Будущее компьютерной памяти: 5 революционных технологий

Будущее компьютерной памяти: 5 революционных технологий
Некоторое время назад сложно было поверить, что огромная коллекция музыки может поместиться на одном небольшом устройстве, едва превышающем по размерам ладонь. То же относится к тысячам снимков в высоком разрешении и карманным фотокамерам. Всего за несколько десятилетий в области технологий хранения данных произошли разительные перемены, а появление флеш-памяти без преувеличения можно назвать революцией. Но время не стоит на месте, и следующей вехой в "потребительской" хронологии должны стать чипы, которые будут способны хранить сотни фильмов в HD-качестве либо всю мировую библиотеку книг. Чтобы воплотить эти мечты в реальность, по всему миру в лабораториях совершенствуют текущие и разрабатывают новые технологии, самые удачные из которых обязательно попадут на рынок – прогресс нельзя остановить.
"Суперпамять" близка к реализации взгляда на технологии, высказанного физиком Ричардом Фейнманом (Richard Feynman) 50 лет назад.В ходе лекции для Американского физического общества (American Physical Society) он рассуждал, возможно ли будет когда-нибудь записать 24 тома энциклопедии "Британика" на булавочную головку. Физик подсчитал, что каждая крошечная точка каждой печатной буквы должна быть для этого уменьшена до 1000 атомов – квадрата со стороной 9 нм. Сегодня принцип хранения информации в электронных устройствах, конечно, отличается от условных расчётов Фейнмана, но размер единичного элемента хранения известен – около 40 нм в коммерческих устройствах на основе флеш-памяти.
Всего несколько месяцев назад начались поставки первого чипа, на который возможно записать 64 Гбит данных. Фейнман вёл речь, вероятно, о терабайтах. Технологии устройств памяти следующего поколения будут использовать новые материалы, обладать временем доступа в единицы наносекунд и хранить информацию как минимум десятки лет без перезаписи. Сложно назвать чёткие сроки, когда же на полках магазинов появится "суперфлешка", но многомиллиардные доходы полупроводниковой индустрии не дают сомневаться, что для этого предпринимаются все возможные усилия, и на звание технологий следующего поколения уже есть претенденты.

MRAM (magnetoresistive random access memory – магниторезистивная память с произвольным доступом) является "долгожителем" семейства технологий, призванных заменить флеш – несколько компаний трудятся над ней ещё с 1990-х годов. Конструкция представляет собойдва тонких слоя ферромагнитного материала, каждый разделён на ячейки. Один из слоёв является постоянным магнитом с неизменным направлением намагниченности. Намагничивание другого может изменяться на 180° путём приложения внешнего магнитного поля или напряжения. Взаимная ориентация намагниченности воспринимается как 1 или 0. Такое решение имеет свои сильные и слабые стороны. К первым принадлежит энергонезависимость, возможность быстрого и простого контроля намагниченности и соответственно скорость доступа (порядка нескольких нс), ко вторым – тенденция к изменению состояния соседних ячеек во время перезаписи одного из битов. Данная проблема является большой головной болью для исследователей. По словам физика Джеймса Скотта (James Scott) из Кэмбриджского университета (University of Cambridge), до сих пор это препятствие не устранено. Ёмкость чипов пока ограничена 32 Мбит. Такие компании, как Hitachi и Toshiba, продолжают работать над MRAM, поддерживая веру в её будущее.

FeRAM (ferroelectric random access memory – сегнетоэлектрическая память с произвольным доступом) относительно близка к флеш-памяти. В ней также используются электрические явления для контроля за подобной транзистору структурой, но вместо потоков свободных электронов объектом управления выступают электрические заряды в комплексных кристаллах, известных как ферроэлектрики, или сегнетоэлектрики. В этих диэлектриках небольшое внешнее электрическое поле может заставить положительно и отрицательно заряженные ионыизменить свои дипольные моменты и установить стабильную электрическую поляризацию. В зависимости от её направления значение сегнетоэлектрического бита воспринимается как 1 или 0. Небольшое приложенное к кристаллу напряжение изменяет поляризацию и соответственно состояние бита. Процесс происходит очень быстро – менее наносекунды – и требует незначительной расходуемой мощности, а количество циклов записи намного превышает возможности флеш-памяти и достигает значения нескольких миллиардов.
Но FeRAM не лишена и "ахиллесовой пяты". "Проблема в том, что FeRAM основана на зарядах", - поясняет физик Райнер Васер (Rainer Waser) из Университета Аахена (RWTH Aachen University) в Германии. Чтобы изменить состояние сегнетоэлектрика с приемлемой скоростью, рядом должны храниться дополнительные заряды, поэтому каждая ячейка такой памяти содержит конденсатор, ограничивающий плотность размещения элементов. На данный момент эксперты не видят возможности для FeRAM обладать такой же ёмкостью чипа, как в микросхемах флеш-памяти. Тем не менее, низкое энергопотребление может пригодиться при решении тех задач, где экономия важнее ёмкости.В феврале 2009 года Toshiba анонсировала прототип 128-Мб чипа FeRAM.

PCRAM (phase-change random access memory – оперативная память с изменением фазовых состояний) технологии того же ряда, что применяются в перезаписываемых оптических дисках. Информация хранится в атомных структурах материалов, имеющих два возможных фазовых состояния: аморфное, схожее с оконным стеклом с неупорядоченными атомами, и кристаллическое. В последнем случае материал электропроводен, тогда как в аморфном состоянии это изолятор. Подобный материал в PCRAM заключён между двумя электродами, и для переключения между фазами необходим лазерный импульс или электрический ток, чтобы расплавить вещество. Длительное воздействие приводит к формированию кристаллической решётки, а при коротком импульсе материал охлаждается до аморфной фазы.

Недостаток – в необходимости передачи энергии для нагрева элементов памяти до нескольких сотен °С, на что уходит значительное количество энергии, хотя с уменьшением устройств на основе PCRAM уровень потребляемой мощности будет снижаться. Зато плотность размещения элементов хранения очень высока: всего несколько атомов нужны для создания ячейки, способной менять состояние с кристаллического на аморфное. Специалисты считают, что реальным значением является 5 нм - почти в 10 раз меньше, чем во флеш-памяти. Более того, время переключения PCRAM может достигать 1 нс. Но с уменьшением этого параметра стабильность состояния материала также снижается, поэтому пока значение скорости переключения в 10-100 раз медленнее теоретического потенциала. Сегодняшняя задача инженеров – достижение оптимального соотношения скорости и стабильности. Samsung недавно представила чип PCRAM ёмкостью 512 Мб.

RRAM (resistive random access memory – резистивная память с произвольным доступом) по масштабам элементов хранения битов сравнима с PCRAM. Только вместо изменения фазового состояния под действием тепла здесь используется электрохимическая реакция. Материалом для резистивной памяти выступает непроводящий оксид, такой как оксид титана. Когда к кристаллу приложено высокое напряжение, удерживающие атомы кислорода связи начинают разрушаться. Кислород оставляет за собой "дырки" и свободные электроны, способные стать носителями зарядов. "Дырки" стремятся сформировать узкие ряды, или электропроводные каналы в кристалле. Обратное напряжение возвращает кислород, снова превращая материал в диэлектрик. Такие переходы создают устойчивые состояния памяти, которые изменяются только под действием высоких значений напряжения определённой полярности.
RRAM является быстродействующей технологией с низким энергопотреблением. По словам Стэна Уильямса (Stan Williams) из лабораторииHewlett-Packard Laboratories в Пало-Альто, Калифорния, переключение состояний происходит в считанные наносекунды, а требуемая энергия измеряется пикоджоулями. Это сотая часть от необходимого флеш-памяти количества. Масштаб битов также впечатляет – переключение может происходить на одном нанометре. Впрочем, и здесь проблема со стабильностью. Если бит с высоким сопротивлением расположен сразу за таковым с низким, тогда электрический ток может "задеть" соседний участок и изменить его состояние. Данное препятствие решают в настоящий момент Hewlett-Packard и другие компании.
RRAM примечательна не только благодаря способности хранить информацию. В 2008 году Уильямс с коллегами обнаружил, что устройствона основе резистивной памяти имеет характеристики мемристора – теоретического четвёртого основного элемента электрической цепи после резистора, конденсатора и индуктивности. Мемристор отличается от обычного резистора способностью принимать разные значениясопротивления в зависимости от заряда, который прошёл через него в прошлом. Это делает компонент моделью аналоговой вычислительной единицы человеческого мозга, но с оговоркой: работает она значительно быстрее настоящего синапса и с меньшими затратами энергии.


Большинство дорог к "суперпамяти" ведут через поиск путей манипулирования атомами и их свойствами в нанометровом масштабе. Однако некоторые учёные уверены, что внимание нужно обратить на конструкцию памяти. Например, трёхмерная архитектура позволит совершить новый прорыв. В трековой памяти биты хранятся в виде крошечных доменов намагниченности, почти как в жёстких дисках. Отличие втом, что эти элементы памяти не являются монолитными блоками, а ведут себя как бусины на магнитном нанопроводнике. Электрический ток перемещает домены , проходящие через считывающие и записывающие головки. Скорость процесса достигает 200 м/с, что эквивалентно времени чтения в десятки наносекунд. Это сравнимо с сегодняшними видами памяти, но преимущество трековой заключается в ёмкости. Плоский проводник микрометрового размера способен хранить данные с не меньшей плотностью, чем флеш-память. Истинный потенциал кроется в изменении конфигурации нанопроводников с двумерной на трёхмерную, когда трековая память сможет хранить в сотни раз больше битов по сравнению с флеш-памятью на той же площади. Однако подобных прототипов ещё не существует.

---

Источник новости: www.3dnews.ru