За несколько десятилетий в области технологий хранения данных произошли разительные перемены, а появление Flash-памяти можно назвать революцией. Следующей вехой должны стать сверхбыстрые чипы, способные хранить сотни фильмов в HD-качестве. По всему миру совершенствуют текущие и разрабатывают новые технологии, самые удачные из которых попадут на рынок – прогресс не остановить!

50 лет назад в ходе лекции для Американского физического общества физик Ричард Фейнман (Richard Feynman) рассуждал, можно ли будет когда-нибудь записать 24 тома энциклопедии «Британика» на булавочную головку. Он 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 расчётов Фейнмана, но размер единичного элемента хранения известен – около 40 нм в коммерческих устройствах на основе Flash.

Технологии устройств памяти следующего поколения будут использовать новые материалы, обладать временем доступа в единицы нс и хранить информацию 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

MRAM (magnetoresistive random access memory — магниторезистивная память с произвольным доступом) является «долгожителем» семейства технологий, призванных заменить Flash — несколько компаний трудятся над ней ещё с 1990-х годов. В ближайшем будущем этот тип памяти приобретет большую популярность благодаря ряду преимуществ над остальными типами оперативной памяти.



Каждая ячейка магниторезистивной памяти хранит 1 бит данных в магнитном элементе (MTJ1), состоящем из двух ферромагнетиков, между которыми располагается тонкий слой диэлектрика. Причем один из ферромагнетиков (F2) — это постоянный магнит, намагниченный в определенном направлении, а другой ферромагнетик (F1) может изменять направление намагниченности под действием магнитного поля. Если оба ферромагнетика имеют одинаковую направленность намагниченности, то считается, что в ячейке памяти хранится ноль. Если направления перпендикулярны — единица.

Для изменения направления намагниченности ферромагнетика F1 необходимо подать ток в линии WC1 и WL1. В точке пересечения этих линий, как раз там, где располагается магнитный элемент, наводится поле достаточной мощности, чтобы ферромагнетик F1 изменил направление намагниченности. Остальные ячейки, располагающиеся вдоль строки и столбца, на которые подан ток, не изменят направления намагниченности, так как мощность поля, создаваемого только током в линии WC1, или только током в линии WL1, недостаточна.

Для чтения данных существует приемлемый способ, основанный на изменении электрического сопротивления при протекании тока между двумя слоями ферромагнетика, разделенного тонким слоем диэлектрика — эффект туннельного магнетосопротивления. Общее сопротивление будет выше при перпендикулярной ориентации намагниченности слоев диэлектрика. Транзистор нужен для определения содержания ячейки.

Принцип записи 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, а значит, большой размер ячейки памяти. По словам физика Джеймса Скотта (James Scott) из Кэмбриджского университета, до сих пор это препятствие не устранено. Да и энергопотребление будет велико, особенно для мобильных устройств.

По этой причине ведутся активные поиски альтернативных способов записи данных в MRAM, например, термическая запись, при которой ячейка памяти непосредственно перед записью нагревается, упрощая изменение направления намагниченности.

Несомненно в будущем этот тип памяти может вытеснить все остальные типы ОЗУ, так как потенциально обладает значительно лучшими характеристиками, как по скорости работы, так и по объемам хранимой информации. Сейчас эта память применяется, в основном, в больших научных и технических проектах. Так в 2008 году в японском искусственном спутнике SpriteSat была применена магниторезистивная память производства Freescale Semiconductor. А с апреля 2011 года доступны первые коммерческие микросхемы MRAM ёмкостью 16 Мбит. На сегодняшний день ёмкость чипов ограничена 32 Мбит. Такие компании, как Hitachi и Toshiba, продолжают работать над MRAM, поддерживая веру в её будущее.

FeRAM

FeRAM (ferroelectric random access memory — сегнетоэлектрическая память с произвольным доступом) относительно близка к Flash-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 них небольшое внешнее электрическое поле может заставить положительно и отрицательно заряженные ионы изменить дипольные моменты и установить стабильную поляризацию. При действии положительного электрического заряда происходит положительная поляризация сегнетоэлектрика, результатом которой является переход в состояние соответствующее значению «0». При действии отрицательного заряда происходит обратный переход, соответствующий значению «1». При этих переходах материал сегнетоэлектрика меняет свои физические свойства. Возникает петля гистерезиса, в результате состояния «0» и «1» по энергетическому значению далеко разнесены, позволяя их идентифицировать.


Небольшое приложенное к кристаллу напряжение изменяет состояние бита. Процесс длится менее наносекунды и требует незначительной расходуемой мощности, а количество циклов записи намного превышает возможности Flash-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 в Германии. Чтобы изменить состояние сегнетоэлектрика с приемлемой скоростью, рядом должны храниться дополнительные заряды, поэтому каждая ячейка такой памяти обычно содержит конденсатор, ограничивающий плотность размещения. На данный момент эксперты не видят возможности для FeRAM обладать такой же ёмкостью чипа, как в микросхемах Flash-памяти. Тем не менее, низкое энергопотребление может пригодиться при решении тех задач, где экономия важнее ёмкости.

PCRAM

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 и кристаллическое. В последнем случае материал электропроводен, тогда как в аморфном состоянии это практически изолятор. Подобный материал (халькогенид) в PCRAM заключён между электродами, и для переключения между фазами необходим лазерный импульс или электрический ток для расплавления. 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 значительная энергия, 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, а время переключения может достигать 1 нс. Но с уменьшением этого параметра стабильность состояния также снижается, поэтому пока значение скорости переключения отстает в 10-100 раз от потенциала. Задача инженеров — достижение оптимального соотношения скорости и стабильности.

Samsung недавно представила чип PCRAM ёмкостью 512 Мб, выпущенный в серийное производство. Скорость и срок службы превышают значения для Flash в десятки раз.

RRAM

RRAM (resistive random access memory — резистивная память с произвольным доступом) по масштабам элементов хранения битов сравнима с PCRAM. Только здесь используется электрохимическая реакция. Материалом выступает непроводящий оксид, такой как оксид титана. Когда к кристаллу приложено высокое напряжение, удерживающие атомы кислорода связи начинают разрушаться. Кислород оставляет «дырки» и свободные электроны, носители зарядов. «Дырки» формируют электропроводные каналы. 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 — быстродействующая технология с низким энергопотреблением. По словам Стэна Уильямса (Stan Williams) из лаборатории Hewlett-Packard Laboratories в Калифорнии, переключение состояний занимает наносекунды, а требуемая энергия измеряется пикоджоулями. Это сотая часть от необходимого Flash-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 HP и другие компании.

RRAM примечательна не только благодаря способности хранить информацию. В 2008 году Уильямс с коллегами обнаружил, что устройство на основе резистивной памяти имеет характеристики мемристора — четвёртого основного элемента электрической цепи после резистора, конденсатора и индуктивности.


Мемристор отличается от резистора способностью принимать разные значения сопротивления в зависимости от заряда, который прошел через него в прошлом. Это делает компонент моделью аналоговой вычислительной единицы человеческого мозга, но работает она гораздо быстрее настоящего синапса и с меньшими затратами энергии.

В Национальной лаборатории прикладных исследований Тайваня уже изготавливают соответствующие чипы по технологии 9 нм, плотность данных в разы превосходит аналоги. А потребление энергии составляет всего 0,005% от уровня потребления той же Flash. Уже сейчас возможно изготовить прототип емкостью 500 Гб на площади всего 1 кв.см. При этом в перспективе данный объем может увеличиться втрое. К сожалению, даже по оценкам самих разработчиков, на рынке память RRAM-типа окажется только через десять лет.

NanoRAM

Компания Nantero объявила о том, что ею ведется разработка нового типа памяти по технологии углеродных нанотрубок (carbon nanotube, CNT). Благодаря такому решению, заявляет производитель, компьютер будет загружаться почти мгновенно, потребляя при этом меньше электроэнергии и выделяя существенно меньше тепла.

Технологии CNT уделяется все большее внимание со стороны ведущих производителей — Motorola работает над топливными элементами, изготовленными с её использованием, Fujitsu планирует охлаждать полупроводники при помощи нанотрубок, Infineon и Intel ведут разработки, в области задействующих нанотрубки транзисторов, ЖК дисплеи будущего также будут использовать CNT.

Президент компании, Грэг Шмергель (Greg Schmergel) заявил, что первым продуктом этой области будет память, объединяющая скорость SRAM с энергонезависимостью Flash. Жизненный цикл NRAM будет многократно превышать Flash.

Принцип работы такой: нанотрубки находятся в виде суспензии над электродами. Электрические заряды изменяют позицию трубок в двух положениях, каждое из которых определяет значение бита информации, записанной в память. Трубки останутся в заданном положении, удерживаемые на молекулярном уровне.


Известно, что рабочие образцы на испытаниях выполняли 2 млрд. циклов чтения/записи в секунду.

Optical RAM

Файл для скачивания

Заключение

Исследований в сфере поиска альтернативных способов организации RAM существует масса, и далеко не все освещены в этой статье. Существуют модели, скорость которых измеряется в мс и никогда не приблизится к скорости сегодняшней оперативной памяти. К их числу относятся голографическая, молекулярная память. Некоторые ученые уверены, что стоит пересмотреть взгляд на организацию памяти в целом, предлагая управлять ячейками, словно бусинками на магнитном нанопроводнике. Этот экзотический способ назван трековой памятью (Racetrack memory). Другими словами, есть куда развиваться, и в скором времени мы будем пользоваться технологиями, дешевыми и куда более эффективными, которыми сейчас заняты умы ученых всего мира.

Источники

all-ht.ru
nims.go.jp
3dnews.ru
newscientist.com
wikipedia.org
engadget.com
eng.utoledo.edu
blog.18004memory.com
focustaiwan.tw
allbest.ru
scriru.com
gazeta.ru
whatis.ru