Твердотельные накопители, развитие в новых технологиях

 

Поэтому реальный ресурс по записи для  каждого конкретного модуля памяти зависит не только от технологии, но и от качества его изготовления, а также от условий эксплуатации, так что на практике ресурс может быть гораздо ниже заявленного. В то же время, как мы уже упоминали, число считываний ничем не ограничено и гарантируется хранение единожды записанных данных в течение 10 лет. Так что если обычные карточки флэш-памяти и USB-брелоки не использовать в качестве постоянного накопителя, не редактировать на них документы и изображения, не держать на них базы данных и не работать с операционной системой, записанной непосредственно на карточку памяти, то они будут служить вам достаточно долго и безотказно.

 

Современный этап и перспективы  развития

 

Итак, несмотря на очевидные достоинства, современная флэш-память имеет  серьезные недостатки, препятствующие дальнейшему расширению области ее применения. Поэтому разработчики пытаются найти альтернативные решения в рассматриваемой области. Конечно, их взоры в первую очередь обращены на так называемые наследуемые технологии, то есть на усовершенствование существующих разработок, что не потребует значительных изменений в технологическом процессе производства готовой продукции. Так что можно не сомневаться в том, что фирмы, выпускающие флэш-память, будут стараться использовать весь потенциал этого типа носителей перед переходом на накопители другого типа и продолжат совершенствовать традиционную флэш-технологию.

 

Однако сегодня на пороге промышленной реализации стоит уже целый ряд  альтернативных технологий хранения данных, многие из которых готовы к внедрению и ожидают только благоприятной рыночной ситуации.

 

Ferroelectric RAM (FRAM)

 

Для наращивания скоростного потенциала энергонезависимой памяти предлагается технология ферроэлектрического принципа хранения информации (Ferroelectric RAM, FRAM). Считается, что механизм действия существующих технологий, который заключается в перезаписи данных в процессе считывания при любых видоизменениях базовых компонентов, будет сдерживать скоростной потенциал устройств. А у FRAM-памяти будет та же простота, скорость и надежность в эксплуатации, которая свойственна нынешней энергозависимой оперативной памяти (DRAM), но добавятся также энергонезависимость и возможность длительного хранения информации, присущие флэш-памяти. Кроме того, к достоинствам FRAM-технологии относят стойкость к радиации и другим проникающим излучениям, что может быть востребовано в специальных приборах, предназначенных для работы в условиях высокой радиоактивности или в космических исследованиях. Память FRAM для реализации механизма хранения данных использует сегнетоэлектрический эффект — возможность материала сохранять электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. Ячейка памяти FRAM создается размещением сверхтонкой пленки сегнетоэлектрического материала в кристаллическом виде между двумя плоскими металлическими электродами, образующими конденсатор. Конструктивно последний очень похож на конденсатор, используемый при построении ячейки DRAM, однако вместо того, чтобы хранить данные как заряд в конденсаторе, подобно DRAM, сегнетоэлектрическая ячейка памяти хранит данные внутри кристаллической структуры, что предотвращает эффект утечки заряда, приводящий к потере информации, а потому FRAM не нуждается в периодической регенерации данных, как DRAM. Более того, при отключении напряжения питания данные во FRAM-памяти сохраняются.

 

 

 

Над таким типом памяти давно и успешно работает компания Hynix Semiconductor, которая уже представила  образцы ферроэлектрических чипов, которые, однако, имеют более высокое, по сравнению с флэш-памятью, энергопотребление. Помимо Hynix Semiconductor усовершенствованием технологии разработки FRAM-чипов занимается компания Matsushita Electric, производящая чипы по 0,18-мк техпроцессу — самому миниатюрному на данный момент, который применяется для создания ячейки ферроэлектрической памяти (Hynix, например, использует для этих целей 0,25-мк технологию). Кстати, благодаря переходу на более высокую степень интеграции Matsushita смогла снизить энергопотребление своей памяти и в пять раз увеличить скорость записи данных в ячейки по сравнению с конкурентами. Компания Infineon совместно с Toshiba исправила другой недостаток технологии FRAM, предложив необычный подход к созданию памяти — трехмерную архитектуру, в которой конденсаторы расположены вертикально. Благодаря этому открываются новые перспективы к устранению одного из основных недочетов FRAM — большого размера ячейки. И наконец, компания Ramtron International Corporation реализовала в своих FRAM-чипах технологию NoDelay (без задержек). Как и у нынешней флэш-памяти, во FRAM-чипах декларируется длительное время хранения данных без источника питания — до 10 лет. Однако они характеризуются еще и неограниченным количеством циклов перезаписи.

 

В технологическом плане  память FRAM является потомком современных типов памяти и воплощает их лучшие черты — энергонезависимость и высокую скорость работы, поэтому ее можно считать реальным претендентом на роль базовой технологии для создания постоянных запоминающих устройств нового поколения.

 

Однако несмотря на то, что большая часть проблем, присущих данной памяти, уже преодолена (например, проблема старения материала), некоторые вопросы использования данной технологии до сих пор остаются открытыми.

 

Magnetic RAM (MRAM)

 

Другим типом памяти, перспективность которого тоже оценивают сегодня довольно высоко, является магниторезистивная память (Magnetic RAM, MRAM), которая также энергонезависима и имеет сравнительно высокие скоростные показатели. В качестве элементарной ячейки в устройствах MRAM применяется тонкая магнитная пленка на кремниевой подложке. MRAM — это статическая память, она не требует периодической перезаписи и при выключении питания записанная информация не теряется.

 

 

 

 

Сегодня многие специалисты называют MRAM технологией памяти следующего поколения, поскольку скоростные показатели существующих прототипов очень высоки: по данным компании IBM, время записи в MRAM не превышает 2,3 нс, что более чем в тысячу раз меньше, нежели время записи во флэш-память, и в 20 раз больше скорости обращения к FRAM. Время чтения произвольного бита не превышает 3 нс, что в 20 раз меньше, чем для DRAM, а потребляемый ток составляет около 2 мА, то есть меньше тока потребления DRAM в сто раз. Кроме того, MRAM, в отличие от SDRAM, устойчива к внешним электромагнитным воздействиям.

 

У MRAM есть и другое несомненное  достоинство — невысокая стоимость  чипов на ее основе. В отличие  от флэш-памяти, которая производится по специализированному КМОП-процессу, микросхемы MRAM можно выпускать по стандартному техническому процессу, а кроме того, можно использовать материалы, применяемые в традиционных магнитных носителях, в частности в ферромагнитных пленках. В результате изготовление больших партий таких микросхем обойдется дешевле. Важным свойством MRAM-памяти является также возможность мгновенного включения, что особенно ценится в мобильных устройствах, так как значение ячейки в этом типе памяти определяется магнитным, а не электрическим зарядом, как в обычной флэш-памяти.

 

В разработке этого направления  активно участвуют такие компании, как Infineon Technologies и IBM (последняя начала исследования в этой области еще в 70-х годах прошлого столетия). Успешную работу в области создания устройств MRAM-памяти ведет и компания NEC, инженерам которой удалось добиться заметного повышения надежности работы чипов MRAM-памяти и уменьшения их размеров. Коммерческие разработки MRAM есть и у фирмы Honeywell International. Свои средства в развитие MRAM-технологии инвестировали также такие компании, как Toshiba и Freescale Semiconductor, поэтому есть все основания полагать, что и этот тип памяти появится на рынке в качестве серийной продукции.

 

Ovonic Unified Memory (OUM)

 

На ту же роль, что и MRAM, претендует новый тип энергонезависимой  памяти, которым уже несколько  лет занимается компания Intel. Над  подобной технологией работает также  компания Royal Philips Electronics. Речь идет о разработке твердотельной памяти на аморфных полупроводниках (Ovonic Unified Memory, OUM). В основу работы такой памяти положена технология фазового перехода, аналогичная принципу записи на перезаписываемые диски CD-RW или DVD-RW, при котором в электрическом поле фазовое состояние вещества изменяется из кристаллического в аморфное, причем изменение структуры сохраняется при отключении тока. Принципиальное отличие OUM-памяти от традиционной оптической записи заключается в том, что если в оптических носителях применяется нагрев лазером, то в OUM нагрев осуществляется непосредственно электрическим током. Процесс считывания, в свою очередь, основан на разнице отражающей способности вещества в разных состояниях, воспринимаемой датчиком дисковода. По аналогичному принципу действует и память Philips, в которой используется смесь иридия с сурьмой. В предложенной компанией технологии участок материала, выполняющий роль ячейки памяти, окружен слоем диоксида кремния, который, во-первых, обладает малой теплопроводностью, а во-вторых, позволяет предотвратить химические реакции на поверхностях соприкосновения и предоставляет таким образом дополнительную свободу в выборе вещества электродов. Изменение фазового состояния происходит очень быстро — так, в прототипах, изготовленных Philips, для этого требовалось примерно 30 нс. В компании полагают, что благодаря подобным функциональным характеристикам разработка вполне может рассматриваться в качестве альтернативы нынешней DRAM, а в дальнейшем претендовать на роль так называемой унифицированной памяти.

 

Как заявляют в Intel, в отличие от флэш-памяти, OUM теоретически обладает более высокой надежностью и  плотностью хранения данных, а также  повышенным быстродействием — до 100-200 нс. Отметим, что максимальное число  циклов записи/стирания в OUM-памяти превышает 10 трлн, что на несколько порядков больше, чем у флэш-памяти. Однако несмотря на то, что в Intel заявляют о работах над OUM-памятью уже в течение более пяти лет, промышленное производство таких чипов, по оценкам специалистов, начнется не раньше следующего десятилетия.

 

Впрочем, магниторезистивная память (MRAM) существенно опережает по быстродействию OUM-память: время доступа этих чипов  сегодня составляет не более 10-15 нс. Благодаря этому память типа MRAM может  применяться не только для длительного хранения данных, но и в качестве оперативной памяти, а OUM уготована второстепенная роль.

Chalcogenide RAM (CRAM) и Phase Change Memory (PRAM)

 

Другими перспективными типами энергонезависимой  памяти являются такие технологии, как Chalcogenide RAM (CRAM) и Phase Change Memory (PRAM), также основанные на принципе фазовых переходов, при котором в одной фазе вещество носителя является непроводящим аморфным (стеклоподобным) материалом, во второй — кристаллическим проводником. Запоминающие ячейки CRAM-памяти способны переходить из одной фазы в другую под воздействием нагрева и электрических полей. В отличие от динамической оперативной или флэш-памяти, CRAM-чипы устойчивы к воздействию ионизирующего излучения. Разумеется, вряд ли CRAM способна составить серьезную конкуренцию традиционным видам памяти по быстродействию и энергопотреблению (все-таки для перехода из одной фазы в другую приходится задействовать нагревательный элемент, потребляющий большой ток).

 

Данные технологии разрабатываются компаниями STMicroelectronics и Ovonyx. В отличие от предыдущего типа памяти, также базирующегося на технологии использования фазовых переходов, в описываемых разработках применяется нестандартный подход к кодированию записываемой информации — в виде разных фаз в микроскопических областях полимера халькогенида (chalcogenide). Разработчики уверены, что производство таких чипов возможно по стандартному КМОП-процессу с помощью технологии uTrench.

 

Утверждается, что ячейка такой  памяти способна выдержать до 10-11 млрд циклов перезаписи и обеспечивает хранение данных сроком до 10 лет.

 

Компания Intel купила у Ovonyx технологию PRAM и в первой половине текущего года начала отгрузки небольших партий работоспособных чипов такой  памяти, а массовое производство памяти нового поколения должно начаться до конца текущего года. Напомним, что в продвижении PRAM заинтересованы и такие крупные производители, как Fujitsu, Samsung, Renesas, Hitachi и др.

 

Intel намерена выпускать чипы PRAM с соблюдением 90-нм норм. Их  плотность составит 128 Мбит. Гарантируется, что новая память сможет выдерживать до 100 млн циклов чтения/записи и срок ее эксплуатации составит, как минимум, 10 лет.

 

Напомним, что осенью прошлого года компании Intel и STMicroelectronics представили 250-мм подложку с образцами PRAM-памяти плотностью 128 Мбит. Тогда Intel обещала начать отгрузку PRAM-чипов в ноябре 2006-го, но потом сроки поставок были перенесены. Скорее всего, и нынешние поставки достигнут необходимых объемов лишь к 2008 году, и только тогда мы увидим первые устройства со встроенной PRAM-памятью.

Information-Multilayered Imprinted CArd (Info-MICA)

 

Еще один тип принципиально новой  технологии энергонезависимой памяти создан инженерами японской корпорации NTT Group. Прототип носителя информации базируется на пластическом материале и размерами не превышает почтовую марку. Носитель, названный Info-MICA (Information-Multilayered Imprinted CArd), состоит из ста слоев пластика и обладает емкостью в 1 Гбайт, а при его работе используется технология тонкопленочной голографии. Запись информации происходит следующим образом: сначала создается двумерный образ, транслируемый в голограмму по технологии CGH (Computer Generated Hologram). Для считывания информации луч лазера фокусируется на край одного из записываемых слоев, выполняющих функции оптических волноводов. Свет распространяется вдоль оси, проходящей параллельно плоскости слоя, а на выходе формируется изображение, соответствующее записанной ранее информации. Применив алгоритм, обратный кодированию, можно в любой момент получить начальные данные.

 

 

 

 

По сравнению с полупроводниковой  памятью, Info-MICA обладает рядом преимуществ: высокой плотностью записи, малым  энергопотреблением, малой стоимостью носителя, защищенностью от несанкционированного копирования и экологической безопасностью. Однако пока эта технология не допускает перезаписи содержимого и может стать только альтернативой постоянной долговременной памяти, или заменить бумажные носители, или найти применение при распространении мультимедийного контента (музыки, видео и компьютерных игр) в качестве альтернативы CD/DVD-ROM.

 

Нанотехнологии и твердотельные накопители

 

Разработки в области нанотехнологий сегодня очень популярны в  различных сегментах ИТ-рынка, и  область запоминающих устройств  не является для них исключением.

 

Одной из первых подобных разработок в области энергонезависимой  памяти может похвастаться компания Motorola, которой принадлежит идея создания микросхемы памяти, основанной на использовании  кремниевых нанокристаллов — образований, напоминающих сферы диаметром порядка 50 ангстрем, размещенных между двумя оксидными слоями и способных сохранять определенный заряд, за счет чего и ведется запись информации. Кстати, подобное решение всерьез рассматривается многими экспертами как наиболее вероятная замена нынешних технологий. Одной из главных проблем, которую удалось преодолеть специалистам Motorola, было получение монодисперсных нанокристаллов оптимального размера. Прототипы массива нанокристаллов были изготовлены на 200-мм кремниевых заготовках с применением 90-нм технологического процесса (одним из несомненных достоинств данной технологии является возможность использования существующего оборудования). Этот наномассив показал, что скорость функционирования флэш-памяти может быть заметно увеличена, поскольку туннелирование зарядов в нанокристаллы происходит значительно быстрее, чем в стандартные ячейки флэш-памяти, а уменьшение габаритов всего массива хранения информации может самым положительным образом сказаться на скорости работы управляющей микросхемами логики.