Память следующего поколения

    image

    Flash-память остается доминирующим видом энергонезависимой (то есть сохраняющей информацию в отсутствии электрического тока) памяти благодаря широкому использованию в твердотельных накопителях (SSD) и привычных каждому USB флеш-накопителях. Но, несмотря на ее популярность и повсеместное использование, технология все еще остается проблемной, особенно если норма производства опускается ниже 30нм-процесса — скорость работы флеш-памяти снижается. Вдобавок к этому — ограниченное количество циклов записи-стирания и относительно низкая скорость самой записи (в миллисекундах). Из-за всех этих ограничений, исследователи уже давно ищут эффективную замену флеш-памяти для производства вышеупомянутых продуктов.

    В настоящий момент существует несколько альтернативных разработок, которые вполне могли бы заменить кремниевую флеш-память, такие как PRAM (phase-change RAM), FeRAM (ferroelectric RAM), MRAM (magnetoresistive RAM) и RRAM (resistance-change RAM). Однако до сегодняшнего дня ученым различных университетов и компаний так и не удалось успешно применить текущую технологическую норму в производстве памяти по любой из этих технологий — либо механизм переключения режимов, либо сама платформа теряет эффективность и скорость на уровне «нано». Плюс к этому, ни одной из этих разработок не хватает таких важных в коммерческом производстве характеристик, как увеличение циклов записи-стирания (по-сравнению с флеш-памятью), долгосрочности хранения данных в отсутствии тока и высокой скорости переключения между режимами чтения/записи. Именно качественный и количественный рост этих показателей считается основным требованием в разработке энергонезависимой памяти следующего поколения.

    А еще, не развлечения ради, исследователи планируют заменить эту технологию целиком. Совместная группа ученых из Samsung и корейского Sejong University недавно опубликовали занятную публикацию в журнале Nature Materials, описывающую новую технологию производства RRAM (resistance-change RAM это технология, позволяющая менять напряжение ячеек так, что ее состояние меняется с низкого сопротивления (высокая проводимость) на высокое сопротивление (низкая проводимость)) из оксида тантала (TaOx), который в тестах показал огромное преимущество над существующими технологиями, побив результаты почти по всем пунктам.

    Устройства на основе RRAM работают следующим образом: при достаточном напряжении материал, функционирующий в обычных условиях как изолятор (состояние высокого сопротивления) переключается в состояние низкого сопротивления. Сама микросхема, структура которой многослойна (сэндвич) сидит на основном слое оксида тантала (TaO2-x), на который наносится более тонкий слой оксида (Ta2O5-x), выступающий в качестве изолирующего слоя, окруженного платиновыми электродами. Эта конфигурация, известная как MIMB (metal-insulator-base-metal) является изолятором, который может переключиться в состояние высокой проводимости, поменяв свою конфигурацию на MMBM (metal-metal-base-metal). Занятно, не правда ли?

    Собственно, природа процесса такого переключения еще не изучена до конца, но авторы исследования считают, что прокладка высокопроводящих нитей, простирающихся через слой оксида Ta2O5-x приведет к тому, что по ним, при достаточно высоком напряжения, начнут двигаться ионы кислорода в результате окислительно-восстановительного процесса.

    Итак, в изолирующем (MIMB) состоянии то, что находится между электродом платины и оксидом тантала, образует переход металл-полупроводник, так же известный как Барьер Шоттки, в то время как в высокопроводимом (MMBM) состоянии то же самое образует омический контакт. Основная разница между ними заключается в том, что текущий профиль (в зависимости от напряжения) является линейным и симметричным для омического контакта, но для Барьера Шоттки он нелинейный и ассиметричный. Наличие барьера так же выигрышно, т.к. не допускает блужданий тока через массив из нескольких устройств, что важно для обеспечения высокой плотности хранения данных.

    Результатом вышеописанных манипуляций является память, которая при 30нм производственном процессе и токе в 50 микроампер (что ниже требований одной из альтернативных технологий — PRAM) бьет текущие показатели флеш-памяти. Было показано 1012 (у сегодняшней флеш-памяти эта цифра колеблется между 104-106) циклов записи-стирания при времени переключения в 10 наносекунд и сроком хранения информации в 10 лет при температуре 85 градусов Цельсия. Это достаточно серьезный скачок вперед, по-сравнению с той флеш-памятью, что так распространена сегодня. Плюс, она более устойчива и без проблем функционирует в вакууме.

    Вероятно, что все это слишком сладко и гладко, для того чтобы быть правдой. Здесь сразу же стоит оговориться, что тесты проводились в лабораторных условиях на плашке, способной уместить 64 бита информации (в данной терминологии — это 64 модуля памяти). Прежде чем на рынке смогут появиться гигабайтные устройства сделанные по RRAM-технологии, пройдет еще несколько лет.

    Во всей отрасли полупроводников, для того чтобы запустить массовое производство, нужно вносить изменения в процесс нанолитографии, но в этом отдельном случае, придется до конца разобраться в механизме переключения состояний сопротивления. Но то, что показали исследователи в качестве результата — впечатляет. Если RRAM доведут до ума, ее можно будет использовать в качестве универсальной памяти, подходящей как для хранения информации, так и производства оперативной памяти.

    За помощь с химическими формулами спасибо lesch

    Nature Materials via ArsTechnica

    Комментарии 37

      +20
      Ждем памяти с названием ARAMZAMZAM. Навеяло.
        –1
        ARZAMAZ
        +2
        Чувствую в далёком будущем, тупо откажутся от оперативки :D
          +7
          или тупо откажутся от HDD. ^^
            +5
            тупо откажутся.
              +12
              тупо
                +3
                .
                  +11
                   
                    +1
                    Бабаа-а-а-а-а-а-а-ах блеа!!! Сверхновая!!!
              0
              Всё будет в облаках, а вместо HDD будет небольшой локальный кэш в оперативке.
                +11
                Не будет все в облаках.
                  –1
                  Все что можно — будет. А можно много!
                    +6
                    — что-то облака сегодня розовые
                    — кто-то накачал слишком много порнухи!

                    **

                    — я потерял все данные в облаке, как восстановить?
                    — ждите циклона!
                  +1
                  Этот вариант мне кажется даже более вероятным, сейчас, когда различные онлайн-сервисы набирают обороты и видео теперь хранится на youtube, изображения на flickr, файлы на различных файл-хостингах и т.д. и т.п., а это сервера работающие 24x7x365 и единственная причина по которой им необходимы жесткие диски — невозможность уместить все эти данные в оперативной памяти, которой с годами становится все больше и больше.

                  Да и это сейчас наиболее надежный способ хранения информации для рядового потребителя, как уже был на хабре топик — из всех средств хранения информации в наш цифровой век, самый надежный — книга, так как она единственная может пролежать несколько сотен лет, для остальных-же средств (hdd, ssd, fdd, cd) и 10 лет уже серьезный срок. Онлайн-сервисы конечно от этого тоже не застрахованы, но они по-крайней мере установлены на хостинг-площадках, с резервными источниками питания, резервным копированием информации, своевременной заменой износившейся техники и т.п.
                    +3
                    вы забываете что объемы данных растут чуть ли не быстрее. Сейчас HD фильм занимает 15-25 гигабайт. Раздавать такое качество в рельном времени ютуб не сможет еще лет 5-7, а к тому времени появится следующее поколение HD, которое будет занимать уже 50-100 гигабайт на фильм ( или больше ). Средства хранения информации за ним вполне поспеют, а вот интернет — нет. Скорости обработки облаком будут всегда ограничены, да и глупо не использовать железку пользователя.
                      –1
                      Расскажите пожалуйста, зачем на фильм для домашнего просмотра >100Гб?
                        +2
                        Затем же зачем 15-25 гигабайт. Если у вас телевизор имеет разрешение, скажем, 3840x2160 (всегото в два раза больше по каждой вертикали и горизонтали чем современный HD) то фильм занимающий меньше места будет казаться «качеством прошлого века» :)
                          0
                          Да, наверное где-то так оно и получится…
                            0
                            Я в принципе предпочитаю смотреть 720, 1080 как-то для меня слишком, глаз режет :)
                            0
                            «Голограммы» может и по Петабайту занимать будут.
                              0
                              Вариантов развития — очень много:
                              • повышение разрешения — 8K телевизоры есть уже сейчас;
                              • увеличение частоты кадров, хотя при этом битрейт повышается не так существенно, поскольку межкадровая разница меньше, и более эффективное сжатие компенсирует больший поток;
                              • расширение динамического диапазона картинки — HDR видео;
                              • голография вместо стерео-картинки — даст полную иллюзию «вида через окно» — а в дальнейшем и панорамная голограмма с полным сферическим обзором или, скорее даже, голографические стены помещения;
                              • объёмная запись с возможностью самому перемещаться в кадре в каких-то пределах — дальнейшее развитие сегодняшних многоракурсных видеодисков;
                              • тактильная информация — обстановку можно будет «пощупать», а также температура, запахи и пр.;
                              • как итог, моделирование или запись всех сигналов мозга, с соответствующим полным эффектом присутствия;

                              И, конечно же, можно делать интерактивный сюжет со взаимодействием с персонажами и множеством ветвлений, хотя это уже больше похоже на игру, а не на фильм.
                                0
                                И, возможно, запись изображения использоваться уже не будет — такие объёмы информации проще будет моделировать в реальном времени, поскольку достоверность моделирования будет настолько высокой, что для человека станет неотличима от реального мира.

                                То есть записываться будет не картинка, а — как сейчас в играх — модели персонажей и обстановки, сюжет и индивидуальные черты актёров — мимика, движения, эмоции и т. п.
                              +1
                              Уже сейчас LTE NTT DoCoMo обеспечивает скорость в 37,5 Мбит/с ~ около 16 Гбайт в час, а это как раз размер фильма в отличном качестве 1920x1080.
                              LTE Advanced должна обеспечить скорость до 1 Гбит/с, при этом сжатое видео в формате UHD (7680x4320) это порядка 200-700 Мбит/с.
                              Технологии вполне поспевают. Остается обеспечить непрерывную возможность передачи HD видео и аудио, удобную билиотеку, хранилище программ и место для хранения личных фотографий. А теперь удалите весь этот контент с вашего жесткого диска, что на нем останется?
                                0
                                ага, 37.5 для скольки человек одновременно? :)
                                  0
                                  Ну как для скольки? Для одного на канал :)
                          0
                          Не думаю. Сейчас пропускная способность 3G сети выше чем кеша процессора 30-40летней давности. А однако от кеша не отказались. А наоборот добавили пяток уровней кеша.

                          Единственный случай когда возможен отказ от оперативки — изобретут технологию которая будет превосходить все существующие на тот момент технологии создания оперативной памяти, но при этом достаточно дешовая чтобы собирать из нее много петабайтные архивы
                            +1
                            30 лет назад у процессоров не было кешей.
                        +5
                        > в высокопроводимом (MIMB) состоянии
                        абзацем выше это состояние называется MMBM

                        > образует металлический полупроводник, также известный как Барьер Шоттки
                        правильно: образует переход металл-полупроводник, также известный как барьер Шоттки
                          +2
                          Благодарю, исправлено.
                          0
                          Статья занятная, радует, что стремятся не только увеличить скорость, но и время хранения, т.е. энергонезависимость. При том, используют вещества и сплавы, имеющие способность менять свои физические свойства (или фазовые переходы). Недавно упоминалось о компании IBM и ее разработках «мгновенной» памяти (http://habrahabr.ru/blogs/hardware/123105/). Удобно было бы объединить полученные результаты разработок для удобства конечного пользователя. Автору топика — спасибо за интересную статью.
                            +1
                            Было показано 10^12 (у сегодняшней флеш-памяти эта цифра колеблется между 10^4-10^6) циклов записи-стирания при времени переключения в 10 наносекунд и сроком хранения информации в 10 лет при температуре 85 градусов Цельсия.

                            Как они могли ее испытывать 10 лет, если они только недавно придумали использовать оксид тантала?
                              0
                              Я так понимаю, это всего лишь прогнозные значения?
                                +1
                                Дело не во времени а в количестве циклов перезаписи. У SSD указывается максимальное количество циклов которые он поддерживает, а не максимальное время в годах которое он будет работать. Непосредственно время зависит от того насколько диск используется.
                                0
                                Помню, были высокими цены на танталовые конденсаторы…
                                  +1
                                  Погуглите статью <a href=«www.google.com/search?q=»мобильник+сочится+кровью">«мобильник сочится кровью». И вряд ли упадут, т.к. спрос электроники растет, и потребление тантала тоже.

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                              Самое читаемое