Znajdź zawartość

W laboratoriach IBM-a dokonano przełomowego postępu na drodze do stworzenia praktycznych pamięci zmiennofazowych (PCM). Ekspertom Błękitnego Giganta udało się przechować przez dłuższy czas wiele bitów informacji w pojedynczej komórce pamięci. To z kolei daje nadzieję, że za około 5 lat PCM zaczną się upowszechniać. Naukowcy z laboratoriów w Zurichu opracowali nową technikę modulacji, która toleruje samoistne zmiany oporności, co w dłuższym czasie prowadzi do błędów odczytu danych. Dotychczas udawało się stabilnie przechowywać tylko pojedynczy bit danych w komórce. W PCM dane przechowywane są dzięki zmianie oporności, do której dochodzi podczas zmiany fazowej materiału z krystalicznej w amorficzną. Materiał umieszczony jest pomiędzy dwiema elektrodami. Przepuszczenie przez nie prądu powoduje podgrzanie materiału i zmianę fazy. Ponadto, w zależności od przyłożonego napięcia można decydować, jaka część materiału przejdzie zmianę, co z kolei bezpośrednio wpływa na oporność poszczególnych komórek pamięci. Właściwość tę wykorzystali naukowcy IBM-a, którzy podczas swoich eksperymentów użyli czterech różnych poziomów oporności do przechowania czterech kombinacji bitów - 00, 01, 10 i 11. Mogli to osiągnąć, dzięki ulepszeniu procesu odczytywania i zapisywania danych. Aby uniknąć niepożądanych różnic w oporności, spowodowanych budową komórki czy niedoskonałościami materiału, opracowali sposób płynnego manipulowania napięciem w zależności od założonego efektu. Przykładamy napięcie bazując na odchyleniach od zakładanego poziomu i wówczas mierzymy oporność. Jeśli wymagany poziom oporności nie został osiągnięty, impuls elektryczny jest wysyłany ponownie i znowu mierzymy oporność. Powtarzamy to tak długo, aż osiągniemy jej wymagany poziom - mówi doktor Haris Pozidis, dyrektor Memory and Probe Technologies w IBM Research. Pomimo używania takiej techniki, największe opóźnienie w zapisie danych wyniosło około 10 mikrosekund, co oznacza, że w najgorszym wypadku zapis danych w PCM jest 100-krotnie szybszy niż w pamięciach flash. Z kolei aby bezbłędnie odczytać dane po dłuższym czasie konieczne było poradzenie sobie ze zmianami oporności, jakie zachodzą w materiale amorficznym. Ze względu na budowę atomową takiego materiału, jego oporność z czasem rośnie, co wywołuje błędy w odczycie danych. Eksperci IBM-a opracowali technikę kodowania odporną na te zmiany. Wykorzystuje ona fakt, że właściwości komórek z danymi nie zmieniają się w czasie względem innych komórek o innej oporności. Dzięki temu byli w stanie odczytać po dłuższym czasie dane z 200 000 komórek pamięci zmiennofazowej wykonanej w technologii 90 nanometrów. Testy trwały pięć miesięcy, dowodząc możliwości długotrwałego wiarygodnego przechowywania danych.

Na Uniwerstytecie Kalifornijskim w San Diego (UCSD) trwają prace nad niezwykle szybkim systemem pamięci nieulotnej. Już w tej chwili prototypowy system Moneta jest kilkukrotnie szybszy od najbardziej wydajnych urządzeń SSD. Dzięki optymalizacji sprzętu i oprogramowania Moneta charakteryzuje się 16-krotnie krótszym czasie dostępu przy jednoczesnym zmniejszeniu obciążenia oprogramowania o 60%. Moneta jest przystosowany do sekwencyjnego transferu danych rzędu 2,8 GB/s, pozwala też na przeprowadzenia 541 000 operacji I/O na 4-kilobajtowych blokach danych w ciągu sekundy. System zapisuje 512 bajtów w ciągu zaledwie 9 mikrosekund, czyli 5,6 raza szybciej niż SSD. Na system Moneta składają się 64 gigabajty pamięci zmiennofazowych wykonanych z chalkogenidów. Jako społeczeństwo zbieramy dane bardzo, bardzo szybko, znacznie szybciej niż jesteśmy w stanie przeanalizować je za pomocą współczesnych technologii bazujących na dyskach twardych. Pamięci zmiennofazowe połączone z napędami SSD pozwolą nam na szybszy dostęp do danych, wykorzystanie tego, że je zgromadziliśmy. To może być rewolucyjne osiągnięcie - mówi profesor Steven Swanson, dyrektor Non-Volatile Systems Lab, w którym powstał Moneta. System korzysta z pierwszej generacji kości PCM produkcji Micron Technology, które są zdolne do odczytu dużych bloków danych z prędkością 1,1 gigabajta na sekundę i zapisu z prędkością 371 MB/s. Przy małych blokach odczyt wynosi 327 MB/s, a zapis - 91 MB/s. Swanson mówi, że druga generacja Monety powinna powstać w ciągu 6-9 miesięcy. Zdaniem naukowca podobne systemy danych mogą trafić do rąk użytkowników w ciągu najbliższych kilku lat. Warunkiem jest dalsze udoskonalenie pamięci zmiennofazowych. Odkryliśmy, że można stworzyć znacznie szybsze urządzenie do przechowywania danych, ale żeby wykorzystać jego możliwości konieczne jest przeprowadzenie zmian w oprogramowaniu zarządzającym tego typu urządzeniami. Systemy przechowywania danych przez ostatnie 40 lat ewoluowały pod dyktando dysków twardych, a dyski są bardzo, bardzo powolne. Zaprojektowanie systemu przechowywania danych, który w pełni wykorzysta technologie takie jak PCM wymaga przemyślenia niemal każdego aspektu dotyczącego zarządzania danymi i dostępu do nich. Moneta pozwala nam zobaczyć, jak będzie wyglądało przechowywanie danych w przyszłości i pozwala na przemyślenie architektury - mówi Swanson.

Intel i Numonyx poinformowały o dokonaniu przełomu w technologii pamięci zmiennofazowych (PCM). Obie firmy pokazały testowy 64-megabitowy układ, w którym udało się umieścić liczne warstwy PCM na pojedynczej podstawce. Pozwoli to na zwiększenie pojemności, obniżenie kosztów oraz konsumpcji energii. Nowa pamięć korzysta z nowego typu komórki pamięci zwanego PCMS (phase change memory and switch - pamięć zmiennofazowa i przełącznik). Komórka składa się z pojedynczego elementu PCM połączonego z Ovonic Threshold Switch (OTS). To szklany przełącznik, który pod wpływem napięcia zmienia swój stan pomiędzy opornikiem, a przewodnikiem, a gdy wartości prądu spadają poniżej pewnej granicy, ponownie staje się opornikiem. Możliwość układania na sobie kolejnych warstw PCMS pozwala na zwiększenie gęstości zapisu w pamięciach PCM. Wyniki są niezwykle obiecujące. Dają one nadzieję na osiągnięcie większych gęstości, produkcję skalowalnych pamięci i użycie ich w przyszłości na tych samych polach, co pamięci NAND. To bardzo ważne, gdyż układy flash zbliżają się do swoich granic rozwoju, a zapotrzebowanie na pamięci rośnie na każdym rynku - od telefonów komórkowych po centra bazodanowe - mówi Greg Atwood z Numonyksa.

Samsung rozpoczął produkcję zmiennofazowych pamięci RAM (PRAM). Układy o pojemności 512 megabitów przeznaczone są dla telefonów komórkowych i innych niewielkich urządzeń zasilanych bateriami. Jeśli Samsungowi szybko uda się wdrożyć produkcję na dużą skalę, to wyprzedzi na rynku firmę Numonyx, wspólne przedsięwzięcie Intela i STMicroelectronics. Zmiennofazowe układy RAM (PRAM - phase-change random access memory) to pamięci nieulotne, co oznacza, że przechowywane w nich informacje nie zostają utracone po odłączeniu zasilania. Pojedyncza komórka pamięci PRAM zbudowana jest z diod i trójwymiarowej struktury tranzystorów. Samsung informuje też, że pojedyncza komórka pamięci PRAM ma powierzchnię jedynie 0,0467 mikrometra kwadratowego, a więc jest obecnie najmniejszą powierzchnią zdolną do przechowywania informacji, w której sąsiadujące ze sobą komórki nie zakłócają się wzajemnie. Dodatkową zaletą PRAM jest fakt, że przeciwieństwie do używanych obecnie układów flash, stare dane nie muszą zostać najpierw wykasowane, by można było zapisać nowe informacje. Samo kasowanie odbywa się też znacznie szybciej. Nowy układ usuwa informacje ponad 10-krotnie szybciej niż kości NOR flash, a 5-megabitowe bloki danych są usuwane i ponownie zapisywane w czasie 7-krotnie krótszym. Koreańska firma obiecuje, że dzięki wykorzystaniu PRAM urządzenia zasilane bateriami będą pracowały o 20% dłużej. Układy zostaną stworzone w 60-nanometrowym procesie produkcyjnym. Ich cena nie jest znana.

W czerwcu Samsung Electronics rozpocznie masową produkcję pamięci PRAM (phase change RAM). Układy PRAM to zmiennofazowe kości RAM. Wykorzystują one materiały, które zmieniają swoją strukturę pomiędzy krystaliczna a amorficzną. Obszary krystaliczne reprezentują "1", a amorficzne "0". Pamięci PRAM są układami nieulotnymi, a więc umożliwiają przechowywanie danych po odłączeniu napięcia. Ponadto, jako że aby zapisać w nich dane nie trzeba kasować starych informacji, pracują 30-krotnie szybciej niż standardowe pamięci flash. Są przy tym prostsze w produkcji niż flash i 10-krotnie bardziej trwałe od tego typu układów.

IBM i TDK wspólnie pracują nad nowym rodzajem pamięci nieulotnej o nazwie spin torque transfer RAM (STT-RAM). Jednocześnie IBM przyznał, że nie widzi przyszłości przed technologią MRAM, nad którą dotychczas pracował. W układach STT-RAM prąd elektryczny przykładany jest do magnesu i zmienia kierunek pola magnetycznego. To z kolei decyduje o zmianie oporności, a różne poziomy oporności są interpretowane jako 1 lub 0. IBM i TDK obiecują, że w ciągu najbliższych 4 lat stworzą prototypowy układ STT-RAM wykonany w technologii 65 nanometrów. Nad pamięciami STT-RAM pracuje też firma Grandis, która chce zacząć ich sprzedaż już pod koniec przyszłego roku. IBM pracował dotychczas nad pamięciami magnetorezystywnymi (MRAM) jednak okazało się, że wyprodukowanie tego typu układów w technologiach posługujących się wielkościami bramki mniejszymi niż 65 nanometrów jest bardzo trudne. Błękitny Gigant nie zaoferował się na rynku układów MRAM, a firma Freescale Semiconductor, która ma w swojej ofercie kości MRAM nie sądzi, by technologia ta przetrwała długo. Obecnie prace nad pamięciami RAM przyszłej generacji idą więc w dwóch kierunkach. Jeden to STT-RAM, a drugi to układy zmiennofazowe. Ta druga technologia polega na podgrzewaniu do kilkuset stopni Celsjusza poszczególnych komórek pamięci. Materiał, z których są one zbudowane, zmienia wówczas swoją strukturę z krystalicznej na amorficzną. Struktura krystaliczna jest interpretowana jako 1, a amorficzna jako 0. Obie technologie, STT-RAM i pamięci zmiennofazowe, mają swoje plusy. STT-RAM pracują szybciej, a zmiennofazowe są bardziej gęste, pozwalają więc zapisać więcej informacji. Zaawansowane prace nad pamięciami zmiennofazowymi prowadzą Intel i STMicroelectronics, które powołały do życia firmę Numonyx. Z nieoficjalnych informacji wynika, że pierwsze układy zmiennofazowe mają wkrótce trafić na rynek.

Justin Rattner, główny technolog Intela, ma dokonać w bieżącym tygodniu pierwszej publicznej demonstracji działania intelowskich pamięci zmiennofazowych (PRAM – phase-change RAM). Pokaz będzie miał miejsce podczas odbywającego się właśnie Intel Developer Forum (IDF). Układy PRAM mogą zastąpić nie tylko kości flash, ale i DRAM. Pamięci zmiennofazowe to pamięci nieultone, co znaczy, że po wyłączeniu zasilania zawartość nie jest tracona. Działają więc podobnie jak flash, jednak mają nad tymi kośćmi taką przewagę, że pracują znacznie szybciej. Ich tempo odczytu i zapisu danych dorównuja układom DRAM. PRAM do zapisu danych wykorzystuje szkło chalkogenowe (zawierające tlenowce, a więc siarkę, tlen, tellur, selen lub polon). Szkło takie, pod wpływem temperatury, zmienia swoją strukturę pomiędzy krystaliczną a amorficzną. Oba stany odznaczają się różną opornością elektryczną, reprezentują więc wartości 0 i 1 potrzebne do zapisania danych. Dodatkową przewagą PRAM nad flash jest fakt, że układy flash działają wyłapując elektrony i "więżąc” je w komórce pamięci. Po dłuższym czasie taki elektron zostaje uwięziony na stałe i układ pamięci staje się przez to bezużyteczny. Kości PRAM muszą jeszcze udowodnić swoją przewagę nad DRAM. Jeśli nawet tego dokonają, to DRAM nie zniknie z naszych komputerów i urządzeń elektronicznych. Będą po prostu wykorzystywane w inny sposób niż dotychczas.