Пам'ять завтрашнього дня

admin Статті про hardware

Пам'ять завтрашнього дняТвердотільні SSD-накопичувачі планомірно витісняють з наших комп'ютерів звичні жорсткі диски, але їх тріумф може виявитися дуже недовгим.

Комп'ютерні накопичувачі на основі мікросхем флеш-пам'яті, що отримали назву SSD (Solid State Drive, тобто "твердотільний привід"), з'явилися на масовому ринку всього лише в середині "нульових" років. При цьому їх самі неприємні недоліки були зведені до мінімуму лише до 2010 року, коли і почався бум "твердотільників": вони стали надійніше, їх ємність почала плавно зростати, а ціна - швидко падати.

Пам'ять завтрашнього дня

До безперечних переваг SSD-накопичувачів перед вінчестерами зазвичай відносять в 2-2,5 рази більшу швидкість читання (до 250-300 Мб/с), на порядок менший середній час доступу (0,12-0,18 мс проти 14-15 мс ), низьке енергоспоживання, повну безшумність, високу надійність і стійкість до механічних впливів завдяки повній відсутності рухомих частин. Читайте статтю  Як вибрати зовнішній жорсткий диск.

Однак у SSD є і недоліки, обумовлені самою конструкцією флеш-пам'яті. Насамперед, це обмежена кількість циклів запису/стирання, пов'язана з фізичним зносом: постійний вплив високої напруги на діелектрик, що ізолює плаваючий затвор, викликає зміни його структури і призводить до "пробою", тобто неможливості утримувати заряд. Це означає вихід з ладу осередку, який втрачає здатність приймати значення "0" або "1", залишаючись постійно в певному стабільному стані. Середнє число циклів запису-стирання становить близько 10 000 у масових моделей з осередками типу SLC і до 100 000 у дорогих MLC-накопичувачів.

Другий "вроджений" недолік полягає в тому, що для запису на SSD-накопичувач потрібне застосування високої напруги від 10 до 20 В, яка необхідна для подолання шару діелектрика. Зрозуміло, це не кращим чином позначається на енергоспоживанні, особливо в портативних пристроях, що живляться від акумуляторів.

У свою чергу, при збільшенні щільності осередків для підвищення щільності запису неминуче зменшується товщина діелектрика, що дозволяє знизити напругу запису, - але в такому випадку проблема зносу стає ще актуальнішою.

І, нарешті, швидкодія SSD-накопичувачів зовсім не настільки висока, як може здатися. Вона вражає, якщо порівнювати зі звичайними жорсткими дисками, але навіть не сама швидкісна сучасна оперативна пам'ять випереджає "твердотільники" по продуктивності і часу доступу як мінімум в 20-25 разів.

Є два способи, які дозволяють подолати обмеження по швидкодії, терміну служби та щільності запису. Можна вдосконалювати вживані матеріали або взяти за основу конструкції накопичувача істотно інший принцип збереження інформації.

Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon

Роботи в першому напрямку ведуться давно різними виробниками пам'яті, але всі вони поки впираються в дорожнечу і недоробку технологій. Наприклад, технологія SONOS (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) відрізняється від класичної флеш-пам'яті тим, що плаваючий затвор осередку виконаний не з полікристалічного кремнію, а з нітриду кремнію (Si3N4), що має більш однорідну молекулярну структуру і тому здатного краще утримувати заряд. При цьому шар діелектрика може бути значно тонше, а напруга записи - в кілька разів менше. В сучасних зразках пам'яті SONOS, що просуваються компаніями Philips, Spansion, Infineon і Qimonda, напруга запису складає від 5 до 8 В, а теоретичне число циклів запису/стирання досягає 100 000 000, що в 1000-10000 разів вище, ніж у звичайного SSD.

Набагато цікавіші і різноманітніші альтернативні технології, причому деякі з них можуть з'явитися на масовому ринку значно раніше "поліпшеної" флеш-пам'яті.

Phase change Random Access Memory

Одна з найбільш незвичайних технологій - PRAM (Phase change Random Access Memory), тобто пам'ять з довільним доступом на основі фазового переходу. В PRAM застосовується той же самий принцип, який використовується в перезаписуваних оптичних дисках CD-RW і DVD-/ + RW. Носієм інформації служить спеціальний матеріал, здатний під впливом температури приймати одне з двох станів: кристалічний або аморфний. Однак на відміну від дисків, де мають значення оптичні характеристики матеріалу в цих станах, тут грає роль електричний опір, який в кристалічному стані слабкий (логічна одиниця), а в аморфному - високий (логічний нуль).

Запис інформації в PRAM здійснюється шляхом нагрівання осередків, а зчитування - за допомогою вимірювання їх опору. Серед переваг цієї технології - можливість запису інформації без попереднього стирання (зовсім як на "болванках", де для перезапису достатньо стерти зміст, після чого можна записувати "поверх" старих даних), причому швидкість запису може в сто разів перевищувати аналогічний показник SSD-накопичувачів на флеш-пам'яті.

Мікросхеми PRAM невеликого обсягу (до декількох десятків мегабайт) вже серійно виробляються компаніями Hynix, Intel і Samsung і застосовуються в смартфонах і планшетах.

Magnetoresistive random-access memory

Ще один альтернативний тип пам'яті, дрібносерійний випуск якої вже почався, називається MRAM (Magnetoresistive random-access memory - магніторезистивна пам'ять з довільним доступом). Основою осередку пам'яті MRAM виступає магнітний тунельний перехід, що складається з двох магнітних шарів, розділених надтонким діелектриком. Один з двох шарів має фіксований вектор магнітного поля, а у другого напрям вектора намагніченості може змінюватися під впливом зовнішнього магнітного поля. Якщо вектори взаємно протилежні, то електричний опір осередку високий (логічний нуль), якщо ж вони орієнтовані в одному напрямку, то опір низький (логічна одиниця).

Завдяки тому, що дані записуються в результаті намагніченості, а не за рахунок електричного заряду, вони можуть зберігатися більше десяти років без напруги живлення, при цьому відсутній ефект зносу, а число циклів запису/стирання практично не обмежена (більше 1016). Час доступу MRAM складає близько наносекунди, а швидкість запису приблизно в тисячу разів перевищує можливості флеш-пам'яті.

Магніторезистивна пам'ять вже близько десяти років (!) застосовується в деяких областях, наприклад у космонавтиці, але найближчим часом ймовірна її поява на споживчому ринку. У просуванні MRAM зацікавлені такі крупні гравці, як Hynix, IBM, NEC і Toshiba.

Цікаві варіанти довгострокової пам'яті можливі і на молекулярному рівні. Приміром, пам'ять FeRAM (Ferroelectric RAM - ферроелектрична, або сегнетоелектрична, пам'ять з довільним доступом) заснована на можливості змінювати розподіл (поляризацію) атомів в ферроелектричних матеріалах за рахунок програми зовнішнього електричного поля. У вітчизняній літературі прийнято термін "сегнетоелектрик", за назвою першого матеріалу, де був відкритий цей ефект, - сегнетової солі.

Ferroelectric RAM

Принцип роботи FeRAM полягає в тому, що при подачі напруги на ферроелектрик атоми в цьому матеріалі зміщуються вгору або вниз, і змінюється електрична провідність, що зберігається і після відключення струму. Читання даних при цьому проводиться досить незвичним способом: керуючий транзистор подає напругу, переводячи клітинку в вимірювальний стан "0". Якщо осередок вже містить логічний "0", то сигнал не змінюється, якщо ж в комірці записана "1", то в результаті зміни поляризації на виході виникне короткий імпульс, який і буде означати "1".

Серед переваг FeRAM - практично не обмежене число циклів перезапису (більше 1016), висока швидкість запису (150 нс в порівнянні з 10 000 нс - 10 мс - для флеш-пам'яті) і низьке енергоспоживання. Головні недоліки - низька щільність запису і, в результаті, дуже висока ціна зберігання інформації. В даний час чіпи FeRAM невеликої ємності застосовуються переважно в лабораторному і медичному обладнанні, де потрібно максимально швидка фіксація даних та перезапис без фізичного зносу носія.

Пам'ять століття нанотехнологій - CBRAM (Conductive-Bridging RAM - пам'ять з довільним доступом на основі проводного моста). Тут у буквальному сенсі слова використовується нанотрубка, що формується при подачі напруги в твердотільному електроліті-діелектрику між двома електродами, один з яких виготовлений з електрохімічно інертного матеріалу (наприклад, вольфраму), а інший, навпаки, з активного (наприклад, з міді або срібла) . Нанотрубка, "пробивша" діелектрик, знижує опір і записує логічну одиницю, в іншому випадку осередок зберігає нуль. Для стирання одиниці струм пропускається між електродами в зворотному напрямку, і нанотрубка руйнується.

Існує ще безліч експериментальних технологій накопичувачів майбутнього - Nano-RAM, Millipede, Racetrack, ReRAM та інші, кожна з яких гідна окремого докладного оповідання. Втім, і старі добрі жорсткі диски не поспішають займати місця на музейних полицях.