3D XPoint'ten Optane'e: Yeni Bellek Kategorisi Neden Tutunamadı

Temmuz 2015 sonunda Intel ve Micron, yirmi beş yıl sonra ilk yeni bellek kategorisini duyurduklarını açıkladı. Adı 3D XPoint idi ve devasa veri kümelerine anında erişimi kökten değiştireceği söyleniyordu. Kalıcı yapısı sayesinde enerji kesilince veriyi unutmayan, NOR ya da NAND'a benzeyen ama onlardan bin kata kadar hızlı ve dayanıklı olduğu iddia ediliyordu. Tek bir zarın 128 gigabit saklayabildiği, yoğunluğun sıradan belleğin on katına çıkabildiği anlatıldı. Teknoloji hızla Intel tarafında Optane markasına dönüşecek ve sektör yeni bir çağ beklentisine girecekti.

Fizik Dersi: Kristalden Cama Nasıl Bit Yazılır

DRAM ve flash elektriği yük olarak tutar, biri transistörün yüzen kapısında, diğeri ince bir kapasitörde. Faz-değişimli bellek tamamen farklı bir prensibe yaslanır: belirli bir malzemenin fazları arasında geçiş yapabilmesi. Kristalin halde atomlar düzenli ve tekrarlı dizilir, elektrik kolay akar ve direnç düşüktür. Malzeme eritilip hızla soğutulursa cam benzeri rastgele bir amorf hale geçer, direnç birkaç kat artar; bu geçişe RESET denir. Tersine dönüş SET olarak anılır ve ya eriyik yavaş soğutularak ya da amorf katının doğrudan uygun sıcaklıkta ısıtılıp kristalleştirilmesiyle yapılır; çoğu zaman hız darboğazı da bu SET adımıdır. Isı birçok mimaride farklı üretilebilir, en bilineni mantar hücredir: silindirik bir Joule ısıtıcı elektrot, faz-değişimli filmle temas eder ve elektrottan yayılan şekli mantarı andırır. Kristalin ve amorf haller arasındaki direnç farkı üç dört mertebeye ulaşır, bu yüzden bit direnç ölçülerek okunur. Fikrin kökü 1960'ların sonunda efsanevi malzeme bilimci Stanford Ovshinsky'nin kalkojenürlerde bulduğu faz geçişine dayanır. En az bir kalkojen içeren, tellürün germanyum ya da antimonla alaşımlandığı bu bileşimlerin bellek olabileceğini gören Ovshinsky, Energy Conversion Devices ile prototip peşine düştü.

Piyasadaki İlk Denemeler: Okuma-Ağırlıklı Bellek

Teknoloji ilk kez 1970'de pazara çıktı. Energy Conversion Devices'tan R. G. Neale ve D. L. Nelson ile Intel'den Gordon Moore, Electronics dergisinde Read-Mostly Memory adını verdikleri bir ürünü tanıttı. Kavram RAM ile ROM arasında bir ara nokta olarak sunuluyordu, sık okunan ama nadir yazılan tablolar gibi kullanım hedefleniyordu. Her hücrede silisyum diyot ve Ovshinsky'ye atfen Ovonic denen faz-değişimli film silisyum alttaş üzerinde yer alıyor, hücreler sade bir X-Y dizisinde diziliyordu. O yılın üretim sınırları yaklaşık 10 mikrometreyle geniş kalınca anahtarlama için yüksek güç gerekiyor, SET birkaç milisaniye sürüyor ve dayanıklılık düşük kalıyordu; DRAM kapasiteleri büyüyüp EPROM gibi alternatifler çıkınca RMM sahneden çekildi, yıllar sonra sorulan Moore yazıyı hatırlamadığını söylemişti.

Benzer bir deneme 1978'de Burroughs tarafından yaklaşık 1024 bitlik bir aygıtla geldi; güvenilirlik sorunları ve rekabetçi olmaması nedeniyle tutunamadı. İlgi bir süre sönük kaldı. Ta ki 1990'ların sonunda kalkojenürler yeniden yazılabilir CD ve DVD'lerin yüzeyinde kullanılınca kristalin hallerinin amorftan daha yansıtıcı olduğu, yüksek güçlü lazerle ısıtarak veri yazılabildiği görülene kadar. Moore Yasası da tabloyu değiştirdi, hücre küçüldükçe programlama akımı azalıyor ve güç tüketimi dramatik biçimde düşüyordu. Bu iki eğilimi gören Micron kurucularından Ward Parkinson ile uzun dönem CTO Tyler Lowrey, 1999'da Ovshinsky'nin şirketiyle Ovonyx'i kurdu, 2000'de Intel Capital büyük yatırım ve lisansla katıldı.

Optik Disklerden Yarı İletkene Geri Dönüş

2001'de Intel 180 nanometre ile üretilen Ovonic Unified Memory'yi öne çıkardı, dirençle ısıtma ve iki kutuplu erişim transistörüyle çalışan bu deneme yalnızca bir kalkojenür katmanı ekleyerek standart silisyum üzerine kurulabiliyordu. Şirketin ilgisinin arkasında NOR flash vardı; Intel dönemin lider NOR satıcısıydı ama hücreler küçülünce yükü tutmak zorlaşmıştı. OUM, pahalı tellür gibi malzemeler ve yüksek SET RESET akımları nedeniyle hâlâ araştırma aşamasındaydı, yine de Intel'in pazarlama gücü faz-değişimli belleğe akademik ve endüstriyel ilgiyi canlandırdı, Samsung ve STMicroelectronics de Ovonyx lisansıyla kendi çalışmalarına başladı.

Ne var ki NOR'u asıl sarsan NAND'ın yükselişi oldu. NAND hücreleri çok daha sık istifleniyor ve ölçek sınırını öteliyordu, iPod ve akıllı telefonlara giren ucuz maliyeti NOR satışlarını 2007'de yıllık yüzde dokuz düşürdü. Intel, 2008'de NOR işini STMicroelectronics ile birleştirip İsviçre merkezli Numonyx'i kurdu, Francisco Partners ve banka kredisiyle desteklenen yeni şirket büyüme umudu görmediği NOR yerine faz-değişimli belleği çıkış bileti saydı. Henüz ayrışma tamamlanmadan Intel 90 nanometre 128 megabitlik Alverstone prototipini duyurmuş ve gelecekte görev alacak CTO Ed Doller, kırk yılda kalıcı bellekteki en dikkat çekici sıçrama olarak nitelendirmişti.

2000'lerin sonunda neredeyse her bellek üreticisi benzer araştırmalar gösteriyordu. 2008'de IBM 3 nanometreye 20 nanometre hücrelerle storage-class memory adını verdiği bir kategori için umut veren sonuçlar paylaştı. Kavram, sabit diskin birim maliyetine yakın ama DRAM hızına yaklaşan uçucu-olmayan katı hal belleği tarif ediyordu. Hedef kitlesi kişisel bilgisayar değil, pil tasarrufu ve hızlı rasgele erişim isteyen telefonlar ile veriyi hep elde tutmak isteyip diskten yavaş kalan veri merkezleriydi. Depolama ile çalışma belleği arasındaki sınır bulanıklaşıyor, 2009'da Microsoft ve Carnegie Mellon'dan çok atıf alan bir mimari önerisi faz-değişimli belleği DRAM'ın yerine koymayı tartışıyordu; hava olumluydu.

Mobil Hayal ve 3D NAND Duvarı

Pazara giriş stratejisi mantıken mobili seçti. NOR, işletim sistemi kodu gibi kritik yazılımları tutuyordu ve faz-değişimli bellek hem bu kod için anında açılış sağlayıp hem de veriyi saklayabiliyordu. Zayıf noktası NAND'dan pahalı olmasıydı ama mobil hacimleri maliyeti düşürebilirdi. Samsung ve Micron bu yüzden kablosuz için düşük güçlü bellek olarak konumlandırdı, NOR artı NAND artı DRAM yerine PCM artı DRAM ya da sık erişilen veritabanları için NAND içi hızlandırma önerildi. Dönem itibarıyla NAND tek seviyeden çok seviyeye geçerken kapasite artsa da performans törpüleniyor, bu da küçük bir pencere açıyordu. Samsung 2009'da 60 nanometre 512 megabit PRAM'i duyurup DRAM ile eşleşince yüzde yirmiyi aşan güç tasarrufu vadetti, Numonyx de 2010 sonunda 1 gigabit hedefini işaret etti.

Şubat 2010'da Micron Numonyx'i yaklaşık 1.2 milyar dolarlık hisseyle aldı ve faz-değişimli mirası devraldı. Temmuz 2012'de 45 nanometre ile üretilen 1 gigabitlik mobil ürün 512 megabit DRAM ile eşleşecek kadar olgunlaşmıştı, Nokia Asha telefonlarına girdi ve akıllı telefonlar konuşuluyordu. Ancak Ağustos 2013'te Samsung ölçeklenebilir 24 katmanlı 3D NAND'i seri üretime alınca tarihin en agresif birim maliyet eğrisi başladı ve mobil faz-değişimli belleğin en güçlü gerekçesi silindi. Ocak 2014'te Micron stratejik değerlendirme sonrası mobil ürünü çektiğini açıkladı, satıcılar NAND artı DRAM'i üçüncü bir belleğe tercih etmişti ama şirket daha iyi maliyetli bir sonraki ürün imasıyla kapıyı aralık bıraktı.

Bir yıl sonra kapı aralandı: 2015'te Intel ve Micron birlikte 3D XPoint'i tanıttı ve onu NAND ile DRAM arasına yerleştirdi. Hedef DRAM gibi hızlı ama kalıcı olması, veri merkezinin pahalı DRAM almadan büyük veriye hızla erişmesiydi. Micron başkanı Mark Adams, işlemcinin uzun süreli depodaki veriye erişme süresini modern hesaplamanın en büyük darboğazlarından biri olarak tanımlayıp yeni kategorinin devasa veri kümelerine anında erişimle yeni uygulamalar doğuracağını söylemişti. İki şirket detaylarda ketum kalıp yalnızca kütle malzeme özelliği ve direnç değişimi dediler, ReRAM olmadığını eklediler; patent taraması yapan meraklılar kısa sürede faz-değişime işaret etti, sessizliğin geçmiş önyargıyı perdeleme çabası olduğu konuşuldu. Teknoloji QuantX ve Optane adlarıyla markalaştı.

İki Farklı Yol: Tüketici Hızlandırıcıdan Kalıcı DIMM'e

Micron QuantX'i doğrudan veri merkezine hedefledi. Ağustos 2016'da gigabayt başına DRAM'ın yarısı, NAND'ın dört beş katı fiyatla konumlandırıp 2017 ikinci çeyrekte ilk SSD'leri vadetti; yönetici Jon Carter talebin tavan yaptığını, kapasite ve yatırım planlarının yıllara yayıldığını anlatıyordu. Zamanlama kaydı, iki yıl geçse de ürün gelmedi, 2018 ortasında ikinci nesli birlikte tamamlayıp yolları ayırma kararı alındı. Ayrışmanın ardında pazarın yeri yatıyordu, Intel hacim için tüketici bilgisayarı isterken Micron veri merkezini öncelikliyordu. Carter 2016'da tüketici sistemlerinin düşük gecikme ve kalıcılığa NAND'a göre dört beş kat fazla ödemeye değecek kadar ihtiyaç duymadığını ima etmişti. Aynı yıl Ekim'de Micron Utah'taki ortak fabrikanın Intel payını 1.5 milyar dolara alıp topluca 6 milyar dolar yatırılan IM Flash'ı devraldı, bir yıl sonra 9 gigabaytı aşan bant ve sekiz mikrosaniyelik gecikmeyle Micron X100 SSD geldi ama DRAM benzeri çalışma belleği değil, NAND benzeri depolama aygıtı olarak duruyordu.

Intel'in ilk Optane ürünü 2017'de 16 ve 32 gigabaytlık bilgisayar hızlandırıcı modülü olarak çıktı, son nesil işlemci ve anakartla çalışan modül sabit diskli makinelere SSD hissi vermeyi amaçlıyordu. Tanıtımda açılış süresinin yarıya indiği, genel performansın yüzde 28 ve oyun yüklemelerinin yüzde 65 hızlandığı söylendi. İncelemeler cihazın DRAM ya da NAND'ın yerini almadığını, beklemeyi azalttığını vurguladı ama artış başlıklardaki bin kat söylemine yaklaşmıyordu; sonuç oyuna ve uygulamaya göre değişiyor, kimi testte fark sınırlı kalıyordu. Yorumcular standart NVMe arayüzü ve PCIe veriyolunun dış darboğaz yarattığını, teknolojinin çalıştığını ama niş kaldığını ve tüketicinin ne zaman işe yarayacağını karıştırdığını yazdı.

Intel stratejisini baştan beri bütünleşik bir platform üzerine kurmuştu, Xeon işlemciler ile bellek arasındaki taşıma darboğazını biliyor, DRAM üretmediği halde NAND'ı da çözmediğini görüyordu. 2017 Şubat yatırımcı sunumunda NAND sıcak olmayan veri, Optane ise yüksek performanslı sıcak veri olarak konumlandı, üretim gücüyle maliyet düşürme planı anlatıldı. Yönetici Shannon Poulin 2018 söyleşisinde tüm analitiği ya da veritabanını belleğe almanın işlemci ile disk arasında gidip gelmeyi ortadan kaldırarak büyük sıçrama getireceğini, bunun kalıcı belleğin işlemciye doğrudan bağlanmasıyla bambaşka bir paradigma olduğunu söylemişti. Firma 2017'deki tüketici hızlandırıcısı ve SSD'yi standartlar hazır olduğu ve hacim fabı doldurduğu için önce çıkarmış, asıl bahsi ise veri merkezi DIMM formuna saklamıştı; bu alan milyarlarca dolarlık gelecek savaşı olarak görülüyordu.

Veri merkezi yolu daha çetrefildi. SSD ve hızlandırıcı modüller NAND benzeri depolama gibi yuvaya otururken, DRAM benzeri çalışma belleği olmak için yeni kart tasarımları ve yazılım iş birliği gerekiyordu. Nisan 2019'da Optane DC Persistent Memory adıyla gelen ilk DIMM'ler uyumlu Xeon, yonga seti ve anakart istiyor, geliştirici tarafında da iki mod sunuyordu. Memory Mode, DRAM ve Optane'i birlikte uçucu bir havuza dönüştürüp DRAM'i önbellek gibi kullanıyordu ve kutudan çıkıp çalışıyor ama değeri DRAM fiyat dalgalanmasına bağlı kalıyordu. Asıl değer App Direct modundaydı; destekleyen yazılım Optane'e son derece hızlı bir SSD gibi kalıcı veri yazabiliyordu. Normalde Oracle ya da SAP yeniden başlatmada veriyi SSD veya diskten saatlerce yüklerken, kalıcı bellek kesintiden sonra veriyi tutup süper hızlı erişim sağlıyor, yön gösterici bir testte 12.5 kat iyileşme anılıyordu; bu yüzden iki dev de destek vermişti. Ancak mod, programcıların veri tutarlılığı düşüncesini yeniden kurmasını gerektiriyor, çoğu benimseme yıllar alacak bir dönüşüm olarak görülüyordu. 2020'de Intel 582 kavram kanıtından bahsedip SAP HANA ve Oracle Exadata gibi veritabanlarının öne çıktığını, yalnızca yüzde kırkının App Direct kullandığını söyledi; aynı dönemde 3D NAND işini SK hynix'e 9 milyar dolara satarken Optane hariç tutulmasına rağmen sızan rakamlar 2020'de 500 milyonu aşan zararı ele veriyordu.

Son perde hızlı geldi. Mart 2021'de Micron Utah fabrikasının sürekli atıl kalmasının yılda 400 milyon dolar maliyet getirdiğini açıklayıp 3D XPoint geliştirmesini derhal durdurdu, tesis sonra Texas Instruments'a satıldı. Gerekçe veri merkezlerinin ihtiyaç duyduğu yazılım değişiklikleri ve hızla ucuzlayan 3D NAND'ın pazar doğrulamasını yetersiz bırakmasıydı; şirket kaynakları artık Compute Express Link adlı açık standarda ve CXL üzerinden havuzlanmış bellek vaadine yönlendirdi. Fikir yalnızca işlemcinin değil, GPU ve hızlandırıcıların da belleğe ihtiyaç duyduğu, CXL'in bu boşluğu ve High Bandwidth Memory gibi alternatiflerin de benzer nişi doldurabildiği yönündeydi. Micron'un çekilmesi Intel'i tek kaynak haline getirip tedarik endişesini büyüttü, tescilli ve kapalı Xeon bağı da tedirginliği artırdı. 3D NAND ve DRAM maliyet ve gecikmede tabloyu süpürürken, Intel'in Temmuz 2022 ikinci çeyrek çağrısında yüzde 22 gelir düşüşü ve zararla birlikte Optane'in kademeli kapatılması duyuruldu, Crow Pass kod adlı 300 serisi gibi yakın ürünler iptal edilip 2024-2025 boyunca yaşam döngüsü sonu ilan edildi. Kapanışta anlatı netleşti; flash'ın olgunlaşması yirmi yıl sürmüşken 1999'da yeniden canlanan faz-değişim, 2015 duyuru 2017-2019 ürün ve 2022 kapanışla zamanlamayı kaçırmıştı. Bugün DRAM pahalı olduğu için nostaljik bir pişmanlık duyulsa da, ürün her işe koşmaya çalışıp hiçbirinde kazanamayan bir ara kategori olarak hatırlanıyor.