SCM“存储级内存”•英特尔傲腾

什么是SCM？

SCM的全称为Storage Class Memory，即“存储级内存”。有时它也被人们称作Persisent Memory（持久内存）或Non-Volatile Memory（非易失性内存）。

这些各异的名称，均直截了当地揭示出SCM的特点：它是一种拥有近似于硬盘的持久性（Sotrage-Class），又如内存般高速（Memory）的存储介质。

SCM的意义

在数据中心的结构中，DRAM内存与SSD硬盘之间存在巨大的性能鸿沟。数据在内存与硬盘之间的往返，成为了制约整体性能的瓶颈所在。

正如CPU中增设多级缓存架构一样，SCM也是基于相近的理由而诞生。为了填补DRAM同SSD之间的巨大性能落差，SCM以分层存储结构中“DRAM缓冲区”的身份被研制出来。

由于SCM能够在断电后保存数据，它能够成为DRAM的有力补充。同时，相比普通的硬盘，SCM能提供数倍于SSD的性能和远高于SSD的擦写寿命。

同时，SCM的存在还能够打破现今DRAM三大供应商的垄断。如今，DRAM行业的投入越来越高，相对的产出比例却逐年降低。SCM也因此被寄予厚望，肩负着部分代替DRAM的使命。

本期文章就将聚焦于SCM行业的先驱者——英特尔和它的傲腾产品。

INTEL OPTANE（2017—2022）

傲腾是英特尔在2017年率先投入商用的SCM产品。它使用了独一无二的“相变存储器”原理，时至今日也依然是标杆之一。

2017年3月，在一场轰轰烈烈的发布会之后，INTEL正式发布了P4800X固态硬盘。和傲腾一道进入公众视野的，还有被称作3DXpoint的相变存储技术。这就是傲腾不同于传统硬盘的革新之处。

傲腾P4800X

PCM的原理

傲腾的诞生，并非一日之功。事实上，在P4800X出现在公众视野之前，INTEL已经在PCM“相变存储器”领域进行了数十年如一日的探索。

一篇SCIA演讲的内容：INTEL已经研究相变存储器45年了！

简单来说，3DXpoint所使用的PCM原理 是通过改变温度的方式进行数据写入。在低温下，介质处于低电阻的结晶状态；而在高温加热后，介质的电阻升高，转变为不定型状态。物质的不同状态，就对应了二进制数据的0与1。3DXpoint借此完成对数据的存储与记录。

3DXpoint结构图

要说明PCM原理的优势，首先要引出固态硬盘存在的“冷数据”问题。

传统固态硬盘使用的是NAND“与非门”，以电子来存储记录数据。但在不通电时，NAND中的电子会随着时间而泄露，在下一次读取时，这便会引发错误，导致读取速度缓慢，甚至数据丢失。

一块遭遇“冷数据”问题的西数SATA蓝盘

如今，硬盘主控大都有专门应对“冷数据”的算法，以最大限度地降低数据损坏的可能。但“冷数据”的阴云依然存在，且纠错算法势必对读取速度有不小影响。

随着硬盘擦写次数的增加，电子泄露的速度也会逐渐加快。雪上加霜的是，随着技术从MLC、TLC再发展到QLC，硬盘的数据保存能力也在逐年下降。同时，硬盘断电后的环境温度，也会显著影响电子的泄露速度。

不同NAND固态硬盘的数据保持标准

而3DXpoint以电阻记录数据的独特原理，从根本上断绝了电子泄露的可能。PCM材料的相变需要上百摄氏度的极苛刻条件，这让傲腾在断电后的数据保持能力大大增强，“冷数据”问题大幅改善。

也是因为独特的PCM原理，3DXpoint大幅降低了数据的读取延迟，最终成就了傲腾为人所惊叹的随机读写性能——这项参数是衡量硬盘性能的公认标杆之一。

重负载下的性能测试，傲腾一骑绝尘 数据来源：LinusTechTips

同时，由于不需要DRAM缓存的优化，无需断电保护电容，傲腾自身就能达成停电保护的能力。

现今，动辄突破7GB/s读写速度的NAND固态硬盘，多半仰仗于SLC Cache技术。SLC Cache为NAND带来“鸡血”的同时，也造就了更大的发热与写入放大问题。

SLC缓存耗尽后的断崖式速度下跌

在日常使用中，部分软件并不支持以SLC Cache的速度进行存取。而一旦离开了SLC Cache，NAND硬盘的表现便会一泻千里。

但因为3DXPoint比SLC更快，因此无需SLC Cache的介入。规避了SLC Cache存在的种种问题，傲腾不存在“出缓掉速”的可能，更保持了使用中的性能一致性。

以上种种优异的特点，给予了INTEL宣称“傲腾性能接近内存”的底气。作为SCM的先驱者，傲腾的诞生毫无疑问是一次技术革新。

高昂的成本

没有一项技术是完美的，新生的SCM更是如此。

堆叠层数的差距，是PCM的阿喀疏斯之踵。尽管在实验室中实现PCM的多层堆叠并不算难事，但在实际的操作中，由于良品率、生产工艺等因素的制约，第一代3DXpoint仅采用了20nm制程，且为2-Deck堆叠。

在3DXpoint技术初现曙光的2015年，NAND的堆叠层数还停留在24层左右。但随着存储行业的飞速发展，在傲腾真正亮相的2017年，3D NAND已达到了64层堆叠，还正向着96层进军！

直到2020年，3DXpoint才实现4-Deck堆叠 彼时的NAND已超过144层堆叠

更多的堆叠层数不仅意味着更大的存储容量，还带来了生产成本的显著下降。在傲腾正式推向市场之时，存储容量和价格方面的劣势几乎立刻就显现出来。英特尔于2017年推出的消费级初代傲腾产品，至多也仅有32G容量。而在2018年，存储空间“多达”118G的傲腾800p，官方指导价就达到了惊人的199.99美元（约合1300元人民币）！而它已经是傲腾产品中相对经济的选择了。

SCM制造企业Dapustor（大普微）根据镁光和英特尔的财报推测，在2020年第二季度，INTEL 第一代3D Xpoint的晶圆（Wafer）成本约是96层TLC NAND的10倍！在傲腾推出的第三个年头，价格尚且如此。PCM最初的成本何其高昂，可想而知。

在财务表现上，由于巨大的研发投入，INTEL的傲腾业务也一直面临着持续亏损。由于容量上有着先天不足，成本与价格也始终居高不下。傲腾没能像INTEL设想的那样，代替硬盘与内存中的任何一方。

结局

根据INTEL的策略，3D NAND是加速固态硬盘代替机械硬盘的基石，因此迫切需要更大的容量、更低的成本。而高性能领域的存储需求则由3DXpoint来完成。因此，INTEL选择押注QLC与傲腾。

英特尔的发展策略

然而，傲腾和QLC并没有如INTEL所想的那样，带来一个新的时代。与之相反的是，它们带走了属于INTEL的时代。伴随着傲腾与QLC的接连失利，INTEL开始失去昔日的市场、技术优势和利润。作为曾经的行业巨头，英特尔如今日渐式微。

2020年，英特尔将3D NAND业务全盘出售给SK海力士，同年，消费级傲腾正式宣告停产。在2022年7月，伴随着一份不太乐观的财务报告，企业级傲腾也走向了终结。

PCM“相变存储器”原理不过是被傲腾所轻轻触动，却已足够惊艳。作为固态硬盘的顶点，傲腾和3DXpoint已在历史上留下了属于自己的浓墨重彩一笔。

傲腾的离去，正揭示了SCM所处的困境：越是到高处，空气越稀薄。为达成极高的读写性能，SCM所采用的尖端技术需要惊人的研发投入、极高的生产成本，并且亟待软件支持。

高昂的价格和应用上的不成熟，让SCM深陷叫好不叫座的漩涡之中。在产业得以形成正循环之前，SCM的生产商们便纷纷黯然离场。如今新生的CXL技术，更对SCM的前景提出了挑战。

SCM极高的性能，和它所处的境遇形成鲜明对比，共同谱写了一场革命性存储介质的创新悲歌。

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