Майбутнє комп'ютерної пам'яті: 5 революційних технологій

Опубліковано Бер 02 Системи зберігання даних Роздрукувати запис

Якийсь час назад складний було повірити, що величезна колекція музики може поміститися на одному невеликім обладнанні, тільки-но перевищуючому по розмірах долоня. Те ж ставиться до тисяч знімків у високому дозволі й кишеньковим фотокамерам. Усього за кілька десятиліть в області технологій зберігання даних відбулися разючі зміни, а поява флеш-пам’яті без перебільшення можна назвати революцією. Але час не варто на місці віхою, що й випливає, в “споживчій” хронології повинні стати чипи, які будуть здатні зберігати сотні фільмів в Hd-Якості або всю світову бібліотеку книг. Щоб втілити ці мрії в реальність, по усьому світу в лабораторіях удосконалюють поточні й розробляють нові технології, самі вдалі з яких обов’язково потраплять на ринок – прогрес не можна зупинити.

“Суперпам’ять” близька до реалізації погляду на технології, висловленого фізиком Річардом Фейнманом (Richard Feynman) 50 років тому. У ході лекції для Американського фізичного суспільства (American Physical Society) він міркував, чи можливо буде коли-небудь записати 24 тому енциклопедії “Британика” на шпилькову голівку. Фізик підрахував, що кожна малюсінька крапка кожної друкованої букви повинна бути для цього зменшена до 1000 атомів – квадрата зі стороною 9 нм. Сьогодні принцип зберігання інформації в електронних обладнаннях, звичайно, відрізняється від умовних розрахунків Фейнмана, але розмір одиничного елемента зберігання відомий – близько 40 нм у комерційних обладнаннях на основі флеш-памяти.

Усього кілька місяців назад почалися поставки першого чипа, на який можливо записати 64 Гбит даних. Фейнман вів мову, імовірно, про терабайтах. Технології обладнань пам’яті наступного покоління будуть використовувати нові матеріали, мати час доступу в одиниці наносекунд і зберігати інформацію як мінімум десятки років без перезапису. Складно назвати чіткі строки, коли ж на полках магазинів з’явиться “суперфлешка”, але багатомільярдні доходи напівпровідникової індустрії не дають сумніватися, що для цього вживають усі можливі зусилля, і на звання технологій наступного покоління уже є претенденти.

MRAM

MRAM (magnetoresistive random access memory – магниторезистивная пам’ять із довільним доступом) є “довгожителем” сімейства технологій, покликаних замінити флеш – кілька компаній трудяться над нею ще з 1990-х років. Конструкція являє собою два тонкі шари феромагнітного матеріалу, кожний розділений на гнізда. Один із шарів є постійним магнітом з незмінним напрямком намагніченості. Намагнічування іншого може змінюватися на 180° шляхом додатка зовнішнього магнітного поля або напруги. Взаємна орієнтація намагніченості сприймається як 1 або 0. Такий розв’язок має свої сильні й слабкі сторони. До перших належить енергонезалежність, можливість швидкого й простого контролю намагніченості й відповідно швидкість доступу (порядку декількох нс), до других – тенденція до зміни стану сусідніх гнізд під час перезапису одного з битов. Дана проблема є великим головним болем для дослідників. За словами фізика Джеймса Скотта (James Scott) з Кэмбриджского університету (University of Cambridge), дотепер ця перешкода не усунута. Ємність чипів поки обмежено 32 Мбит. Такі компанії, як Hitachi і Toshiba, продовжують працювати над MRAM, підтримуючи віру в її майбутнє.

Feram

Feram (ferroelectric random access memory – сегнетоэлектрическая пам’ять із довільним доступом) відносно близька до флеш-памяти. У ній також використовуються електричні явища для контролю за подібної транзистора структурою, але замість потоків вільних електронів об’єктом керування виступають електричні заряди в комплексних кристалах, відомих як ферроэлектрики, або сегнетоэлектрики. У цих діелектриках невелике зовнішнє електричне поле може змусити позитивно й негативно заряджені іони змінити свої дипольні моменти й установити стабільну електричну поляризацію. Залежно від її напрямку значення сегнетоэлектрического біта сприймається як 1 або 0. Невелике прикладене до кристала напруга змінює поляризацію й відповідно стан біта. Процес відбувається дуже швидко – менш наносекунди – і вимагає незначної потужності, що витрачається, а кількість циклів запису набагато перевищує можливості флеш-пам’яті й досягає значення декількох мільярдів.

Але Feram не позбавлена й “ахиллесовой п’яти”. “Проблема в тому, що Feram заснована на зарядах”, – пояснює фізик Райнер Васер (Rainer Waser) з Університету Аахена (RWTH Aachen University) у Німеччині. Щоб змінити стан сегнетоэлектрика із прийнятною швидкістю, поруч повинні зберігатися додаткові заряди, тому кожне гніздо такої пам’яті містить конденсатор, що обмежує щільність розміщення елементів. На даний момент експерти не бачать можливості для Feram мати такою ж ємність чипа, як у мікросхемах флеш-памяти. Проте, низьке енергоспоживання може придатися при розв’язку тих завдань, де економія важливіше ємності. У лютому 2009 року Toshiba анонсувала прототип 128-мб чипа Feram.

PCRAM

PCRAM (phase-change random access memory – оперативна пам’ять зі зміною фазових станів) технології того ж ряду, що застосовуються в перезаписуваних оптичних дисках. Інформація зберігається в атомних структурах матеріалів, що мають два можливі фазові стани: аморфне, схоже із шибкою з неупорядкованими атомами, і кристалічне. В останньому випадку матеріал электропроводен, тоді як в аморфному стані це ізолятор. Подібний матеріал в PCRAM укладений між двома електродами, і для перемикання між фазами необхідний лазерний імпульс або електричний струм, щоб розплавити речовина. Тривалий вплив приводить до формування кристалічної решітки, а при короткому імпульсі матеріал прохолоджується до аморфної фази.

Недолік – у необхідності передачі енергії для нагрівання елементів пам’яті до декількох сотень °ІЗ, на що йде значна кількість енергії, хоча зі зменшенням обладнань на основі PCRAM рівень споживаної потужності буде знижуватися. Зате щільність розміщення елементів зберігання дуже висока: усього кілька атомів потрібні для створення гнізда, здатної міняти стан із кристалічного на аморфне. Фахівці вважають, що реальним значенням є 5 нм – майже в 10 раз менше, чим у флеш-памяти. Більше того, час перемикання PCRAM може досягати 1 нс. Але зі зменшенням цього параметра стабільність стану матеріалу також знижується, тому поки значення швидкості перемикання в 10-100 раз повільніше теоретичного потенціалу. Сьогоднішнє завдання інженерів – досягнення оптимального співвідношення швидкості й стабільності. Samsung недавно представила чип PCRAM ємністю 512 Мб.

RRAM

RRAM (resistive random access memory – резистивная пам’ять із довільним доступом) по масштабах елементів зберігання битов порівнянна з PCRAM. Тільки замість зміни фазового стану під дією тепла тут використовується електрохімічна реакція. Матеріалом для резистивной пам’яті виступає непровідний оксид, такий як оксид титану. Коли до кристала прикладена висока напруга атоми, що втримують, кисню зв’язки починають руйнуватися. Кисень залишає за собою “дірки” і вільні електрони, здатні стати носіями зарядів. “Дірки” прагнуть сформувати вузькі ряди, або електропровідні канали в кристалі. Зворотна напруга повертає кисень, знову перетворюючи матеріал у діелектрик. Такі переходи створюють стійкі стани пам’яті, які змінюються тільки під дією високих значень напруги певної полярності.

RRAM є швидкодіючою технологією з низьким енергоспоживанням. За словами Стэна Уильямса (Stan Williams) з лабораторії Hewlett-Packard Laboratories в Упало-Альто, Каліфорнія, перемикання станів відбувається в лічені наносекунди, а необхідна енергія виміряється пикоджоулями. Це сота частина від необхідного флеш-пам’яті кількості. Масштаб битов також вражає – перемикання може відбуватися на одному нанометрі. Втім, і тут проблема зі стабільністю. Якщо біт з високим опором розташований відразу за таким з низьким, тоді електричний струм може “зачепити” сусідня ділянка й змінити його стан. Дана перешкоду вирішують у даний момент Hewlett-Packard і інші компанії.

RRAM примітна не тільки завдяки здатності зберігати інформацію. В 2008 році Уильямс із колегами виявив, що обладнання на основі резистивной пам’яті має характеристики мемристора – теоретичного четвертого основного елемента електричного ланцюга після резистора, конденсатора й індуктивності. Мемристор відрізняється від звичайного резистора здатністю ухвалювати різні значення опору залежно від заряду, який пройшов через нього в минулому. Це робить компонент моделлю аналогової обчислювальної одиниці людського мозку, але із застереженням: працює вона значно швидше сьогодення синапса й з меншими витратами енергії.

Трекова пам’ять (Racetrack memory)

Більшість доріг до “суперпам’яті” ведуть через пошук шляхів маніпулювання атомами і їх властивостями в нанометровом масштабі. Однак деякі вчені певен, що увага потрібно звернути на конструкцію пам’яті. Наприклад, тривимірна архітектура дозволить зробити новий прорив. У трековій пам’яті біти зберігаються у вигляді малюсіньких доменов намагніченості, майже як у жорстких дисках. Відмінність у тому, що ці елементи пам’яті не є монолітними блоками, а поводяться як бусини на магнітному нанопроводнике. Електричний струм переміщає домени, що проходять через зчитувальні й записуючі голівки. Швидкість процесу досягає 200 м/с, що еквівалентно часу читання в десятки наносекунд. Це порівнянне із сьогоднішніми видами пам’яті, але перевага трекової полягає в ємності. Плоский провідник мікрометрового розміру здатний зберігати дані з не меншою щільністю, чому флеш-память. Дійсний потенціал криється в зміні конфігурації нанопроводников із двовимірної на тривимірну, коли трекова пам’ять зможе зберігати в сотні раз більше битов у порівнянні із флеш-пам’яттю на тій же площі. Однак подібних прототипів ще не існує.

Залиште коментар

Click here to cancel reply.

Ім'я (обов'язково)

Електронна пошта (не публікується) (обов'язково)

Вебсайт