回顧存儲的發展歷程。3D Xpoint是自NAND Flash推出以來，最具突破性的一項存儲技術。由于具備以下四點優勢，3D Xpoint被看做是存儲產業的一個顛覆者：

（1）比NAND Flash快1000倍；

（2）成本只有DRAM的一半；

（3）使用壽命是NAND的1000倍；

（4）密度是傳統存儲的10倍；

而得益于這些優勢，3D Xpoint能被廣泛應用在游戲、媒體制作、基因組測序、金融服務交易和個體化治療等領域。以上只是3D Xpoint的一些應用示例。但從以上介紹，我們可以看出，3D Xpoint未來的應用非常有潛力。

目前存儲器存在的一些問題

存儲器的性能是PC設備上目前的短板。這一點從很多用戶由HDD更換為SSD后，感覺像是“換了一個電腦”就能體現出來。HDD目前的傳輸速度往往在200MB/s以內，尋道時間約為10ms級；SSD傳輸速度為數百MB/s到幾GB/s，尋道時間約為0.1ms以內；更快的內存帶寬為幾十GB/s，延遲時間低至ns級。再向上還有更高速的緩存、寄存器等設備。

DRAM：易失性難以解決

拋開和處理器緊密相關的高速緩存和寄存器不說，先來看內存和外部存儲這兩個級別。目前我們使用的內存主要是DRAM。DRAM的核心問題是易失性，其它方面的表現優秀——比如在性能上DRAM的延遲很低（納秒級別）、帶寬較為充裕；壽命方面由于原理所致，DRAM壽命很長。不過，DRAM的存儲需要不停供電，斷電就會丟失存儲的數據。從DRAM被發明出來到現在，DRAM只是不斷地在預取值和總線上進行調整，核心的存儲架構其實變化不大。

NAND：壽命、延遲不盡如人意

再來看目前廣泛應用于存儲設備的NAND閃存。NAND閃存分為SLC、MLC、TLC等多種分支顆粒。從壽命上說，NAND是有平均讀寫次數的壽命的，即使是性能最好的SLC NAND顆粒，其壽命也比DRAM小得多。雖然可以通過設置緩沖空間、平衡磨損算法、提前設置壽命預警來確保NAND不會在使用時“掉鏈子”、引發數據丟失，但壽命依舊是NAND在使用中不可回避的問題。

此外，受制于存儲原理，NAND延遲較高，尤其是寫入時存在充電時間，怎么也快不起來，目前只能被用作外部存儲設備。但在今天，由于之前有性能更低的HDD機械硬盤的存在，基于NAND顆粒的SSD仍舊讓用戶感受到了性能的巨大提升。

▲隨著制程提升，NAND的容量正在迅速提升，但壽命和延遲等問題，并沒有革命性的變化。

▲NAND工作原理圖，絕緣浮置柵極是其存儲數據的核心。

性能鴻溝：PC架構的問題

所謂性能鴻溝，就是上下兩級系統存在較大的性能差距，使得級次緩存的設計方案很難體現出最佳的效果堪稱天塹；在NAND和DRAM上，這個鴻溝相比DRAM和HDD之間的性能鴻溝略有縮小，但是本質上的變化并不明顯。舉例來說，NAND設備目前的最快速度差不多在2GB/s～3GB/s，處理器的內存帶寬已經突破50GB/s大關，兩者間差了一個數量級。延遲上，DRAM只有十幾納秒，相比NAND的約一百微秒，快了好多個數量級。

實際上，內存和外部存儲之間的性能差距過大，已經成為影響用戶體驗繼續提升的瓶頸。所以研究機構一直在提出很多解決方案，試圖解決這個鴻溝，比如相變存儲器、賽道存儲器、全新的高速磁存儲設備等。但這些技術不是還深藏在實驗室中，就是剛在PPT上公諸于眾。到了去年，作為存儲業界的領軍企業之一的英特爾和美光，終于將其中一種全新的存儲技術推向了前臺，這種技術同時擁有高性能和非易失性兩種特性，這就是今天的主角：3D XPoint！

▲內存的基本技術結構也已經很久沒有革命性的變化。目前最快的DDR4內存，仍舊只能充當暫存器。

3D XPoint的原理

目前英特爾和美光對3D XPoint應用的物理特性閉口不談，資料更是匱乏。一些不具名的介紹資料顯示，3D XPoint使用的標記數據狀態的物理值不是業內常用的電壓、也不是電流，更不是目前還在實驗室內的磁極，而是電阻。

3D XPoint的工作原理與NAND存在著根本性的不同。NAND通過絕緣浮置柵極捕獲不同數量的電子以實現bit值定義，而3D XPoint則是一項以電阻為基礎的存儲技術成果，其通過改變單元電阻水平來區分0與1。

3D XPoint的結構非常簡單。它由選擇器與內存單元共同構成，二者則存在于字線與位線之間（因此才會以‘交叉點’來定名）。在字線與位線之間提供特定電壓會激活單一選擇器，并使得存儲單元進行寫入（即內存單元材料發生大量屬性變化）或者讀取（允許檢查該存儲單元處于低電阻還是高電阻狀態）。

猜測，寫入操作要求具備較讀取更高的電壓，因為如果實際情況相反，那么3D XPoint就會面臨著上在讀取存儲單元時觸發大量材料變化（即寫入操作）的風險。

英特爾與美光雙方并沒有透露內部讀取/寫入的具體電壓數值，不過根據得到的消息，其電壓值應該低于NAND——后者需要利用約20伏電壓來編寫/擦除以創建出足夠通過絕緣體的電場電子隧道。而這種較低的電壓要求自然也能夠使得3D XPoint擁有比DRAM以及NAND更低的運行功耗。

顧名思義，3D XPoint的存儲單元可以以3D方式進行堆疊，從而進一步提升存儲密度。目前第一代晶粒樣品使用的是雙層設計方案。雙層聽起來實在有些寒磣，特別是考慮到目前的3D NAND芯片已經擁有32層，且逐步開始向48層進軍。不過3D XPoint的構建方式完全不同，直接進行層數比較顯然并不科學。

3D NAND在制造過程中首先加入沉積導電層，而后再在每一層之上添加絕緣材料。只有在全部層沉積完畢之后，整個“單元塔”才能以光刻方式進行定義，而后再在高縱橫比蝕刻孔內填充通孔材料以實現各層內存儲單元的彼此互通。

相比之下，3D XPoint的每一層都需要進行光刻與蝕刻（即在各層之上重復同樣的流程），接下來再對下一層進行沉積。這種方式犧牲掉了3D NAND所帶來的一部分經濟優勢（即光刻步驟較少），但3D XPoint卻同時帶來了遠高于純光刻技術所能實現的出色存儲密度。

英特爾與美光公司指出，未來工藝尺寸伸縮將同時出現在光刻與層3D堆疊這兩個方面。橫向與縱向的規模可調整能力將成為關鍵，保證其未來仍然具有進一步可延展性，這是因為基于氬氟的傳統多模式浸沒式光刻技術在10納米級別上已經失去了經濟性優勢，而目前尚未出現任何明確的繼任技術可供選擇。

當下業界普遍將希望寄托在EUV身上，而英特爾與美光則確認稱，3D XPoint將（不出所料）兼容EUV光刻，而且存儲單元設計尺寸可以最大縮水至個位數納米級別——同時不會對使用幫助/可靠性造成顯著影響（事實上，隨著物理尺寸的下降，其在某些方面反而有所改善）。

不過在未來幾年內，恐怕仍然無法利用EUV實現批量化生產。首批EUV生產的主要重心也將放在邏輯層面，這一方面是因為其設備成本實在太過高昂，另一方面也是因為邏輯無法像記憶體般進行垂直綻放、因此可能導致散熱問題。

從理論層面講，3D XPoint也支持多層單元設計，但英特爾與美光雙方目前并不打算追求這條路線。雖然在實驗室當中實現多個電阻層級并不是件太難的事，但其實際難度還是要遠遠高于保證生產的數萬片晶圓當中、每個晶粒都具備必要的特性以實現雙層單元操作。

相比之下，這一思路很像是二十年前每單元2 bit機制剛剛出現在NAND領域的狀況，因此目前英特爾與美光暫時會將注意力集中在光刻技術及3D伸縮方面，從而提高存儲密度及成本效益。不過相信在未來，多層單元設計也將逐步出現在3D XPoint當中。

而與NAND在架構上的最大區別在于，3D XPoint實際上是以bit層級進行訪問。在NAND當中，整頁（在最新節點中為16KB）必須一次性進行編程才能存儲1 bit數據。而更糟糕的是，我們必須要在塊層級（至少包含200個頁）執行擦除操作。

如此一來，NAND就需要使用更為復雜的垃圾回收算法，從而更為高效地實現性能水平。然而無論算法多么精巧，處于穩定狀態的驅動器在性能上仍然會因此受到影響，因為必須采用固定的讀取-修改-寫入周期才能對塊中的單一頁進行擦除。

而作為以bit為基礎訪問單位的3D XPoint來說，其并不需要配合任何垃圾回收機制即可高效運作，這不僅極大簡化了控制器與固件結構，更重要的是還將實現更高性能水平與更低功耗需求。

在最終產品——特別是面向存儲需求的產品——當中，3D XPoint仍然會保留一部分邏輯頁以降低追蹤操作帶來的負擔，這是因為在bit層級上進行數據追蹤將需要大量高速緩存作為配合。

然而，英特爾與美光公司已經在聲明當中就此作出了明確回應，表示日前發布的公告僅僅屬于一項技術性結論。兩家公司拒絕就基于這項新技術的未來面世產品發表任何評論。換句話來說，這兩家企業將各自打造自己的產品方案，并預計將在明年正式將其交付至廣大用戶手中。

內存單元：3D XPoint背后的秘密

從子陣級角度出發，3D XPoint的運作方式還算比較容易理解，但探究大量屬性變化過程中內存單元之內的實際動態則是個非常復雜的問題。能想到的就是需要通過兩種方式實現這一目標——以物理方式利用外部刺激調整存儲單元屬性，從而實現晶體結構變更; 或者是以化學方式對單元內的材料屬性進行調整。

在發布會之后的對話環節當中，我們得到的消息3D XPoint所使用的并非相變材料，這就消除了一種潛在可能性——即3D XPoint利用相變材料通過單元晶體結構變化來實現電壓切換。

英特爾與美光選擇的方式也極具現實意義，因為引導穩定晶體結構發生變化很可能意味著對不同原子結構長度進行頻繁調節，而這有可能影響到存儲單元之間連接材料，最終導致使用壽命降低。考慮到這一點，惟一可行的就只有化學調整方式了，更具體地講對存儲單元中的bit電子結構進行調整，從而使其出現電阻差異。

咱們不妨在這里就其實現原理展開一番探討。

自旋交叉

根據以往的經驗，自然而然地想到了自旋電子與自旋交叉化合物的應用。簡而言之，這意味著此類材料擁有兩種不同電阻級別，具體取決于結構內電子層級中的電子狀態。而外部刺激（包括溫度、電壓以及磁場的變化）則用于實現兩種電子狀態之間的切換。

接下來的內容可能有些艱深，我們最好是從單個過渡金屬原子出發進行考量。根據該金屬原子周邊的局部排列，金屬的鍵合軌道部分會充斥著大量電子：

這里是一個處于2+價環境下的鐵化合物分子，其主要成鍵軌道為t2g（低能量）與eg（高能量）。根據Pauli提出的不相容原理，6個電子配對構成三條軌道，而且每個電子對中的一個電子“自旋加快”、另一個則“自旋減慢”。這就是我們所說的基態，也被稱為低自旋狀態。其整體自旋值S等于0，因為一個電子的自旋值1/2會被另一個電子的自旋值-1/2所抵消。

此原子的另一種模式則為高自旋態，其中2個電子轉移到了較高的鍵合軌道當中，而總體自旋值S=2：

由于外部刺激的存在，其中將有2個電子翻轉自旋并占據高能量eg軌道，而這也就是所謂“亞穩定”狀態。根據周邊原子的實際排列，這種狀態實際上也可以表現得非常穩定，但卻與原始基態在性質上存在很大的不同。

不過將這種原理推廣到大量材料之上，從原則上講非常困難。簡要概括，各類研究論文指出自旋交叉化合物可以直接進行對接并實現電阻變化，但與這類操作相關的大部分論文都屬于化工學科，探討的也主要為碳納米管、石墨烯層或者有機鏈等對象。

在這篇論文當中，低自旋/高自旋狀態將提供或不提供兩種極性之間的導電率，具體取決于金屬原子的實際性質、電阻、特性以及/或者平臺穩定性水平。英特爾公司需要開發出這樣一種材料，其能夠通過電壓變化而非外部刺激實現編程，而這顯然將復雜性提升到了新的高度。

一般來講，自旋交叉化合物具備特定的溫度窗口，在不同溫度下其電子可以在高狀態與低狀態之間往來切換，這意味著溫度因素對其穩定性存在直接影響。

從這一點出發，材料的可延展性與基礎特性成為實現大規模自旋交叉的主要障礙，特別是在同時采用碳納米管的情況之下。如果要對大量金屬材料進行延展，那么我們需要為其提供一個單獨的金屬環境進行批量處理，帶線（與間隙）會令原本單純的軌跡概念變得更加模糊，因此我們根本無法將其納入至存儲單元之中。

英特爾公司還指出，他們的技術能夠讓每個存儲單元承載多bit，而自旋交叉的排布問題能夠利用電子隧道機制加以解決，從而達成構建存儲單元的目標。

自旋轉矩效應（簡稱STT）

內存單元的自旋轉矩效應取決于單元兩種狀態之間的電阻水平，外加在存儲單元內部控制磁性的能力。簡而言之，如果大家對某種材料的磁性布局作出調整，也就能夠同時調查其電阻并將其作為記憶體加以使用。

而更為具體的解釋是，自旋轉矩效應的長期存在依賴于被稱為自旋極化電流的性質。電子自旋從根本角度講分為兩種方向，即自旋加速與自旋減速。

一般的電流通常由這兩類方向均勻混合，這樣整體看起來就呈現出非極化電流的形式（即不存在整體自旋方向性）。而當一股非極化電流通過一層厚厚的磁性材料時，其立刻開始呈現出極化特征。

如果這種極化電流隨后通過處于不同電子密度狀態的薄磁層，那么電流的極性則會產生磁性，從而使更多電子自然進入反向自旋狀態。

由于厚磁層具有恒定的磁場向性，而薄磁層（或者稱作自由層）能夠進行翻轉（具體取決于材料本身），因此這兩者相結合后所產生的電阻即可作為記憶體單元使用。

論文指出，自旋轉矩效應方案的優勢在于其能耗水平低于DRAM，但性能表現則與后者基本相當。而這項技術的實現障礙主要源自以納米光刻這樣極為微小的立足點構建永久磁體的能力，外加如何將眾多如此微小的磁體以彼此接近的方式加以排布（類似于磁盤驅動器當中的bit單位）——這有可能導致其中一部分發生意外翻轉。

除此之外，也并不清楚使用這種方法能夠提供每單元單一二進制bit以上的容納能力。而且現有研究表明，其需要同時使用一個控制晶體管方能正常起效。而英特爾方面已經明確指出，3D XPoint并不使用任何控制晶體管。

自旋轉矩效應技術的公開發展歷史最早可追溯到2011年由高通公司推出的1 Mb IC以及2012年來自Everspin公司的64 Mb模塊，不過二者始終未能投入實際生產。

導電橋接技術（簡稱CB）

對通路電阻進行調整的最簡單辦法之一就是通過物理變化將電子運動路徑幾乎完全阻斷。導電橋接技術（或者被稱為可編程金屬化單元）則采用類似于電解的技術在電極之間創造出一道納米橋，從而降低單元電阻。

在一個導電橋接單元當中，一層薄電解質膜（過去一直以液態方式存在，但現在也可以呈現為固態）處于活性與惰性電極之間。當惰性電極被施加一個負偏壓時，電解質中的金屬離子會被不愿為金屬原子。

當析出并連接的金屬原子數量達到一定程度后，其會形成一條位于兩個電極之間的導線。而要切斷這條導線，我們需要施加反向電位差，從而將導線中的原子重新氧化成電解質的組成部分。最終的電極-電解質-電極組合仍然具備導電能力，但其電阻要高于前面提到的存在導線的情況。

不過對于任何一位對于電解機制比較熟悉的朋友來說，以上概括性描述同時也帶來了大量問題。首先，也許存儲單元當中使用的是液態材質，但我們更傾向于假定需要處理的是處于固態材料當中的移動離子，其活動空間介于各嵌入點之間（也就是晶格/框架之間的空間）。

真正值得仔細推敲的還是要數上述表達中提到的“導線”一詞。通常來講，通過電解實現的原子析出往往缺乏指向性——我們是領先不同晶體面的活動來推出析出，這就導致離子擴散以多向性方式進行，不過根據實際晶體面的增長情況、電極指向會略有偏差。

在這種情況下，分叉線就會出現——類似于閃電的表現形式。而在對不同電極進行彼此連接時，或者至少是在電子隧道的長度之內，導線本身的電阻差異（從高電阻到低電阻）也相當巨大。不過隨著導線的持續構建，電阻值也會不斷降低。

考慮到這一點，建立導線這種處理方式確實能夠為每個單元提供多bit容納能力，但正如我之前所提到，其實施難度也相當之大。另一項因素在于逆轉的過程——通常是由同樣的材料作為離子提供活性電極，但這意味著電極本身基本上也具備可溶解性。通過研究我們看到，這恐怕會對產品的使用壽命造成影響。

而在導電橋接技術的優勢角度，其在理論上能夠實現低于浮柵單元的物理尺寸、而布局也相對簡單。根據報告所言，其能夠在功耗與性能水平方面較當前NAND改善達數個量級。

考慮到上述問題與優勢的存在，我認為導電橋接技術目前應該作為3D XPoint方案的優先使用對象。美光公司曾于2002年的官方許可當中作出過相關暗示，而且2014年美光分析師大會上展出過的幻燈片資料也提到了他們如何克服我之前提到的一些問題：

圖片下方列出的正是當時正處于研發狀態的存儲單元，演示材料中確實提到了橋接技術的存在。為了確保活性電極不會在逆向編程過程中被“吃掉”，技術人員設置了一套大型離子庫供其調用。另一個電極則尺寸很小，以便于導線能夠定向構建。只要整個電解質層夠小（數個單分子層），那么讀取/寫入操作的速度將極快、實現也將非常容易。

未來發展

總結而言，如果我們快速跳轉至2015年2月，那么請注意美光公司在其分析師會議當中公布的另一份演示資料：

在這幅圖片的下半部分，我們可以明顯看到美光公司正著眼于左側基于自旋轉矩效應的記憶體方案，而亦有分析師報告指出圖片右側的RRAM單元很可能使用的就是導電橋接技術。而在本周公布的3D XPoint演示資料中，多位分析人士認為最優先的實現選項很可能是利用二極管探測實際電阻特性。

考慮到公告強調稱目前正在進行的技術研發從根本角度講迥異于此前有過的嘗試，而3D XPoint產品進入批量生產的最大難關在于制造材料，我最終無法判斷其具體采用了哪一種實現方式。

從可能性方面來看，英特爾與美光雙方也許使用的是導電橋接技術打造出了這款產品。最為精確的細節將被牢牢掌握在英特爾與美光手中，因為畢竟這項技術成果從概念到產品的整個推進流程殊為不易——考慮到前面提到的2002年發布導電橋接技術許可，整個研究周期已經延續了整整十年。

從英特爾給出的一些圖片來看，3D XPoint的基本單元結構和目前的存儲芯片非常相似，都擁有完整的字線和位線，數據存儲在交叉疊起的字線和位線之間。字線或者位線之間存在的特定電壓差，能夠改變一種特殊材料的電阻。當數據需要讀取時，字線和位線可以檢測某個存儲單位的電阻值，根據其電阻值來反饋數據存儲情況。

3D XPoint的特點

了解了3D XPoint的基本工作原理，看起來似乎很簡單。但實際情況遠遠比上文描述的復雜。尤其是特殊的電壓差和特定的材料，目前尚沒有第三家廠商掌握其中的原理。接下來，我們重點來看看3D XPoint到底能給我們的生活和應用帶來怎樣的變化。

定位：并非你死我活

據英特爾給出的說法是，3D XPoint并不是用于徹底替代DRAM和NAND的技術，它的定位是計算機存儲中的一個新的層級，可以在不同的應用領域增強目前的存儲結構體系。

從英特爾給出的延遲數據來看，3D XPoint產品的讀取延遲大約在10納秒級別（寫入延遲更長一些），和DRAM最低可達幾納秒還存在一點點差距，但遠遠好于NAND的微秒級別；壽命方面，3D XPoint的壽命約為百萬級讀寫次數，相比NAND中MLC的數千次讀寫提升了幾個數量級，當然，和DRAM還是沒法比；帶寬方面，多通道技術的應用使得3D XPoint在帶寬上并不存在什么劣勢。

在英特爾的官方宣傳中，3D XPoint擁有NAND類似的容量和DRAM類似的性能。包括比NAND速度快（應該是指延遲低）1000倍以上，壽命是NAND的1000倍以上，數據密度則達到了DRAM的十倍以上。

▲3D XPoint的性能表現非常出色。

英特爾認為，這樣的性能可以讓用戶根據不同的需求來選擇新的存儲系統組合，比如可以選擇組成DRAM+3DXPoint+NAND三級存儲系統，或者是3D XPoint接管DRAM+NAND，亦或者組成DRAM+3D XPoint的方案，甚至也可以是3D XPoint+NAND的系統，不同方案的成本、側重點和性能都有所不同，結局是開放性的，并沒有氣勢洶洶地取代誰，而是根據市場選擇來搭配合適的方案。

▲NAND和3D XPoint并不是你死我活的競爭關系。

▲3D XPoint在系統中的地位。

壽命：勝任所有的熱溫存儲場景

有關壽命問題，實際上是在NAND的應用中被討論最多的，因為TLC的NAND芯片在千次級別的完全讀寫就有可能耗盡一個單元的所有壽命。千次聽起來非常短，但目前大量的數據中心和企業用戶都布置了NAND存儲設備，這證明在各種平均摩擦和數據緩沖算法的幫助下，NAND的壽命問題得到了比較好的解決。在我們之前的測試中，TLC芯片的SSD，在壓力測試下同樣未出問題。

相比NAND，3D XPoint的壽命問題其實更不是問題。根據英特爾數據，3D XPoint如果擁有200萬次的讀寫壽命，在平衡算法下，一個512GB的3D XPoint設備理論上需要完全讀寫1024PB才會死亡，相當于在五年內每天寫入574TB數據。除了那些必須使用DRAM維持超高負載的特殊場合，3D XPoint完全可以勝任目前幾乎所有的熱/溫存儲中心應用。至于冷存儲，從成本的角度看一直就不適合最新的高速存儲設備。

▲3D Xpoint在高性能消費級PC上也有用處，在各級隊列深度下的IOPS吞吐速度提升極快。

價格：不會太便宜

說起3D XPoint的價格，需要考慮兩個方面的內容：一是成本，二是市場定位。

先來看成本。根據英特爾和美光展示出來的資料，3D XPoint的單個晶元可以切割396個3D XPoint晶粒，每個晶粒面積大約為210平方毫米（每個晶粒容量為128Gb）。相比之下，20nm 128Gb的MLC NAND晶粒的面積約為202平方毫米。

總的來看，除開研發和生產中其他成本，僅從晶元的角度來看，3DXPoint的成本應該和NAND相差不多，當然良率又是另外一說了。

接下來看市場定位。一般來說，一個產品的市場定位是由其在市場中所處的性能位置所決定的。目前3D XPoint的性能定位在DRAM之下、NAND之上，但是更偏向于DRAM，因此也應該具有類似的市場定位。考慮到目前DRAM的價格，可以說3D XPoint的價格應該不會太便宜。

另一方面，英特爾自己也有龐大的NAND工廠和不小的市場份額，3DXPoint無論從技術上還是商業利益上來看，都不會在目前這個時候去搶NAND的飯碗。而如果從企業級和消費級來劃分，按照慣例，產品成熟后，英特爾顯然會更傾向于將這一新技術首先運用于面向利潤較高的企業級產品中。