3D XPoint™ เทคโนโลยีที่จะปฏิวัติวงการคอมพิวเตอร์ยุคปัจจุบัน

ก่อนจะเข้าสู่ยุค Quantum Computer ที่เราเริ่มเห็นกันบ่อยๆ ในภาพยนตร์ อย่าง Transcendence วันนี้ Intel ได้เผยความก้าวหน้าในงานวิจัยใหม่ 3D XPoint™ เป็นสื่อเก็บข้อมูลแบบ Non-Volatile Memory โดยการจัดวางหน่วยความจำแบบสามมิติ คือวางแนวตั้งเพิ่มขึ้นมานั่นเอง ส่งผลให้สามารถเพิ่มความหนาแน่นในการจัดวางหน่วยบันทึกข้อมูลต่อพื้นที่ ทำให้เก็บข้อมูลได้มากขึ้น และเพิ่มความเร็วในการเรียกใช้ข้อมูลได้เร็วขึ้น ในราคาที่ไม่แพง (รึเปล่า?)

ก่อนจะไปสู่ 3D XPoint™ ผมจะขอย้อนไปเล่าถึงพื้นฐานในเก็บข้อมูลบนคอมพิวเตอร์ซะ(เยอะ)หน่อย เพื่อแสดงให้เห็นว่าทำไมผมจึงได้มีความสนใจในเทคโนโลยีตัวนี้ถึงขนาดที่ว่ามาเขียนลง Blog กันเลยทีเดียว

สิ่งหนึ่งที่เราขาดไม่ได้ในการใช้งานคอมพิวเตอร์ก็คือการบันทึกข้อมูลที่ได้ทำลงไปด้วย เพื่อที่เปิดเครื่องมาใช้ครั้งต่อไป สิ่งที่เราได้เคยทำเอาไว้จะได้ยังคงอยู่ สื่อเก็บข้อมูลบนคอมพิวเตอร์ทุกวันนี้ ไม่ว่าจะเป็น HDD (Hard Disk Drive), RAM หรืออะไรก็ตาม ถูกดึงกันอยู่ด้วยข้อจำกัด 3 ประการ ได้แก่ ความเร็ว (Performance) ไฟเลี้ยง (Volatile) ราคา (ราคา) เพื่อให้ผู้ไม่ได้มีพื้นฐานมาก่อนได้พอเห็นภาพ ผมจะขอยกตัวอย่าง หน่วยความจำขึ้นมาอธิบาย

  • HDD ไม่ต้องใช้ไฟเลี้ยงเพื่อเก็บข้อมูล ราคาถูกทำให้ได้พื้นที่เก็บข้อมูลมาก แต่ช้า
  • DRAM เร็ว ราคาค่อนข้างแพง ทำให้ได้พื้นที่น้อย และต้องใช้ไฟเลี้ยง (ไฟดับข้อมูลหายหมด)
  • CPU Cache (เป็นหน่วยความจำของ CPU) เร็วโคตร ราคาก็แพงโคตร และต้องใช้ไฟเลี้ยง

ถ้าพิจารณาให้ดีก็จะพบว่า ความเร็วของหน่วยความจำแต่ละประเภทนั้นมีตั้งแต่ช้าเต่าไปถึงเร็วกระต่าย ซึ่งมันมักจะแปรผกผันกับราคา เหตุที่เราจำเป็นต้องมีหน่วยความหลายประเภทขนาดนี้ (จริงๆ มีอีกเยอะ) ก็เพราะว่า CPU นั้นเร็วมากเมื่อเทียบกับหน่วยความจำเหล่านี้ และเพื่อรักษาสมดุลระหว่างประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ให้ CPU ได้เต็มที่มากที่สุด และรักษาราคาให้ยังพอรับได้ เราจึงต้องซ้อนชนิดของหน่วยความจำจากช้าไปหาเร็ว เอาเร็วๆ ไว้ใกล้ๆ CPU แล้วช้าๆ เอาไว้ข้างล่าง เวลามีการดึงหน่วยความจำก็ต่อขึ้นไปเป็นชั้นๆ เมื่อมีการเรียกหน่วยความจำก้อนเดิมในครั้งแต่ไป ก็จะไม่ต้องลงมาเรียกจากหน่วยความจำที่ช้าเต่าแล้ว ดึงออกจากชั้นที่อยู่ใกล้ตัวเองที่สุด ส่งผลให้สามารถเข้าถึงหน่วยความจำได้เร็วขึ้น โดยกระบวนการนี้มีชื่อเรียกว่าการ Caching

บางคนอาจจะจิตนาการไปถึงคอมพิวเตอร์ที่ใช้แต่ RAM หรือ CPU Cache ว่ามันคงจะเร็วโคตรๆ (ตัดประเด็นเรื่องไฟดับออกไป) ใช่ครับ แต่ราคามันก็แพงโคตรเช่นกัน คอมพิวเตอร์ลักษณะนี้ก็มีใช้จริงกันอยู่ แต่คงไม่ใช่ตามบ้านอย่างแน่นอน และอีกอย่าง ไฟดับเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้ทั่วไปตามบ้านเรือน ดังนั้นการใช้หน่วยความจำที่ไม่ต้องใช้ไฟเลี้ยง (Non-Volatile Memory) จึงยังคงเป็นสิ่งจำเป็น

อย่างไรก็ดี เมื่อหลายปีที่ผ่านมา มีการใช้งานหน่วยความจำที่เรียกว่า NAND Flash Memory ในอุปกรณ์พกพาที่เราคุ้นเคยกันในชื่อของ Flash Drive ความจริงหน่วยความจำประเภทนี้มีใช้งานมานานแล้วบนแผงวงจรคอมพิวเตอร์ ทำให้เกิดการปฏิวัติไปแล้วหนึ่งรอบ พาเราเข้าสู่ยุคที่ทุกคนพก USB ไปเสียบคอมพิวเตอร์ชาวบ้าน นำพาไวรัสเดินวุ่นกันไปทั่ว และเนื่องจากความสามารถที่ลบๆ เขียนๆ ได้ไม่เหมือน CD ที่ส่วนใหญ่เขียนได้ครั้งเดียว และขนาดที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว  Flash Drive จึงทำให้เราเลิกใช้ CD กันไปเยอะมากๆ คงจะสิ้นสุดเร็วๆ นี้ สิ่งเดียวที่มันยังสู้ไม่ได้ก็คือ ราคาแผ่น CD นั้นช่างถูกเหลือเกิน มันเหมาะกับการเอาไว้ส่งข้อมูลให้มนุษย์ผู้อื่นแบบให้แล้วให้เลย

ในเวลาต่อมาไม่นาน ก็มีการนำหน่วยความจำ NAND ขนาดใหญ่มาเชื่อมต่อกันด้วยท่ายากอะไรบางอย่าง ทำให้เราสามารถเข้าถึงข้อมูลจากหลายๆ เซลล์ได้พร้อมๆ กัน ส่งผลในทางบวกอย่างมากทางด้านความเร็วในการอ่านและเขียน พอต่อกันมากเข้าๆ จึงเกิดสิ่งที่เราเชิดชูบูชากันทุกวันนี้ก็คือ SSD นั่นเอง ถ้าใครเคยใช้คอมพิวเตอร์ที่เป็น SSD แล้วจะหลงรักสุดๆ แต่เนื่องด้วยราคาของหน่วยความจำ NAND นั้นยังแพงมากเมื่อเทียบกับ Magnetic Storage ทำคอมพิวเตอร์ที่มาพร้อมกับ SSD มักจะราคาแพงโคตร แต่ดันมีเนื้อที่ให้เก็บข้อมูลเท่าฝาหอย ด้วยเหตุนี้ SSD จึงยังไม่สามารถตีตลาดหน่วยความจำแบบไม่ต้องใช้ไฟเลี้ยงได้สำเร็จ แต่ก็มีพัฒนาการที่ดีขึ้นเรื่อยๆ

เมื่อไม่นานผมได้ไปคุยกับเพื่อนที่ทำวิจัยอยู่กับ WD และ Seagate เรื่อง SSD และ Magnetic HDD เพื่อนๆ ยังมองว่า Magnetic HDD ยังจะอยู่ไปได้อีกไกล SSD กว่าจะไล่ตามทันก็อีกเป็นสิบปี และนั่นเป็นสิ่งที่ผมรู้สึกไม่ค่อยจะเห็นด้วยสักเท่าไหร่ สิ่งที่ผมมองเห็นก็คือ SSD มันเป็น chip ขนาดเล็ก ที่มีแนวโน้มว่าจะเล็กลงไปได้เรื่อยๆ อย่างที่เราเห็นกันใน CPU ในขณะที่ Magnetic HDD มันใช้กลไกที่ก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ ดังนั้นมันจะต้องติดข้อจำกัดทางฟิสิกส์ก่อน SSD แน่นอน ทุกวันนี้เห็นพยายามจะอัด He ลงไปใน HDD เพื่อเพิ่มความเสถียรของอากาศภายใน อีกไม่นาน มันจะไปต่อไม่ได้แน่นอน ดังนั้น SSD จะไปไกลกว่า Magnetic HDD แน่ๆ เพียง ณ ตอนนั้นยังไม่ถึงเวลานั้น จนกระทั่งเมื่อตอนเช้าได้อ่านข่าวไปเจอกับเจ้า 3D XPoint™ เข้า และผมก็มองเห็นว่า เรากำลังเข้าสู่ยุคของ SSD แล้ว และ Magnetic HDD กำลังจะหมดไป ไม่น่าจะเกิน 10 ปีหลังจากนี้ คอมส่วนใหญ่น่าจะมาพร้อมกัน SSD

เรามาเข้าเรื่องกันดีกว่า น่าจะตัดบทนำไปเขียนบทความแยกแทน  3D XPoint™ คือเทคนิคการจัดวางหน่วยความจำแบบ NAND ในแนวตั้ง ทำให้เก็บข้อมูลได้มากขึ้น เร็วขึ้น และราคาถูกลง

เพื่อให้รู้เรื่องก่อนเราจะไปกันต่อ ผมแนะนำให้ไปนั่งกดๆ ดู Video ในเว็บ 3D XPoint™ ครับ จริงๆ ถ้าดูเข้าใจแล้วไม่ต้องกลับมาอ่านต่อเลยซะด้วยซ้ำ

เรามีดูการทำงานของมันกันดีกว่า

หลักการการทำงานก็คือ วัสดุที่จะเอามาใช้เก็บหน่วยความจำจะถูกตัดแบ่งให้ออกห่างจากกันเล็กน้อย และแยกกันอย่างที่เห็นในรูปข้างบน โดยแต่ละเซลล์จะประกิบไปด้วย Selector เอาไว้ชี้ตัวหน่วยความจำ และ Memory Cell สำหรับเก็บข้อมูล

 

ต่อมาจะมีตัวส่งสัญญาณไฟฟ้ายาวๆ มาขั้นแต่ละชั้นของแต่ละเซลล์ ด้วยเหตุนี้ทำให้สามารถวางเซล์ซ้อนๆ กันได้นั่นเอง

วิธีการเรียกใช้งานหน่วยความจำแต่ละเซลล์นั้นก็สามารถทำได้ไม่ยาก โดยการส่งไฟฟ้าเข้าไปที่แผ่นยาวๆ ที่ใส่ไปในขั้นตอนก่อนหน้าทั้งแผ่นบนและแผ่นล่าง สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ จะมีเซลล์อย่างน้อย 1 เซลล์ที่จะได้รับกระแสไฟฟ้าจากทั้งสองแผ่น และนั่นคือการเรียกใช้งานข้อมูล หลักการนั้นแสนง่าย ผมนี่อึ้งเลยไปเลยหลังจากเห็น Video

พิจารณาเรื่องความเร็ว จะเห็นว่าหน่วยความจำประเภทนี้สามารถทำงานได้เร็วขึ้นอย่างมาก สมมุติว่ามีการเรียกใช้ข้อมูลที่อยู่ต่างกัน 2 ชั้น เราจะสามารถเข้าถึงข้อมูลได้พร้อมๆ กันเดียวทีเดียว สมมุติข้อมูลเซลล์ที่ต้องการมี 2 ตัว ตัวแรกอยู่ level 1 ส่วนอีกตัว อยู่ที level 3 การเข้าถึงข้อมูลจะทำผ่านตัวนำไฟฟ้าที่ติดอยู่กับ level 1,2 และ 3,4 แต่จะไม่สามารถเข้าถึงข้อมูลโดยพร้อมกันถ้าเซลล์ที่ต้องการเข้าถึงอยู่ใน level ที่ติดกัน อย่างไรก็ดี ถ้ามีการบริหารจัดการทรัพยากรดีๆ เช่น วางข้อมูลที่อยู่ต่อกันให้ไม่ติดกัน ก็เท่ากับว่า เราสามารถดึงข้อมูลที่อยู่ต่อๆ กันออกมาพร้อมกันได้แล้ว โคตรเจ๋งเลยใช่ไหมล่ะ

พิจาณาเรื่องราคา หน่วยความจำประเภทนี้ไม่มีความจำเป็นต้องลดขนาดลงไปจากเดิมเพื่อเพิ่มความหนาแน่นในแนวนอนแล้ว เนื่องจากมันอาศัยการวางเซลล์หน่วยความจำในแนวตั้ง ทำให้สามารถวางเซลล์หน่วยความจำขนาดเท่าเดิมได้เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ราคาลดลงจาก NAND 2D อย่างที่เราใช้ๆ กันอยู่ในทุกวันนี้

พิจารณาถึงอนาคต หน่วยความประเภทนี้ยังมีช่องให้พัฒนาไปได้อีกไกลมาก เนื่องอย่างที่เราเห็นถึงความสวยงามในการออกแบบ การลดขนาดของเซลล์จะไม่ได้เป็นการเพิ่มความจุแค่ x2 อีกต่อไป (แกน x และ y) แต่จะเป็นการเพิ่มแบบ x3 ดังนั้นผมมองว่า นี่ล่ะเป็นเทคโนโลยีที่จะพา NAND นำ Magnetic ได้สำเร็จเร็วยิ่งขึ้น

แต่ก็มีประเด็นที่ต้องคำนึงถึงเหมือนกัน เนื่องจากการวางหน่วยความจำแบบซ้อนๆ กัน จะทำให้เกิดความสะสมของความร้อน แทนที่แต่ละเซลล์สามารถระบายความร้อนออกไปได้ในทางใดทางหนึ่ง ทีนี้จะกลายเป็นว่ามันจะเป็นการระบายความร้อนผ่านไปโดนเซลล์ข้างเคียง ประเด็นนี้ผมก็ยังไม่ได้อ่านลงลึกว่าเขามีกระบวนการการระบายความร้อนกันอย่างไร..

ก่อนจะจบบทความ ขอฝากให้ถึงคนที่คิดจะซื้อคอมใหม่ ผมอยากให้ลองพิจารณา SSD ดูครับ ส่วนใหญ่จะติดปัญหาขนาดพื้นที่เก็บข้อมูลมันเล็กเกินไป แต่ผมเชื่อถ้าลองเลือกเก็บเฉพาะข้อมูลที่จำเป็นเอาไว้ในคอมพิวเตอร์แล้วเนี่ย ส่วนใหญ่จะเหลือข้อมูลไม่เกิน 100 GB หรอก รูป เพลง จับโยนขึ้นอินเทอร์เน็ตไปให้หมดเลยครับ เหลือไว้แต่โปรแกรม และข้อมูลที่จำเป็นต้องใช้บ่อยๆ ก็พอแล้ว ถึงแม้ SSD จะตกรุ่นอย่างรวมเร็ว แต่ถ้าคุณได้ลองใช้ SSD ดูสักครั้งแล้วเนี่ย คุณจะต้องติดใจ ผมรับรอง มันเป็นการตัดสินใจที่ถูกต้องที่สุดสำหรับการเลือกซื้อคอมพิวเตอร์เลยล่ะ

Ref: https://www-ssl.intel.com/content/www/us/en/architecture-and-technology/non-volatile-memory.html