Test: Intel Optane 900p – Världens snabbaste konsument-SSD

3D-Xpoint är baserad på PCM, troligtvis...

PCM eller inte?

Intel och Micron har genom åren presenterat en del fakta om vad 3D-Xpoint faktiskt är och hur det fungerar. Trots det så har ingen med 100% säkerhet kunnat säga exakt vilken typ av teknologi som man använder. De flesta uttalanden tyder dock på att man använt ngon form av PCM eller Phase Change Memory. Vilket också är troligt eftersom både Intel och Micron tidigare har pratat mycket om att PCM är deras lösning på framtidens minnesteknik. Trots det har man vid ett flertal tillfällen sagt att 3D Xpoint INTE är PCM. Men när man släppte de första enheterna för några månader sedan så har flera oberonde källor bekräftat att det faktiskt rör sig om PCM och en så länge så finns inget (förutom det Intel/Micron sagt) som tyder på att det inte rör sig om någon typ av PCM och de flesta verkar vara överens om det.

Phase Change Memory är inte ett nytt koncept utan det har funnits under många år. Faktum är att mycket av anledningen till att man inte kunnat göra PCM-baserade minneskretsar fören nu, är också en av anledningarna till att det är överlägset NAND.

En kemi-lektion…

Även om NAND-flash och PCMs användningsområde är ungefär detsamma (de är båda minnestyper som kan användas för lagring, då de inte kräver ström för att behålla data, ett så kallat icke flyktigt minne), så har de egentligen få saker gemensamt. I NAND-flash så lagrar man elektroner (antigen i ett isolerande lager, eller i en grind) och antalet elektroner går sedan att läsa av på hur pass stor negativ laddning de utgör. Med PCM så ändrar man själva materialets ledningsförmåga genom att ändra materialets molekylära struktur, därav namnet Phase Change Memory, mellan amorf och kristallisk.

I kemin pratar man om att ett ämne kan vara fast, flytande eller en gas. Vilken beror på tryck och temperatur. Exempelvis så är vatten flytande i rumstemperatur, men blir fast (is) när temperaturen går under 0, eller till gas (vattenånga) över 100 grader. Amorf och Kristallisk är två olika typer av fast form. Amorf betyder att även om ämnet är i fast form så är inte atomerna ”i ordning”. De flesta metaller har en kristallisk form och det betyder att atomerna som bygger upp materialet ligger ordnade i en väldigt kontinuerlig ordnad form. Men vissa metaller har egenskapen att bli Amorf ifall man värmer upp det till flytande form och sedan snabbt kyler ner det.

Det som gör amorfa strukturer intressant är att dess elektriska egenskaper förändras om ett ämne går från kristallisk till amorf. En amorf struktur har nämligen högre resistans vid låg spänning, än vad en kristallisk struktur har.  Det betyder att genom att läsa av hur hög resistans det är genom en metall så kan man få två olika värden, baserat på vilken struktur som metallen har och därmed så kan man lagra 1 och 0.

Läs och skriv till PCM och varför det är överlägset NAND-flash.

Att läsa och skriva till en PCM-cell görs med en puls på en viss spänning. Om cellen är en amorf-struktur, och du lägger på en låg spänning så kommer cellen inte att leda någon ström, och då läses cellen som 0. Om den istället är kristallisk så kommer även en låg spänning att flyta igenom och då är det en 1:a. Skrivning sker genom att man lägger på en högre spänning. Om cellen är 0 så agerar den som ett motstånd och när spänningen ökar så ökar även strömmen, vilket i sin tur leder till värme. Om man når ungefär 350 grader så räcker det för att materialet ska gå från amorf till en kristall-struktur och då har vi ”skrivit” en 1a till cellen. Men om man lägger på en ännu högre spänning så att materialet blir uppåt 600 grader, så smälter det. När sedan spänningen slås ifrån så kyls materialet ner väldigt fort och hamnar då i en amorf-struktur igen. Varpå man har skrivit 0.

Detta leder oss till en av de stora fördelarna med PCM jämfört med NAND-flash. Om en cell har ett visst värde, så behöver den inte raderas innan ny data kan skrivas. Om en cell ska byta värde så lägger man helt enkelt bara på en spänning som ändrar strukturen till det nya värdet. Detta gör också att du behöver inte skriva data i ”sidor” och radera data i ”block” som man måste med NAND. Med PCM kan man skriva enstaka bitar för sig helt oberoende av andra celler runtomkring.

Likheter med CD/DVD-RW skivor

Som vi nämnde tidigare så är detta inte någon ny teknik. Faktum är optiska skivor som kan kan ”brännas” om flera gånger fungerar på ungefär samma sätt. Där använder man en laser för att värma upp materialet så att det bildade amorfa strukturer som bildade ”fläckar” som sedan kunde läsas av en mindre kraftfull laser (eftersom de reflekterar ljuset annorlunda). Man kunde sedan radera skivan genom att använda en ännu kraftigare laser som återställde materialet till en kristall-struktur.