Intel / Micron 3D Xpoint: 1.000 Mal schneller und haltbarer als NAND

Intel und Micron haben nach jahrelanger Forschung eine völlig neue Art von nicht-flüchtigem Speicher (Non-Volatile Memory) angekündigt. Die nun enthüllte 3D-XPoint- oder auch Crosspoint-Technologie soll NAND-Flash bei Geschwindigkeit und Haltbarkeit um den Faktor 1.000 übertreffen.

Die Unternehmen selbst sprechen dabei von einem bei neuen Technologien gerne herangezogenen „Quantensprung“. In der Tat lesen sich die versprochenen Verbesserungen gegenüber der inzwischen in diversen Bereichen etablierten NAND-Flash-Technik eindrucksvoll. Doch nicht nur als Massen-, sondern auch als Arbeitsspeicher soll sich die Technik eignen – im Prinzip werden beide Aufgabengebiete in einem Speichertyp vereint.

Die Einsatzgebiete seien vielfältig, prinzipiell soll „jedes Gerät, jede Anwendung und jeder Service, der vom schnellen Zugriff auf große Datenmengen profitiert“, in Frage kommen. Als konkrete Beispiele fallen „maschinelles Lernen, Echtzeit-Tracking von Krankheiten und eindrucksvolles 8K-Gaming“. Demnach sei die Technik keineswegs nur für das professionelle Umfeld bestimmt. Die Produktion erster Test-Chips im 20-nm-Verfahren sei bereits im Gange, Muster sollen noch in diesem Jahr ausgeliefert werden.

Dieser nicht flüchtige Speicher revolutioniert jedes Gerät, jede Anwendung und jeden Service, der vom schnellen Zugriff auf große Datenmengen profitiert. Die 3D XPoint Technologie stellt einen wichtigen Durchbruch in der Speicherfertigung dar und bildet die erste neue Speicherkategorie seit der Einführung von NAND-Flash im Jahr 1989.

Intel und Micron

„Die Technologie ist bis zu 1.000 Mal schneller und bietet eine bis zu 1.000-fach höhere Lebensdauer als NAND“, heißt es in der Pressemitteilung. Fußnoten verraten, dass für diesen Vergleich nicht näher spezifizierter NAND-Speicher „anderer Hersteller“ herangezogen wurde. Zur Veranschaulichung der höheren Haltbarkeit wird auf eine herkömmliche SSD der Verbraucherklasse zurückgegriffen, die mit einem Schreibvolumen von 40 Gigabyte pro Tag in einem Zeitraum von fünf Jahren spezifiziert ist, was einem Schreibaufkommen von 73 Terabyte Total Bytes Written (TBW) entspricht. Eine SSD mit der um den Faktor 1.000 erhöhten Haltbarkeit würde es auf 40 Terabyte pro Tag und in fünf Jahren auf 73.000 Terabyte respektive 73 Petabyte bringen.

In puncto Geschwindigkeit ist die Latenzzeit gemeint, die bei 3D XPoint angeblich in Nanosekunden gemessen wird, während es bei NAND-Flash Mikrosekunden und bei HDDs Millisekunden sind. Genaue Werte verrät das als IM Flash Technologies (IMFT) bekannte Joint-Venture von Intel und Micron dabei nicht, ein Diagramm weist aber auf Latenzen im zweistelligen Nanosekundenbereich hin. Von einer Verzögerung bei Dateizugriffen von 30 Mikrosekunden ausgehend, wie sie schnelle SATA-SSDs erreichen, würde 3D XPoint nur 30 Nanosekunden benötigen. Zu den möglichen Transferraten gibt es dagegen gar keine Angaben.

Ebenso geheimnisvoll geben sich die Unternehmen bei den technischen Hintergründen. Die Rede ist von „einzigartigen Materialverbindungen und einer Cross Point Architektur“, die „eine Art dreidimensionales Schachbrett“ schafft und „ohne Transistor“ auskommt. Die Speicherzellen sollen dabei am Schnittpunkt der horizontalen Wortleitungen (Wordlines) und vertikalen Bit-Leitungen (Bitlines) sitzen. Einzelne Zellen seien dadurch individuell ansteuerbar und Daten würden in kleinen Mengen transferiert, was die Lese- und Schreibzugriffe verkürze. Lese- und Schreibzugriffe würden durch eine Veränderung der an den einzelnen Selektoren angelegten Spannung umgesetzt. Das Speichern der Daten erfolgt, indem die Eigenschaft des Materials der Speicherzelle selbst verändert wird.

Wie bei 3D-NAND sollen mehrere Schichten aus Speicherzellen zum Einsatz kommen, die über senkrechte Verbindungen kommunizieren. Die erste Version des neuen Speichers soll über zwei solcher Schichten verfügen, später soll deren Anzahl steigen. Zusammen mit kleineren Strukturbreiten soll die Kapazität somit weiter gesteigert werden. Wie bei SLC-NAND soll pro Speicherzelle ein Daten-Bit gespeichert werden können. Intel spricht von 128 Milliarden „dicht gepackten Speicherzellen“, die somit eine Kapazität von 128 Gigabit pro Die ermöglichen. 128 Gigabit-Dies sind derzeit auch bei NAND-Flash üblich.

Gegenüber DRAM soll 3D XPoint eine zehnmal so hohe Datendichte ermöglichen. Somit sind bei gleicher Kapazität deutlich kleinere Dies mit entsprechenden Kostenvorteilen zu erwarten. Bekanntlich kostet jeder Quadratmillimeter Wafer-Fläche Geld und je mehr Chips auf einem Wafer untergebracht werden können, umso besser. Intel spricht von einem „erschwinglichen Preis“, der irgendwo zwischen den Kosten für DRAM und NAND-Flash liegen soll.

Bereits im Vorfeld hatte Intel für die kommenden High-End-CPUs der Generation Skylake-EP/EX von einer komplett neuen Speicherarchitektur gesprochen, die nun enthüllt wurde. Als mögliche Schnittstelle für den Datentransfer zur CPU kommt derzeit nur PCI Express in Frage. Eine Folie besagt allerdings, dass der Geschwindigkeitsvorteil gegenüber einer herkömmlichen SSD über PCI Express samt NVMe-Protokoll „nur“ bei Faktor zehn liegt.