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英特尔的存储野心

半导体行业观察
2019-10-28 · 13:44
[ 亿欧导读 ] 英特尔的确是一家伟大的半导体公司,一旦决定要实施某项业务,就会彻底贯彻下去。
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文章来源于:半导体行业观察,图片来自“Unsplash”

最近,各家媒体都报道了关于英特尔的存储半导体战略的相关新闻,对此我也饶有兴趣地读了一些。如果我的理解无误的话,我觉得其原委、情况应该如下文所述:

虽然继续与镁光合作开发3D NAND闪存半导体技术,然而,时至今日,英特尔与镁光的技术发展方向已经明显迥异。镁光收购了原与英特尔合作的、从事于3D NAND开发的IM Flash;英特尔则走上另一条路线。。

结果,英特尔与镁光中断了“彼此代工”的合作关系,英特尔把位于墨西哥州Rio Rancho的原为45/32nm的300mm的Fab.11改为生产存储半导体,并且这个工厂计划自2020年开始出货133/144层的最尖端的3D NAND存储半导体。英特尔果然还是专注于自家的Fab!

在英特尔方面,通过灵活运用其3D Xpoint技术(即Optane Memory),在成级数增加的数据中心(Data Center)的Memory Storage领域,在SSD的前段配置Storage Class Memory(SCM),以实现读写(存储)程度较高的应用(Application)的较快读取速度。 英特尔曾公布说,“我们要把核心业务从历来的PC转移到数据中心”,不仅局限于3D NAND,通过一个API 来提供横跨CPU、GPU、FPGA、AI处理器的开发环境。

乍一看,英特尔的似乎是打出了颇具野心的战略计划,而我今后还会继续密切关注其动态。英特尔的确是一家伟大的半导体公司,一旦决定要实施某项业务,就会彻底贯彻下去。GAFA(谷歌公司、苹果公司、脸书公司、亚马逊公司)等的登场彻底改变了半导体行业的面貌,对于英特尔与其他企业来说,要想在这个领域里生存下去,与时俱进是非常重要的必要条件。

英特尔正在转变其以PC为中心的战略,真的能够顺利“转行”吗? 采用了3D Xpoint技术的Optane SSD,定位为SCM的存储半导体,旨在消除数据中心存在的存储瓶颈问题。

英特尔存储半导体的战略前史

今天的英特尔在半导体行业中是CPU的TOP1,但英特尔也曾经推出过不少关于存储半导体的策略。但是这些策略并不都是成功的,让我们来回顾一下英特尔的战略前史吧。 这首先得从DRAM·EPROM时代说起。  估计应该很少有人记得英特尔曾经是一家存储半导体的生产商。实际上,英特尔是第一个将DRAM商业化的公司。

其实,直至20世纪80年代初期英特尔都一直是DRAM领域的冠军。英特尔同时是挥发性DRAM、非挥发性EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)的大型制造厂商。笔者曾就职的AMD也曾在EPROM领域获得过较高的市场占有率。但是,面对1985年的半导体衰退及日本半导体制造商的穷追猛赶,英特尔退出了作为主力的存储半导体业务,毅然决定投入到当时尚未形成市场的CPU上。由于这一重大决定,英特尔已经从内存公司转变为CPU公司,引领着计算机市场直至今日。具有讽刺意义的是,正是由于当时撤离了存储半导体业务,才有了英特尔今天的地位。镁光科技是今天唯一幸存的美国品牌的DRAM公司。 

EPROM经过紫外线照射,数据就会消失,所以产品上有玻璃窗。(图片出自:笔者收藏) 来到了 NOR Flash的时代。 英特尔退出了DRAM/EPROM,但CPU业务中的16Bit的80286大受欢迎,成为了PC界CPU的行业标准。除此之外,成为焦点的地方就是闪存半导体技术。

如果CPU提高性能、Windows不断发展,内存容量自然就成级数增加。闪存作为一种非挥发性存储技术具有无穷的潜力,该技术可以用固态(Solid State)的半导体元件代替HDD。英特尔已经提出了利用闪存半导体来回归到存储半导体领域的战略。

但是,如果这样认为,就大错特错! 英特尔(AMD也是一样)选择的闪存的结构是NOR型。相对于NAND型存储,NOR型具有读取速度快的优势,不过不利于提高集成度。结果就是闪存半导体的主流转向了NAND,这一趋势诞生了一家名为三星的“怪兽”!至此,英特尔的第二次半导体策略以失败告终。 最后到了RDRAM的时代。  

英特尔尽管称霸了CPU市场,但在第五代Pentium时,出现了AMD这一麻烦的竞争对手。K5失败以后,处于垂死状态的AMD收购了NexGen,获得了最新的CPU设计技术,花费1年时间,在1997年发布了与Pentium Socket媲美的K6处理器。

K6在性价比方面,对Pentium构成了威胁,后来,AMD又推出了K7(Athlon),至此AMD在CPU方面占据了绝对的技术优势。英特尔当时的新品Pentium III的内存接口(Memory Interface)上采用了高速RAMBUS技术,也是当时的游戏机的中央控制台(Game Console)采用的技术。 

投入资本到RAMBUS后,英特尔充分对业界的标准委员会(JEDEC)施加影响,RAMBUS要求的RDRAM成为了新一代的内存接口(Memory Interface)。然而实际的市场反响并不是很好。突然出现的DRAM价格昂贵,且没有出现预期的性能。英特尔的市场推广不如预期,又采取了在新一代的CPU的Pentium 4上安装2个RDRAM DIMM(RIMM),也就是“捆绑销售”,最终没有获得市场,英特尔的RDRAM存储半导体战略再次受挫。

英特尔Optane的秘密

自从计算机产业用硅芯片替代了磁芯以来,半导体研究人员和系统架构师就一直在寻找存储技术的“圣杯”——这种技术将动态RAM的速度和随机寻址能力与闪存的非易失性和成本效益结合在一起。在这个搜索的推进过程中,使我们进入了3D XPoint技术和Intel Optane永久内存。 

我们到底是怎么发展到这里的? 我们可以回看一下,闪存的发展迅速,可以实现电擦除,而通过NAND存储模块实现高密度以及容量呈指数增长。现在,我们有了的内存存储技术层次结构,在性能与容量之间进行权衡。因为英特尔指出,在过去的三十年中,闪存容量增加了七个数量级,从而使闪存能够越来越多地取代主存储中的硬盘。

 但闪存的问题在于它是针对容量而不是性能进行了优化的,其片上架构使其无法随机存取读写任意大小的数据块(例如DRAM)。3D XPoint则旨在通过一种存储介质来弥补这种性能和可用性差距。这种存储介质的使用原理是使用电阻的变化,而不是像DRAM和闪存之类的电容性电荷,同时允许通过三维交叉点(即结构)随机访问。 

经过多年的发展,英特尔已将3D XPoint纳入其Optane产品线,该产品线最初仅由用于主存储或缓存加速器的SSD替代产品组成。最近,Optane演变为包括另一类存储类存储器,即可替换或补充DRAM的可应用程序寻址的模块。巧合的是,随着下一代Xeon可扩展处理器(又名Cooper Lake)的推出,英特尔宣布推出Optane永久性内存模块(PMM),容量为128 GB至512 GB,约为当前DRAM模块的16至32倍。 

Optane永久性内存模块就像DRAM一样位于系统内存总线上。但是,与DRAM不同,它们仅支持具有Intel Purley芯片组的第二代Xeon可扩展处理器和系统。 由于3D XPoint设备的独特操作特性,系统BIOS可以将Optane模块配置为以以下两种方式之一运行:内存模式(Memory Mod)或应用程序直接模式(Application Direct Mode)。

这两种方法在性能和功能方面权衡了应用程序兼容性。我们将在下面更详细地说明每一个: 首先看兼容,但易失的内存模式; 据了解,内存模式创建单个的系统内存混合池。这个模式下不需要更改应用程序代码,因为它的运行方式类似于DRAM。由于操作系统和应用程序将Optane视为常规系统内存,因此在断电时它不会保存数据,因为系统将无法恢复数据。

内存模式针对具有大量内存需求的旧版应用程序,例如虚拟数据库。 英特尔Purley 平台的存储器控制器可以智能地使用DRAM和Optane的组合,速度更快的DRAM则用作最常访问的数据的缓存。对于每个数据请求,控制器首先检查DRAM缓存。

如果存在数据,则与传统的仅DRAM系统相比,返回数据时不会增加延迟。 据英特尔称,在具有一致或可重复数据访问模式的应用中,控制器可以预测最常用的数据并将其保存在DRAM中。

相反,假设内存容量足以防止交换到磁盘,那么具有高度随机访问模式的工作负载与全DRAM系统相比,性能会有所下降。 再看应用程序直接模式; 在应用才更新有直接模式下,操作系统和应用程序知道系统内存有两种类型:快速,易失性DRAM和较慢,永久的3D XPoint,并且在写入数据时可以选择最佳类型:DRAM用于要求最低延迟但可以容忍内存易失性的应用程序,而Optane可以满足需要永久性存储或数据集太大而无法装入DRAM的情况。针对数据子集进行永久性存储的能力是App Direct和Memory模式之间的关键区别。

与“内存模式”不同,“应用程序直接模式”运行要求操作系统或虚拟化环境能够运行可以处理永久性系统内存的文件系统。 根据英特尔的支持文档, 不同的操作系统支持一种或两种Optane操作模式。每种模式的不同操作特性也会影响系统注册可用的内存量。

因为“内存模式”将DRAM视为高速缓存,所以它不算作系统总内存的一部分。因此,如果您的系统具有512 GB的Optane模块和64 GB的DRAM,则操作系统将仅注册512 GB可用空间。相比之下,在App Direct模式下,应用程序和OS对DRAM和Optane的处理方式有所不同,因此系统将报告576 GB可用空间。 或者我们也可以使用混合模式配置,其中部分Optane容量用于内存模式,部分部分用于App Direct模式。

在英特尔的支持文件说,“当部分或全部的永久内存模块容量设置为内存模式,DRAM的容量是从应用程序隐藏,并成为最后一级高速缓存(强调)”。 

急剧变化的环境下的转变

下面让我们来分析一下此次英特尔的SCM存储半导体战略: 最近有报道称,AMD还在穷追猛赶CPU市场,但是,在数据中心(Data Center)的服务器的CPU市场上,英特尔的地位依旧不可动摇。不难想象,对于AI、5G带来的大量的负载,CPU和内存之间的等待时间(Latency,执行时间、延迟时间)间隔(Gap)将会非常关键(Critical)。

考虑到以上这一点,可以说获得高速、高集成的SSD是满足高端产品需求的完美解决方案。但是,英特尔也具有能与Xeon“捆绑销售”的优势。因此,可以说,英特尔所谓的“数字(Data)战略”其实是“数字中心(Data Center)战略”。 

而作为3D NAND的设计,英特尔公布说已经达到了133/144层,可见设计团队自信十足。而且,已经决定将Fab.11作为自己的Fab,可见英特尔这次是认真的。

但是,如果大环境是10年前的话,我们可以大致预测一下英特尔此次的战略将会对业界造成多大影响,然而今天的大环境却今非昔比。PC早已将核心平台的宝座让渡给了智能手机,英特尔在智能手机市场上的存在感几乎为零。而且英特尔也无法再上演将DRAM强制定为业界标准的“霸主行为”。英特尔想要推广,需要得到业界厂商的协助。英特尔可以把自己的合作伙伴扩展到什么程度呢?

韩国的Naver似乎是英特尔最初的数据中心的合作伙伴,然而Google、Amazon、Facebook等大型平台都在研发并使用自己的CPU和AI芯片,并且他们也很有可能已经拥有了高速内存·解决方案(Memory Solution)(很有可能是自己开发的)。

而且,以上这些设计在技术上都要依赖于7nm或者拥有尖端工艺的TSMC。 

英特尔的存储半导体战略被定位为--“补充作为核心的CPU业务”。反过来说,英特尔存储半导体战略的成功与否取决于英特尔能否在CPU市场获得更进一步的成功。

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