Esta arquitectura de medios permite a la tecnologıa Optane actuar como unaDRAM (direccionamiento de bytes, alta resistencia, etc) o como un almace-namiento tradicional (direccionamiento de bloque, persistencia), dependiendo delcaso de uso o configuracion del producto. Esa capacidad ofrece importantes ven-tajas de rendimiento en comparacion con las unidades tradicionales basadas enmedios NAND. Por ejemplo, debido a que la tecnologıa Optane permite accedery actualizar individualmente las celdas de memoria, no es necesario recolectarbasura (garbage collector). [5]Como resultado a lo mencionado con anterioridad, Intel Optane memory andstorage media ofrece velocidades cercanas a la DRAM, con la persistencia de lostradicionales SSDs. [5]

3 DRAM, NAND, 3D Xpoint

La RAM dinamica almacena cada bit de datos o codigo de programa en unacelda de almacenamiento que consiste en un condensador y un transistor. Estaes dinamica porque necesita actualizarse o recibir una nueva carga electronicapara compensar las fugas de carga del condensador. Las principales ventajas dela DRAM son su diseno simple, velocidad y entre sus desventajas tenemos quees volatil y el alto consumo de energıa en relacion con otras opciones. [6]Las memorias flash NAND almacenan los datos en una matriz de celdas dememoria mediante transistores de puerta flotante. [7]Posee, como principal caracterıstica, que la informacion en ella almacenadapuede mantenerse por un tiempo indefinido. Sin embargo, su velocidad de accesointerno a los datos es inferior al de la memoria RAM, ya que esta se mide enmilisegundos (ms). Otra ventaja es que su densidad es muy superior a la de lamemoria RAM tradicional, lo que permite incorporar mayores densidades en losdispositivos solidos. [8]3D Xpoint memory o Optane Memory es una solucion basada en Intel OptaneMemory Media y Intel Rapid Storage Technology Driver. [4].A diferencia de la DRAM tradicional que almacena su informacion en electrones,en un condensador o la memoria NAND que almacena electrones atrapados enuna puerta flotante, 3D Xpoint utiliza las propiedades de los materiales en la

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celda de memoria para almacenar el dato (si un bit es cero o uno) y es capazde acceder a un bit de la misma o a una palabra mediante cables y selectorescolocados en su estructura 3D [3].

En cuanto a su estructura en la Figura 1 se puede mencionar lo siguiente: [9]

– Estructura Cross Point: cables perpendiculares conectan 128 millones deceldas de memoria densamente empaquetadas. Cada celda de memoria al-macena un bit individual de datos. Esta estructura compacta proporcionaun alto rendimiento y bits de alta densidad.

– Apilable: estas capas delgadas de memoria se pueden apilar para aumentaraun mas la densidad.

– Selector: mientras que DRAM requiere un transistor en cada celda dememoria, la cantidad de voltaje enviada a cada selector de 3D Xpoint per-mite que su celda de memoria se escriba o lea sin requerir un transistor.

– Celdas de memoria: cada celda de memoria puede almacenar un solo bitde datos.

Fig. 1. 3D Xpoint Memory

3.1 Reemplaza a la memoria DRAM?

Al igual que DRAM, 3D XPoint puede ser direccionable en bytes, lo que significaque cada celda de memoria tiene una ubicacion unica.[10]

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La memoria 3D XPoint no volatil con el controlador de la Tecnologıa de alma-cenamiento rapido Intel se utiliza para acelerar los accesos de la PC a datos novolatiles (memoria a largo plazo), que persiste incluso cuando la PC esta apa-gada. Los documentos personales, las fotografıas, etc.[11]La memoria DRAM, es una tecnologıa de memoria volatil que sirve como la”memoria de trabajo a corto plazo” de la computadora. La memoria DRAMalmacena temporalmente las entradas y los resultados de los calculos realizadospor el procesador. Cuando la computadora esta apagada, los datos de la memo-ria DRAM desaparecen.[11]En conclusion, ambas tecnologıas de memoria cumplen diferentes fines en lajerarquıa de la memoria de la computadora, de modo que la memoria Optanecomplementa la memoria DRAM, en lugar de reemplazarla por completo. Unacomputadora con memoria Optane y DRAM puede acceder a los programas ydatos mas rapidamente, proporcionando desempeno y capacidad de respuestaadicionales.[11]

3.2 Comparacion con NAND

3D Xpoint ofrece hasta 10 veces mas rendimiento de flash NAND a traves deuna interfaz PCIe/NVMe 1, y tiene hasta 1.000 veces la resistencia del mismo, locual serıa mas de un millon de ciclos de escritura, lo que significa que la memoria3D Xpoint durarıa practicamente para siempre. [10]En comparacion, el flash NAND actual dura entre 3.000 y 10.000 ciclos de bor-rado y escritura. Con software de nivelacion de desgaste y correccion de errores,esos ciclos se pueden mejorar, pero aun no se acercan al millon de ciclos de es-critura.[10]3D XPoint tiene una unidad mınima borrable y grabable de 1 bit, mientras queNAND puede escribir en el nivel de pagina (16 KB para Micron 3D NAND),pero tiene que borrar en bloques mucho mas grandes (24 MB). Los SSD borranlas celdas NAND antes de reprogramarlas, por lo que el controlador SSD deberealizar operaciones de recoleccion de basura para garantizar que los medios ten-gan bloques de repuesto disponibles para la proxima ronda de datos de escrituraentrantes. El proceso de borrado invoca la tortuosa resistencia y el rendimientoque matan el ciclo de lectura-modificacion-escritura.[13]3D XPoint es una memoria de ”escritura en el lugar”. El SSD no tiene que borrarlos datos existentes en las celdas antes de escribirlos, por lo que lo sobrescribecon un proceso de escritura forzada. Como tal, la resistencia 3D XPoint no semide en los ciclos normales de programa/borrado a los que estamos acostum-brados con los SSD basados en NAND; en cambio, su resistencia se mide por elnumero de escrituras forzadas. La eliminacion del ciclo de borrado aumenta elrendimiento, simplifica la gestion y reduce el desgaste.[13]

1 NVM Express, NVMe, o Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specifica-tion (NVMHCI) es una especificacion para el acceso a las unidades de estado solido(SSD) conectadas a traves del bus PCI Express (PCIe).[12]

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3.3 Ventaja - Desventaja

Es la baja latencia de 3D XPoint, la milesima de flash NAND y diez veces lalatencia de DRAM, lo que hace que llame la atencion, particularmente por sucapacidad de entregar operaciones de alta entrada/salida, como las que requierenlos datos transaccionales.[10]El software inteligente integrado en la memoria Optane aprende automaticamentelos patrones tıpicos de uso de la computadora. De esta forma, los datos requeri-dos con urgencia se recuperan directamente del modulo M.22. El sistema puedeası acelerar las tareas frecuentes y optimizar el uso de la computadora individ-ualmente.[15]Sin embargo, los altos costos por GB son un obstaculo: 3D XPoint es aprox-imadamente la mitad del precio de la memoria DRAM, pero cinco veces mascaro que una memoria flash NAND. Ademas, no hay resistencia a altas temper-aturas asociada con la memoria Optane y el procesador Intel Core de septimageneracion o superior es un requisito adicional.[15]Como limitacion se lista que la memoria Optane no puede acelerar un volumenRAID. Ademas, la unidad SATA (Serial Advanced Technology Attachment) acel-erada debe estar ejecutando Windows 10 de 64 bits y solo puede acelerar unaunidad basada en SATA, es decir, en caso de poseer o pretender poseer distintossistemas operativos a traves de varias unidades, no se podran acelerar todos.[11]

4 Funcionamiento Interno [1]

Para hacer densa a una memoria 3D Xpoint, se empaqueta una gran capacidaddentro de un espacio ınfimo. Se comienza rebanando capas submicroscopicas demateriales en columnas, donde cada una contiene: una celda de memoria y unselector. Luego se conectan esas columnas con una estructura innovadora queconsiste en cables perpendiculares que permiten que las celdas de memoria sedireccionen de manera individual al seleccionar un cable en la parte superiory otro en la inferior. Se pueden apilar cuadrıculas de memoria de forma tridi-mensional para maximizar la densidad y mientras que la DRAM requiere untransistor en cada celda de memoria para accederla o modificarla (lo que haceque sea mas grande y costosa), cada celda de memoria se puede escribir o leersencillamente al variar el voltaje enviado al selector, para ası eliminar la necesi-dad de usar transistores.Este diseno simple, sin transistor y apilable nos permite ofrecer mayor capacidadque la DRAM en el mismo espacio.En cuanto al rendimiento de la memoria, la latencia baja es clave, especialmente

2 El factor de forma (estandares que definen algunas caracterısticas fısicas de las placasbase para computadoras personales) pequeno M.2 se aplica a numerosos tipos de tar-jetas complementarias, como Wi-Fi, Bluetooth, navegacion satelital, comunicacionesde campo proximo (NFC), radio digital, Wireless Gigabit Alliance (WiGig), WANinalambrica (WWAN) y unidades de estado solido (SSD). M.2 tiene un subconjuntode factores de forma especıficos exclusivos para las unidades SSD.[14]

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para las cargas de trabajo demandantes de hoy en dıa. La latencia de OptaneTechnology es mucho mas corta que la de la memoria NAND, ya que eliminauna porcion importante de la penalidad del rendimiento para cada solicitud dedatos. Esto hace que Optane Technology sea ideal para todos los dispositivos,aplicaciones o servicios que requieren un acceso rapido a grandes conjuntos dedatos.Una tecnologıa de memoria verdaderamente innovadora disenada para cambiarel rostro de la informatica con una combinacion incomparable de velocidad, den-sidad y no volatibilidad.

Fig. 2. Estructura 3D Xpoint. [16]

5 Casos de uso

5.1 Consumo regular

Optane Memory esta actualmente disponible en 16GB y 32GB. La memoria Op-tane serie M103 tambien puede estar disponible con capacidades de 64 GB, en

3 Los modulos de memoria Intel R© OptaneTM M10 agregan la capacidad de un bajoconsumo de energıa para las plataformas portatiles y modo en espera conectadomoderno.[11]

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las plataformas compatibles solamente.[11]Cuando se instala este nuevo medio de memoria entre el procesador y los dispos-itivos de almacenamiento SATA mas lentos (disco duro, SSHD o SSD SATA),el equipo puede almacenar datos y programas de uso mas comun mas cerca delprocesador. Esto permite que el sistema acceda a esta informacion con mayorrapidez, lo que puede mejorar la capacidad de respuesta general del sistema. Lacapacidad de respuesta se refiere a la rapidez con que la computadora completalas solicitudes de usuario final, como:[11]

– Inicio o arranque– Buscar y encontrar archivos– Guardar archivos de gran tamano– Iniciar aplicaciones

A continuacion se mencionan las versiones de memoria y almacenamientodestinado al consumo regular:

– Optane Memory: tecnologıa inteligente que acelera la capacidad de re-spuesta de las computadoras. Accede rapidamente a los documentos, imagenes,videos y aplicaciones de uso frecuente de su computadora y los recuerda de-spues de apagarlo, lo que le permite crear, jugar y producir como menos seespera.[17]

– SSD Consumer Family: la PC adquiere un nuevo nivel de capacidad derespuesta y confiabilidad. Disenado para trabajar y jugar, estas unidades deestado solido ofrecen un alto rendimiento, estabilidad extrema y eficienciaenergetica. Sin partes moviles, proporcionan un excelente almacenamientopara cualquier aplicacion, desde hojas de calculo y procesamiento de textoshasta administracion de contenido. [18]

5.2 Para Data Center

Tambien se cuenta con una lınea destinada a los Data Center, combinables conprocesadores escalables Xeon de segunda generacion.

Optane DC Persistent Memory: esta tecnologıa optimizada para la cargade trabajo ayudara a las empresas a extraer informacion mas procesable de losdatos, desde la nube y las bases de datos, hasta analisis en memoria y redes deentrega de contenido. [20]

Como Memoria persistente

– Modo directo de aplicacion: ofrece a Optane Technology como modulosde memoria persistentes, que se conectan a las ranuras DIMM 4 estandar en

4 Dual In Line Memory Module son un tipo de modulos de memoria, ası llamados porsu modo de disponer los chips que los forman y como su nombre indica, los modulosse disponen en paralelo, en uno o ambos lados de la memoria, pero siempre concontactos electricos separados, cada uno independiente del otro. [21]

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Fig. 3. Ejemplos de portatiles con Intel Optane Memory. [19]

el canal de memoria. Ofrece dos caracterısticas importantes: persistencia yalta densidad de hasta 512 GB por DIMM, que es el doble de la densidadmaxima de los DIMM de las DRAM actuales.[5]Las aplicaciones que han sido optimizadas por la memoria Optane DC evitanla sobrecarga significativa de software de las operaciones de entrada y saliday en su lugar aprovecha las operaciones de acceso a memoria de baja latenciamucho mas rapido. Esta ventaja permite a las organizaciones transformarsus sistemas y servicios para ofrecer nuevos avances en una amplia gamade casos de uso para data center, incluyendo analisis mejorado con bases dedatos en memoria, computacion en memoria de alto rendimiento, inteligenciaartificial (AI), maquinas virtuales de alta capacidad (VMs) y contenedores,y redes de entrega de contenido. [5]Tambien reduce significativamente los tiempos de reinicio de bases de datosen memoria debido a que no tiene que volver a cargarse en la memoriavolatil despues de un apagado. Tambien las organizaciones pueden escalarde manera mas asequible la capacidad de memoria del sistema a niveles sinprecedentes porque el costo por gigabyte de memoria es menor comparadoa las tradicionales DIMM de las DRAM. [5]

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Como memoria volatil

– Modo memoria: permite a las aplicaciones hacer uso de Optane comomemoria volatil expandida del sistema. El modo memoria ofrece la ventajade una capacidad de memoria adicional del sistema (tamanos de modulo dehasta 512 GB), sin la necesidad de reescribir el software. [2]

– SSDs como I/O mapeadas en memoria: permite que las empresas ex-tiendan su DRAM para ciertas aplicaciones de Linux. Una forma de realizaresto es configurar por ejemplo el Intel Optane SSD DC P4800X para que util-ice Intel Memory Drive Technology, lo cual permitira a los usuarios hacercrecer la memoria volatil de un servidor mas alla de los lımites de capaci-dad de la DRAM, o reemplazar DIMMs de alta capacidad con una alterna-tiva de mayor capacidad, menor costo por GB y que puede proporcionar unrendimiento similar a la DRAM. Ademas, Intel Memory Drive Technology norequiere de cambios en el software . Esta capacidad es particularmente ben-eficiosa para empresas e investigadores en genomica, industria farmaceutica,radiologıa y otros campos que enfrentan un hambre creciente de memoriay almacenamiento, pero que estan limitados por el alto costo y la densidadlimitada de la DRAM o la necesidad de una gran huella de memoria. [5]

Optane SSD DC: ayuda a eliminar los cuellos de botella de almacenamientode los data center y permite conjuntos de datos mas grandes y asequibles. Puedeacelerar las aplicaciones, reducir los costos de transaccion para cargas de trabajosensibles a la latencia y mejorar el TCO 5 general del data center.[23]

Como almacenamiento

– Modo directo de la aplicacion: hace que el espacio de direcciones dememoria persistente sea accesible a traves de API de archivos estandar com-patibles con los hipervisores de la generacion actual y los sistemas opera-tivos Windows y Linux. Esto permite a las aplicaciones basadas en alma-cenamiento existentes acceder a la region directa de la aplicacion de losmodulos de memoria persistente de Optane DC sin cambio alguno a las apli-caciones existentes o a los sistemas de archivo que esperan dispositivos dealmacenamiento en bloque. El almacenamiento sobre el modo directo de laaplicacion proporciona almacenamiento en bloque de alto rendimiento sin lalatencia de mover datos hacia y desde el bus de I/O. [5]

– SSDs: habilita un nivel de almacenamiento completamente nuevo entre lamemoria persistente Optane DC y los SSDs NAND que acerca los datos

5 Total Cost of Ownership o costo total de propiedad (TCO) es una estimacion delos gastos asociados con la compra, implementacion, uso y retiro de un producto oequipo. TCO cuantifica el costo de la compra en todo el ciclo de vida del producto.[22]

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al procesador para el almacenamiento en cache rapido o el almacenamientorapido de datos calientes y calidos. [5]En contraste con los SSDs basados en NAND, los SSDs Optane no se limitana un punto optimo para un rendimiento maximo. Optane Technology proveeun alto rendimiento de lectura/escritura aleatoria, junto con una baja la-tencia constante, que es ideal para aplicaciones de bases de datos exigentesque requieren almacenamiento en cache, registro o registro diario frecuente yde alta velocidad. Las empresas pueden aprovechar este beneficio mediantela implementacion de Optane DC SSDs para acelerar el almacenamiento encache, como alternativa al uso de grandes cantidades de DRAM, las cualesson costosas y de capacidad limitada. [5]Tambien ofrece alta resistencia y calidad de servicio, lo que los hace adecua-dos para usos intensivos de escritura, como el procesamiento de transaccionesen lınea, computacion de alto rendimiento y el almacenamiento en cache y elregistro de datos. En particular, Optane DC SSDs ofrece un alto rendimientoconstante bajo carga, alcanzando el maximo rendimiento a profundidadesde cola mas bajas, donde operan casi todas las aplicaciones del mundo real.En comparacion, las unidades de almacenamiento NAND tradicionales amenudo alcanzan niveles optimos de rendimiento solo a profundidades decola mas altas, mas alla del rango utilizable de la mayorıa de las aplica-ciones. El rendimiento maximo a profundidades de cola mas altas no reflejacon precision el rendimiento de la unidad del mundo real. Como resultado,SSDs de Optane ofrece un rendimiento mejorado para las aplicaciones, encomparacion con los SSD basados en NAND.[5]

Fig. 4. Intel Optane DC P4800X: 375 GB, unidad de estado solido, ronda aproximada-mente los 700$. [24]

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6 Disolucion de Intel y Micron

Intel y Micron han trabajado en conjunto para el desarrollo de la memoria 3DXpoint, cuya asociacion se habıa anunciado que finalizarıa luego de la segundageneracion de 3D Xpoint (finales de 2018 e inicios de 2019). A pesar de la dis-olucion, ambas empresas continuan desarrollando innovaciones de 3D Xpointmanteniendo las estrategias, disenos y desarrollos unicos. Los productos de Inteldenominados como Optane, mientras que QuantX para Micron. [25]

6.1 Futuro de 3D Xpoint

El anuncio de la segunda generacion de la memoria persistente Intel Optane DC,cuyo nombre en codigo es ”Barlow Pass”, se lanzara en 2020 con el procesadorescalable Intel Xeon de proxima generacion. Tambien SSD de puerto unico contecnologıa Optane de proxima generacion para clientes empresariales clave. [26]

Fig. 5. Comparacion de la memoria y el almacenamiento: Intel Optane DC persistentmemory DIMMs e Intel Optane DC SSDs. [5]

7 Conclusion

La tecnologıa 3D Xpoint prometio y promete ser lo que uno siempre deseo, quesu dispositivo tenga una respuesta rapida al mınimo click, pero, para el usuariofinal, los factores costo y beneficio son bastante importantes. Esta tecnologıano genero una gran revolucion como se hubıa esperado serıa al momento de suanuncio pero con el paso del tiempo, podrıa llegar a ser bastante prometedora.Actualmente los usuarios optan por discos de estado solido para acelerar sus dis-positivos, debido a su popularidad y gran diferencia de respuesta en comparacioncon los discos duros trandicionales y los cuales rondan los 40 a 60 dolares de 1 TBcontra 500 dolares de un SSD de Intel de 480 GB con la tecnologıa mencionada,lo cual, no resulta beneficioso para usuarios finales.

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References

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