Универсальная память будущего

Кто выйдет победителем в гонке новейших технологий организации памяти? Решение будущего должно быть не только быстрым, но и недорогим

Для производителей компьютеров закон Мура всегда говорил о получении чего-то из ничего. И это касалось не только микропроцессоров. За 40 лет разработчики систем наблюдали удвоение объемов памяти каждые полтора-два года, в то время как ее стоимость оставалась, по сути, одной и той же за счет двойного снижения цены бита. Однако, вместе с ростом технической сложности создания все более мелких ячеек памяти в кремнии, некоторые производители памяти начали предсказывать, что кривая стоимости начнет вести себя иначе еще до конца десятилетия.

Исследователи работают над несколькими альтернативными технологиями, которые могут постепенно вытеснить три широко используемые сейчас подхода: дешевая память DRAM, используемая в ПК и серверах; быстрая память SRAM, используемая в кэш-памяти процессоров и мобильных устройствах и энергонезависимая флэш-память, используемая везде — от BIOS компьютеров до мобильных телефонов.

Исследователи некоторых компаний, в том числе IBM и Intel, предсказывают разработку универсальной технологии памяти, которая в какой-то момент заменит все три существующие.

«Универсальная технология памяти может изменить всю архитектуру компьютеров, — считает Уильям Галлахер, старший менеджер IBM по экспериментальным и энергонезависимым типам памяти. — К примеру, энергонезависимая оперативная память позволит выполнять мгновенную загрузку и мгновенное выключение, так как информация не будет теряться при отключении энергии. Однако подобная универсальная технология появится только через 10-15 лет».

Основная масса исследований сегодня сосредоточена на поисках обхода ограничений одной из существующих технологий, в частности флэш-памяти. Однако некоторые особенности современных технологий будет очень трудно преодолеть.

«Большинство технологий, по-видимому, не смогут конкурировать ни с DRAM по стоимости одного бита, ни со SRAM по скорости доступа. Так что они попадут в некоторое промежуточное положение», — отметил Боб Мерритт, вице-президент по исследованиям рынка памяти компании Semico Research.

Лучше всего финансируются и чаще всего в разработках используются ферроэлектрическая (FRAM) и магниторезистивная (MRAM) типы памяти. FRAM — технология энергонезависимой памяти, разработанная в Ramtron International. Она уже лицензирована некоторыми компаниями, в том числе Texas Instruments. По информации Ramtron, с использованием FRAM уже выпущено более 30 млн. продуктов, в том числе измерительных инструментов, средств радиоидентификации и устройств, работающих со смарт-картами.

Технология FRAM потребляет меньше энергии и выполняет операции записи быстрее, чем DRAM или флэш-память, и к тому же обладает большим сроком жизни. Однако эта технология все еще в 20-50 раз дороже, чем DRAM, а ее плотность гораздо ниже.

В настоящее время Ramtron разрабатывает прототипы микросхем объемом 1 Мбит и надеется развить технологию до уровня 4 или 8 Мбит к 2006 году. До момента готовности MRAM к коммерческому запуску FRAM остается единственной альтернативой энергонезависимой DRAM на рынке.

MRAM, по сравнению с остальными экспериментальными типами памяти, находится ближе к выходу на рынок. Ведущими разработчиками MRAM являются компании IBM и Freescale Semiconductor. Галлахер охарактеризовал эту технологию как «магнитное хранилище в микросхеме», потому что в ней используется техника магнитной поляризации, применяемая в дисковых устройствах.

«Это быстрая энергонезависимая память, предлагающая хорошее сочетание высокой скорости работы, долговечности и достаточной емкости», — считает Галлахер.

Отдельные микросхемы могут производиться с теми же показателями емкости и стоимости одного бита, что и флэш-память. Однако продвигаемая в качестве технологии универсальной памяти, MRAM не может конкурировать по плотности с DRAM или SRAM. Основной интерес на данный момент она представляет в области встраиваемых приложений.

Есть и другие многообещающие разработки.

Память с изменением фаз (PCM) является быстрой энергонезависимой памятью, которой предрекают стать универсальной памятью. Над разработками в этой области работают IBM и Intel вместе с другими компаниями. Транзистор в PCM-ячейке использует энергию для нагревания или охлаждения материала, меняя свое состояние между аморфным (с высоким сопротивлением) и кристаллическим (с низким сопротивлением). Изменение сопротивления отражает состояние ячейки, которой приписывается 0 или 1.

Хотя PCM-технология работает гораздо быстрее, чем флэш-память, она медленнее, чем SRAM. Чтобы конкурировать с DRAM, она должна поддерживать неограниченное количество циклов записи. Исследования, проводимые в IBM, показывают, что возможности PCM могут соответствовать ограничению флэш-памяти в 100 тыс. циклов записи.

Между тем в компании Ovonyx утверждают, что ее технология, получившая название Ovonics, допускает 10 трлн. циклов записи, делая эту память применимой в качестве как DRAM, так и флэш-памяти.

Углеродные нанотрубки — полые, трубкообразные решетки атомов углерода — могут выступать в качестве механической памяти, работающей на принципах изменения положения углеродных волокон, замыкающих или размыкающих соединения между двумя электродами.

«Мы можем объединить свойства энергонезависимости флэш-памяти со скоростью SRAM и емкостью DRAM», — заявляет Грег Шмергел, сооснователь, президент и директор компании Nantero, первопроходца в области углеродных нанотрубок.

Теоретически эта технологии может работать в масштабах до 5 нанометров и достигать скоростей, в несколько раз превосходящих современные микросхемы DRAM. Микросхемы, построенные на базе нанотрубок, могут быть в 10-15 раз меньше, чем современные DRAM, и обеспечивать десятикратное снижение энергопотребления. По словам Шмергела, до выпуска первых продуктов партнерами, в частности компанией LSI Logic, остается от двух до пяти лет.

Молекулярная память, разработанная компанией ZettaCore, базируется на химическом процессе создания ячеек памяти DRAM с молекулярным конденсатором. «Химически самособираемые» ячейки функционируют за счет добавления или удаления электронов. Это приводит к изменению электрического напряжения, по которому определяется состояние (0 или 1). Эта технология позволяет сформировать ячейки памяти, каждая из которых поддерживает четыре состояния и может хранить 2 бит.

«Молекулярная память требует на 70% меньше энергии, чем обычная ячейка памяти DRAM, так как конденсатор может сохранять 100-кратный запас энергии и поэтому требует меньшей частоты обновления памяти», — подчеркнул Субодх Топрани, директор ZettaCore.

«Молекулярная память позволит производителям увеличить емкость вдвое и даже вчетверо без увеличения себестоимости, — отметил Топрани. — Мы надеемся получить готовый продукт к 2007-2008 году».

Память на базе программируемых металлизированных ячеек (PMC) компании Axon Technologies представляет собой энергонезависимую альтернативу DRAM, использующую меньше энергии и обеспечивающую большую емкость, чем DRAM. В ней небольшое количество металла самоорганизуется в волокна по мере добавления электронов к ионам металла. Изменение сопротивления отражает состояние ячейки памяти.

«Мы не храним информацию в виде заряда; мы храним ее в виде атомов», — заявляет Майкл Козицки, сооснователь и директор по технологиям компании Axon.

Козицки надеется, что получит первый «реально работающий прототип» к 2007 году. «По нашим оценкам, технология будет стоить не дороже, чем существующая память DRAM», — отметил он.

Память с программируемой металлизацией ячеек

Память, построенная на нанотрубках

Точка ветвления

Низкая стоимость и высокая емкость являются основными критическими параметрами памяти для ПК и других компьютеров, работающих на переменном токе. Однако мобильные устройства, работающие от батарей, подобные ноутбукам и мобильным телефонам, переносят акценты на низкое энергопотребление и энергонезависимость памяти, сохраняющей данные после отключения энергии.

Сегодня бизнес в области производства памяти в меньшей степени зависит от ПК и больше от сектора мобильных устройств.

«В этом году будет продано больше энергонезависимой памяти, чем обычной», — отмечает Боб Мерритт, вице-президент по исследованиям рынка памяти компании Semico Research.

По его мнению, расслоение рынка памяти движет разработки по двум направлениям. Разделение рынка может отразиться на гонке за уменьшением масштабов, которая приводила к снижению цен на DRAM, и тогда цикл удвоения емкости памяти каждые полтора года без увеличения стоимости будет прерван.

Однако высокая стоимость разработок и производства памяти означает, что промышленность не сможет предложить радикально отличающиеся подходы для разных рынков.

«Вы не сможете построить современный завод меньше чем за 3 млрд. долл. — пояснил Майкл Козицки из компании Axon Technologies. — Поэтому потребуется единая технологическая основа. Какая бы технология ни выиграла в этой гонке, она выиграет в обоих сегментах рынка».