Компьютерный мир десятилетиями существовал с одним очень простым, но непреодолимым, а потому фундаментальным разделением технологий хранения данных. С одной стороны — быстрая, но энергозависимая оперативка, теряющая все данные при отключении питания. С другой — надежная, но медлительная флеш-память, сохраняющая информацию даже без электричества. Этот технологический компромисс казался неизбежным, определяя архитектуру всех современных вычислительных устройств от смартфонов до суперкомпьютеров. Однако исследователи из Фуданьского университета в Шанхае, похоже, нашли способ преодолеть это ограничение, создав технологию, которая может изменить наше представление о компьютерной памяти.
Что такое PoX и почему это важно
Новый тип памяти, получивший название PoX (Phase-change Oxide) отличается беспрецедентной скоростью записи данных, которая составляет всего 400 пикосекунд на бит.
Пикосекунда – это одна триллионная доля секунды.
Таким образом PoX-память превосходит по скорости не только флеш-, но даже оперативную память, которая требует от 1 до 10 наносекунд для записи каждого бита информации. Теоретически она способна записать 1 ГБ данных примерно за 3,3 секунды, что открывает совершенно новые возможности для вычислительных систем.
Да, существует еще статическая память SRAM, используемая в кэше процессоров, которая быстрее DRAM и обеспечивает еще более быструю запись данных на скорости около 1 наносекунды. Но она также энергозависима, имеет очень высокое энергопотребление и низкую плотность хранения, что делает ее пригодной только для небольших объемов данных, требующих максимально быстрого доступа.
Чжоу Пэн, руководитель проекта, описал разницу в производительности так: традиционная USB-флешка выполняет тысячу операций за время, за которое устройство на основе PoX способно выполнить миллиард операций. Такой колоссальный разрыв в производительности открывает совершенно новые возможности для вычислительных систем.
Но ее главное преимущество заключается даже не в быстродействии, а в энергонезависимости, то есть способности хранить данные даже после полного отключения питания.
На этом фоне PoX выглядит как технология, объединяющая лучшие качества всех существующих типов памяти. Только как так получилось?
Как работает самая быстрая память в мире
Традиционная флеш-память основана на использовании кремниевых каналов для перемещения и хранения электронов. Исследователи Фуданьского университета полностью переосмыслили этот концепт, использовав вместо кремния двумерный графен.
Это материал с абсолютно уникальными свойствами, который представляет собой одноатомный слой углерода, организованный в гексагональную решетку. В такой структуре электроны движутся практически без сопротивления, как если бы они не имели массы. Это свойство позволяет им перемещаться с минимальными потерями энергии и максимальной скоростью, что критически важно для создания сверхбыстрой памяти.
Также исследователи значительно уменьшили длину канала памяти, доведя ее до 8 нанометров. Это меньше физического предела для кремниевой флеш-памяти, который составляет около 15 нанометров. Такое уменьшение размеров привело к возникновению эффекта, названного учеными "двумерной суперинжекцией" — механизма, обеспечивающего чрезвычайно мощный поток зарядов в запоминающий слой устройства.
Где можно применить графеновую PoX-память
Технология PoX имеет потенциал для революционных изменений во многих областях, связанных с обработкой данных и вычислениями.
Одним из наиболее перспективных направлений применения являются системы искусственного интеллекта и машинного обучения. Современные нейронные сети сталкиваются с серьезным ограничением скорости. Процессоры вынуждены постоянно ждать, пока данные будут загружены из относительно медленной памяти, что снижает эффективность вычислений и увеличивает энергопотребление.
Использование PoX может радикально изменить ситуацию, позволив обрабатывать огромные массивы данных в реальном времени без постоянных задержек на обращение к памяти. Это особенно важно для генеративных моделей ИИ, которые работают с терабайтами информации и требуют мгновенного доступа к различным частям модели.
Другим важным направлением являются мобильные устройства, где энергоэффективность и производительность играют критическую роль. Участники исследовательской группы отметили, что уже создали полнофункциональный чип малого масштаба, и следующим шагом будет его интеграция в существующие смартфоны и компьютеры. По их словам, это позволит запускать сложные ИИ-модели непосредственно на мобильных устройствах без проблем с задержками и перегревом, которые сейчас ограничивают возможности локальных вычислений.
В более долгосрочной перспективе PoX может привести к фундаментальному пересмотру всей архитектуры компьютерных систем. Современные компьютеры используют сложную иерархию памяти: от быстрого, но малого по объему кэша процессора до медленной, но емкой долговременной памяти. Если одна и та же технология может обеспечить и сверхвысокую скорость, и энергонезависимость, возникает возможность создания компьютеров с единым пулом универсальной памяти вместо нынешнего разделения на RAM и постоянное хранилище. Такая архитектура будет значительно проще, эффективнее и экономичнее существующих решений.
PoX-память против флеш NAND
На данный момент технология PoX существует в виде лабораторного прототипа. Исследовательская группа создала рабочий чип малого масштаба и провела успешную верификацию технологии, подтвердив заявленные характеристики. Однако путь от лабораторного образца до массового коммерческого продукта обычно долог и сложен, особенно когда речь идет о принципиально новых технологиях.
Во-первых, для управления такой быстрой памятью необходимо разработать контроллеры совершенно нового типа. Потому что существующие решения просто не рассчитаны на скорости в пикосекундном диапазоне.
Во-вторых, открытым остается вопрос о плотности хранения, которую сможет обеспечить PoX. Для успешной конкуренции с современными SSD новая технология должна иметь сопоставимую или большую плотность записи информации на единицу площади чипа.
В-третьих, необходимо провести множество практических тестов, которые подтвердят надежность PoX-памяти. Ведь если устройства с накопителями нового типа будут выходить из строя раньше, чем решения с NAND-планками, это сильно сократит количество сфер их применения.
