最近，各家媒體都報(bào)道了關(guān)于英特爾的存儲(chǔ)半導(dǎo)體戰(zhàn)略的相關(guān)新聞，對(duì)此我也饒有興趣地讀了一些。如果我的理解無(wú)誤的話，我覺(jué)得其原委、情況應(yīng)該如下文所述：
雖然繼續(xù)與鎂光合作開(kāi)發(fā)3D NAND閃存半導(dǎo)體技術(shù)，然而，時(shí)至今日，英特爾與鎂光的技術(shù)發(fā)展方向已經(jīng)明顯迥異。鎂光收購(gòu)了原與英特爾合作的、從事于3D NAND開(kāi)發(fā)的IM Flash；英特爾則走上另一條路線。。
結(jié)果，英特爾與鎂光中斷了“彼此代工”的合作關(guān)系，英特爾把位于墨西哥州Rio Rancho的原為45/32nm的300mm的Fab.11改為生產(chǎn)存儲(chǔ)半導(dǎo)體，并且這個(gè)工廠計(jì)劃自2020年開(kāi)始出貨133/144層的最尖端的3D NAND存儲(chǔ)半導(dǎo)體。英特爾果然還是專(zhuān)注于自家的Fab！
在英特爾方面，通過(guò)靈活運(yùn)用其3D Xpoint技術(shù)（即Optane Memory），在成級(jí)數(shù)增加的數(shù)據(jù)中心（Data Center）的Memory Storage領(lǐng)域，在SSD的前段配置Storage Class Memory（SCM），以實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)（存儲(chǔ)）程度較高的應(yīng)用（Application）的較快讀取速度。英特爾曾公布說(shuō)，“我們要把核心業(yè)務(wù)從歷來(lái)的PC轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心”，不僅局限于3D NAND，通過(guò)一個(gè)API來(lái)提供橫跨CPU、GPU、FPGA、AI處理器的開(kāi)發(fā)環(huán)境。
乍一看，英特爾的似乎是打出了頗具野心的戰(zhàn)略計(jì)劃，而我今后還會(huì)繼續(xù)密切關(guān)注其動(dòng)態(tài)。英特爾的確是一家偉大的半導(dǎo)體公司，一旦決定要實(shí)施某項(xiàng)業(yè)務(wù)，就會(huì)徹底貫徹下去。GAFA（谷歌公司、蘋(píng)果公司、臉書(shū)公司、亞馬遜公司）等的登場(chǎng)徹底改變了半導(dǎo)體行業(yè)的面貌，對(duì)于英特爾與其他企業(yè)來(lái)說(shuō)，要想在這個(gè)領(lǐng)域里生存下去，與時(shí)俱進(jìn)是非常重要的必要條件。
英特爾正在轉(zhuǎn)變其以PC為中心的戰(zhàn)略，真的能夠順利“轉(zhuǎn)行”嗎？采用了3D Xpoint技術(shù)的Optane SSD，定位為SCM的存儲(chǔ)半導(dǎo)體，旨在消除數(shù)據(jù)中心存在的存儲(chǔ)瓶頸問(wèn)題。
英特爾存儲(chǔ)半導(dǎo)體的戰(zhàn)略前史
今天的英特爾在半導(dǎo)體行業(yè)中是CPU的TOP1,但英特爾也曾經(jīng)推出過(guò)不少關(guān)于存儲(chǔ)半導(dǎo)體的策略。但是這些策略并不都是成功的，讓我們來(lái)回顧一下英特爾的戰(zhàn)略前史吧。這首先得從DRAM·EPROM時(shí)代說(shuō)起。估計(jì)應(yīng)該很少有人記得英特爾曾經(jīng)是一家存儲(chǔ)半導(dǎo)體的生產(chǎn)商。實(shí)際上，英特爾是第一個(gè)將DRAM商業(yè)化的公司。
其實(shí)，直至20世紀(jì)80年代初期英特爾都一直是DRAM領(lǐng)域的冠軍。英特爾同時(shí)是揮發(fā)性DRAM、非揮發(fā)性EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）的大型制造廠商。筆者曾就職的AMD也曾在EPROM領(lǐng)域獲得過(guò)較高的市場(chǎng)占有率。但是，面對(duì)1985年的半導(dǎo)體衰退及日本半導(dǎo)體制造商的窮追猛趕，英特爾退出了作為主力的存儲(chǔ)半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，毅然決定投入到當(dāng)時(shí)尚未形成市場(chǎng)的CPU上。由于這一重大決定，英特爾已經(jīng)從內(nèi)存公司轉(zhuǎn)變?yōu)镃PU公司，引領(lǐng)著計(jì)算機(jī)市場(chǎng)直至今日。具有諷刺意義的是，正是由于當(dāng)時(shí)撤離了存儲(chǔ)半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，才有了英特爾今天的地位。鎂光科技是今天唯一幸存的美國(guó)品牌的DRAM公司。
EPROM經(jīng)過(guò)紫外線照射，數(shù)據(jù)就會(huì)消失，所以產(chǎn)品上有玻璃窗。（圖片出自：筆者收藏）來(lái)到了NOR Flash的時(shí)代。英特爾退出了DRAM/EPROM，但CPU業(yè)務(wù)中的16Bit的80286大受歡迎，成為了PC界CPU的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，成為焦點(diǎn)的地方就是閃存半導(dǎo)體技術(shù)。
如果CPU提高性能、Windows不斷發(fā)展，內(nèi)存容量自然就成級(jí)數(shù)增加。閃存作為一種非揮發(fā)性存儲(chǔ)技術(shù)具有無(wú)窮的潛力，該技術(shù)可以用固態(tài)（Solid State）的半導(dǎo)體元件代替HDD。英特爾已經(jīng)提出了利用閃存半導(dǎo)體來(lái)回歸到存儲(chǔ)半導(dǎo)體領(lǐng)域的戰(zhàn)略。
但是，如果這樣認(rèn)為，就大錯(cuò)特錯(cuò)！英特爾（AMD也是一樣）選擇的閃存的結(jié)構(gòu)是NOR型。相對(duì)于NAND型存儲(chǔ)，NOR型具有讀取速度快的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)不利于提高集成度。結(jié)果就是閃存半導(dǎo)體的主流轉(zhuǎn)向了NAND，這一趨勢(shì)誕生了一家名為三星的“怪獸”！至此，英特爾的第二次半導(dǎo)體策略以失敗告終。最后到了RDRAM的時(shí)代。
英特爾盡管稱(chēng)霸了CPU市場(chǎng)，但在第五代Pentium時(shí)，出現(xiàn)了AMD這一麻煩的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。K5失敗以后，處于垂死狀態(tài)的AMD收購(gòu)了NexGen，獲得了最新的CPU設(shè)計(jì)技術(shù)，花費(fèi)1年時(shí)間，在1997年發(fā)布了與Pentium Socket媲美的K6處理器。
K6在性?xún)r(jià)比方面，對(duì)Pentium構(gòu)成了威脅，后來(lái)，AMD又推出了K7（Athlon），至此AMD在CPU方面占據(jù)了絕對(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。英特爾當(dāng)時(shí)的新品Pentium III的內(nèi)存接口（Memory Interface）上采用了高速RAMBUS技術(shù)，也是當(dāng)時(shí)的游戲機(jī)的中央控制臺(tái)（Game Console）采用的技術(shù)。
投入資本到RAMBUS后，英特爾充分對(duì)業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（JEDEC）施加影響，RAMBUS要求的RDRAM成為了新一代的內(nèi)存接口（Memory Interface）。然而實(shí)際的市場(chǎng)反響并不是很好。突然出現(xiàn)的DRAM價(jià)格昂貴，且沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)期的性能。英特爾的市場(chǎng)推廣不如預(yù)期，又采取了在新一代的CPU的Pentium 4上安裝2個(gè)RDRAM DIMM(RIMM)，也就是“捆綁銷(xiāo)售”，最終沒(méi)有獲得市場(chǎng)，英特爾的RDRAM存儲(chǔ)半導(dǎo)體戰(zhàn)略再次受挫。
英特爾Optane的秘密
自從計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)用硅芯片替代了磁芯以來(lái)，半導(dǎo)體研究人員和系統(tǒng)架構(gòu)師就一直在尋找存儲(chǔ)技術(shù)的“圣杯”——這種技術(shù)將動(dòng)態(tài)RAM的速度和隨機(jī)尋址能力與閃存的非易失性和成本效益結(jié)合在一起。在這個(gè)搜索的推進(jìn)過(guò)程中，使我們進(jìn)入了3D XPoint技術(shù)和Intel Optane永久內(nèi)存。
我們到底是怎么發(fā)展到這里的？我們可以回看一下，閃存的發(fā)展迅速，可以實(shí)現(xiàn)電擦除，而通過(guò)NAND存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)高密度以及容量呈指數(shù)增長(zhǎng)?，F(xiàn)在，我們有了的內(nèi)存存儲(chǔ)技術(shù)層次結(jié)構(gòu)，在性能與容量之間進(jìn)行權(quán)衡。因?yàn)橛⑻貭栔赋觯谶^(guò)去的三十年中，閃存容量增加了七個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使閃存能夠越來(lái)越多地取代主存儲(chǔ)中的硬盤(pán)。
但閃存的問(wèn)題在于它是針對(duì)容量而不是性能進(jìn)行了優(yōu)化的，其片上架構(gòu)使其無(wú)法隨機(jī)存取讀寫(xiě)任意大小的數(shù)據(jù)塊（例如DRAM）。3D XPoint則旨在通過(guò)一種存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)彌補(bǔ)這種性能和可用性差距。這種存儲(chǔ)介質(zhì)的使用原理是使用電阻的變化，而不是像DRAM和閃存之類(lèi)的電容性電荷，同時(shí)允許通過(guò)三維交叉點(diǎn)（即結(jié)構(gòu)）隨機(jī)訪問(wèn)。
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，英特爾已將3D XPoint納入其Optane產(chǎn)品線，該產(chǎn)品線最初僅由用于主存儲(chǔ)或緩存加速器的SSD替代產(chǎn)品組成。最近，Optane演變?yōu)榘硪活?lèi)存儲(chǔ)類(lèi)存儲(chǔ)器，即可替換或補(bǔ)充DRAM的可應(yīng)用程序?qū)ぶ返哪K。巧合的是，隨著下一代Xeon可擴(kuò)展處理器（又名Cooper Lake）的推出，英特爾宣布推出Optane永久性?xún)?nèi)存模塊（PMM），容量為128 GB至512 GB，約為當(dāng)前DRAM模塊的16至32倍。
Optane永久性?xún)?nèi)存模塊就像DRAM一樣位于系統(tǒng)內(nèi)存總線上。但是，與DRAM不同，它們僅支持具有Intel Purley芯片組的第二代Xeon可擴(kuò)展處理器和系統(tǒng)。由于3D XPoint設(shè)備的獨(dú)特操作特性，系統(tǒng)BIOS可以將Optane模塊配置為以以下兩種方式之一運(yùn)行：內(nèi)存模式（Memory Mod）或應(yīng)用程序直接模式（Application Direct Mode）。
這兩種方法在性能和功能方面權(quán)衡了應(yīng)用程序兼容性。我們將在下面更詳細(xì)地說(shuō)明每一個(gè)：首先看兼容，但易失的內(nèi)存模式；據(jù)了解，內(nèi)存模式創(chuàng)建單個(gè)的系統(tǒng)內(nèi)存混合池。這個(gè)模式下不需要更改應(yīng)用程序代碼，因?yàn)樗倪\(yùn)行方式類(lèi)似于DRAM。由于操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序?qū)ptane視為常規(guī)系統(tǒng)內(nèi)存，因此在斷電時(shí)它不會(huì)保存數(shù)據(jù)，因?yàn)橄到y(tǒng)將無(wú)法恢復(fù)數(shù)據(jù)。
內(nèi)存模式針對(duì)具有大量?jī)?nèi)存需求的舊版應(yīng)用程序，例如虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)。英特爾Purley平臺(tái)的存儲(chǔ)器控制器可以智能地使用DRAM和Optane的組合，速度更快的DRAM則用作最常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的緩存。對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，控制器首先檢查DRAM緩存。
如果存在數(shù)據(jù)，則與傳統(tǒng)的僅DRAM系統(tǒng)相比，返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)不會(huì)增加延遲。據(jù)英特爾稱(chēng)，在具有一致或可重復(fù)數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式的應(yīng)用中，控制器可以預(yù)測(cè)最常用的數(shù)據(jù)并將其保存在DRAM中。
相反，假設(shè)內(nèi)存容量足以防止交換到磁盤(pán)，那么具有高度隨機(jī)訪問(wèn)模式的工作負(fù)載與全DRAM系統(tǒng)相比，性能會(huì)有所下降。再看應(yīng)用程序直接模式；在應(yīng)用才更新有直接模式下，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序知道系統(tǒng)內(nèi)存有兩種類(lèi)型：快速，易失性DRAM和較慢，永久的3D XPoint，并且在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)可以選擇最佳類(lèi)型：DRAM用于要求最低延遲但可以容忍內(nèi)存易失性的應(yīng)用程序，而Optane可以滿(mǎn)足需要永久性存儲(chǔ)或數(shù)據(jù)集太大而無(wú)法裝入DRAM的情況。針對(duì)數(shù)據(jù)子集進(jìn)行永久性存儲(chǔ)的能力是App Direct和Memory模式之間的關(guān)鍵區(qū)別。
與“內(nèi)存模式”不同，“應(yīng)用程序直接模式”運(yùn)行要求操作系統(tǒng)或虛擬化環(huán)境能夠運(yùn)行可以處理永久性系統(tǒng)內(nèi)存的文件系統(tǒng)。根據(jù)英特爾的支持文檔，不同的操作系統(tǒng)支持一種或兩種Optane操作模式。每種模式的不同操作特性也會(huì)影響系統(tǒng)注冊(cè)可用的內(nèi)存量。
因?yàn)?ldquo;內(nèi)存模式”將DRAM視為高速緩存，所以它不算作系統(tǒng)總內(nèi)存的一部分。因此，如果您的系統(tǒng)具有512 GB的Optane模塊和64 GB的DRAM，則操作系統(tǒng)將僅注冊(cè)512 GB可用空間。相比之下，在App Direct模式下，應(yīng)用程序和OS對(duì)DRAM和Optane的處理方式有所不同，因此系統(tǒng)將報(bào)告576 GB可用空間?；蛘呶覀円部梢允褂没旌夏Ｊ脚渲茫渲胁糠諳ptane容量用于內(nèi)存模式，部分部分用于App Direct模式。
在英特爾的支持文件說(shuō)，“當(dāng)部分或全部的永久內(nèi)存模塊容量設(shè)置為內(nèi)存模式，DRAM的容量是從應(yīng)用程序隱藏，并成為最后一級(jí)高速緩存（強(qiáng)調(diào)）”。
急劇變化的環(huán)境下的轉(zhuǎn)變
下面讓我們來(lái)分析一下此次英特爾的SCM存儲(chǔ)半導(dǎo)體戰(zhàn)略：最近有報(bào)道稱(chēng)，AMD還在窮追猛趕CPU市場(chǎng)，但是，在數(shù)據(jù)中心（Data Center）的服務(wù)器的CPU市場(chǎng)上，英特爾的地位依舊不可動(dòng)搖。不難想象，對(duì)于AI、5G帶來(lái)的大量的負(fù)載，CPU和內(nèi)存之間的等待時(shí)間（Latency，執(zhí)行時(shí)間、延遲時(shí)間）間隔（Gap）將會(huì)非常關(guān)鍵（Critical）。
考慮到以上這一點(diǎn)，可以說(shuō)獲得高速、高集成的SSD是滿(mǎn)足高端產(chǎn)品需求的完美解決方案。但是，英特爾也具有能與Xeon“捆綁銷(xiāo)售”的優(yōu)勢(shì)。因此，可以說(shuō)，英特爾所謂的“數(shù)字（Data）戰(zhàn)略”其實(shí)是“數(shù)字中心（Data Center）戰(zhàn)略”。
而作為3D NAND的設(shè)計(jì)，英特爾公布說(shuō)已經(jīng)達(dá)到了133/144層，可見(jiàn)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)自信十足。而且，已經(jīng)決定將Fab.11作為自己的Fab，可見(jiàn)英特爾這次是認(rèn)真的。
但是，如果大環(huán)境是10年前的話，我們可以大致預(yù)測(cè)一下英特爾此次的戰(zhàn)略將會(huì)對(duì)業(yè)界造成多大影響，然而今天的大環(huán)境卻今非昔比。PC早已將核心平臺(tái)的寶座讓渡給了智能手機(jī)，英特爾在智能手機(jī)市場(chǎng)上的存在感幾乎為零。而且英特爾也無(wú)法再上演將DRAM強(qiáng)制定為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的“霸主行為”。英特爾想要推廣，需要得到業(yè)界廠商的協(xié)助。英特爾可以把自己的合作伙伴擴(kuò)展到什么程度呢？
韓國(guó)的Naver似乎是英特爾最初的數(shù)據(jù)中心的合作伙伴，然而Google、Amazon、Facebook等大型平臺(tái)都在研發(fā)并使用自己的CPU和AI芯片，并且他們也很有可能已經(jīng)擁有了高速內(nèi)存·解決方案（Memory Solution）（很有可能是自己開(kāi)發(fā)的）。
而且，以上這些設(shè)計(jì)在技術(shù)上都要依賴(lài)于7nm或者擁有尖端工藝的TSMC。
英特爾的存儲(chǔ)半導(dǎo)體戰(zhàn)略被定位為--“補(bǔ)充作為核心的CPU業(yè)務(wù)”。反過(guò)來(lái)說(shuō)，英特爾存儲(chǔ)半導(dǎo)體戰(zhàn)略的成功與否取決于英特爾能否在CPU市場(chǎng)獲得更進(jìn)一步的成功。
