Твердотельные накопители, развитие в новых технологиях

 

 

Ученые из Института технологий компании Samsung (Samsung Advanced Institute of Technology) совместно со специалистами из Национального  университета Чонбук разработали собственный  базовый метод для создания энергонезависимой  памяти из нанотрубок. На их основе ученые создали транзистор, поверх которого расположен слой нитрида кремния, помещенный между двумя слоями оксида кремния. Такая многослойная структура способна удерживать электрический заряд, а транзистор нужен в качестве стока/истока. При вертикальном размещении, как отмечают специалисты, благодаря таким «носителям» информации можно создавать память с плотностью 200 Гбит/дюйм, что примерно в 200 раз выше плотности чипов, используемых сегодня. Такая память способна хранить данные в течение 10-15 лет.

 

И наконец, самой многообещающей разработкой  устройств хранения на основе нанотехнологий считается энергонезависимая память NRAM (Nanotube-based/Nonvolatile RAM), которую предложили инженеры компании Nantero. Идея состоит  в использовании углеродных нанотрубок с толщиной стенок в один атомный слой и диаметром порядка 20 нм, которые на двух кремниевых подложках заключены в массив таким образом, что образуют группу взаимно пересекающихся под прямым углом элементов. В исходном состоянии, соответствующем логическому нулю, нанотрубки не соприкасаются между собой и расстояние между ними составляет несколько нанометров. Однако приложенная к ним разность потенциалов приводит к их соприкосновению, и находятся они в таком положении до тех пор, пока к ним не подадут противоположное напряжение. За счет того что в двух противоположных состояниях эти элементы имеют различное электрическое сопротивление, возможно создание интерпретатора двоичной системы счисления. Причем, по словам специалистов Nantero, с целью достижения избыточности и предотвращения утери данных в одном бите участвует значительное количество таких пар.

 

О перспективах технологии Nantero говорят  такие данные: плотность записи информации в устройствах NRAM может достигать 5 млрд бит на квадратный сантиметр (что в несколько десятков раз больше, чем в нынешних высокоемких микросхемах памяти), а частота обмена данными может составлять 2 ГГц.

 

Единственной проблемой на пути к широкому коммерческому внедрению  этой технологии остается, как и во всех других областях применения нанотехнологий, необходимость получения качественного исходного материала, в котором точно и равномерно размещены нанотрубки на кремниевых подложках. Компания Nantero предлагает располагать на подложках кремния тонкий слой нанотрубок в произвольном направлении, затем методом литографии удалять те из них, что расположены «не по шаблону». Данный метод практически реализуем, однако трудновыполним, а потому довольно дорог. Например, понадобится использование электронного микроскопа, который, считывая информацию о вновь нанесенном слое нанотрубок, сможет создавать шаблон вытравливаемых элементов. И каждый раз шаблон придется делать заново, иначе на подложках, помимо рабочих элементов, окажется много «мусора», образованного остатками удаленных нанотрубок. Остается надеяться, что с развитием других областей применения нанотрубок этот процесс удастся оптимизировать и значительно удешевить.

 

Тем не менее достигнутые результаты разработчиков NRAM-памяти впечатляют: созданный  ими массив позволяет хранить до 10 Гбайт информации. При этом утверждается, что их методика может применяться и для получения массивов большего размера, поскольку определяющим фактором здесь являются возможности литографического оборудования. Специалисты подчеркивают, что данная методика в значительной мере совместима с нынешними технологиями полупроводникового производства и с небольшими затратами может быть внедрена на существующих заводах.

 

Solid State Drives (SSD)

 

Компания Microsoft уже сертифицировала  на совместимость с Windows Vista и Windows XP 1,8- и 2,5-дюймовые UltraATA- и SATA-накопители на базе твердотельной памяти (Solid State Drives, SSD) от целого ряда производителей. Например, в лаборатории Microsoft Windows Hardware Qualification Lab (WHQL) получили сертификаты твердотельные диски компаний Samsung, SanDisk, Adtron, A-DATA, SimpleTech и др. Теперь подобные устройства придут на смену традиционным дисковым накопителям во многих моделях ноутбуков, предназначенных, в частности, для работы с новой операционной системой Windows Vista. Кроме того, как утверждают производители, их твердотельные накопители демонстрируют высокие результаты в тестах Windows Experience Index и могут эффективно использоваться в различных приложениях Windows Vista. Итак, перспективы SSD-дисков очевидны. После недавнего выхода ОС Vista, в которой активно применяется система ReadyBoost/Superfetch, суть которой сводится к расширению системной памяти посредством использования внешних накопителей, желание пользователей приобрести SSD-накопитель не только для ноутбука, но и для настольного компьютера будет только возрастать. Конечно, малый объем таких накопителей и довольно высокая цена пока отпугивают потенциальных покупателей, но снижение стоимости SSD-дисков — дело времени.

 

Тем более что такой привод отличается устойчивостью к ударам (по оценкам некоторых производителей, их SSD-диски выдерживают нагрузку более 1000 g). Что касается традиционных винчестеров, то даже лучшие образцы, специально подготовленные для использования в мобильных устройствах, могут выдерживать не больше 500 g, да и то лишь в нерабочем состоянии.

 

У SSD-накопителей есть и другие преимущества, например расширенный диапазон рабочих  температур. Для большинства жестких  дисков рабочая температура находится  в диапазоне от 0 до 50 °C, а при работе, в результате трения механических частей, происходит значительное выделение тепла. В SSD-дисках движущихся частей нет, поэтому привод не так сильно нагревается, да и вибрация отсутствует. Рабочий диапазон температур у нынешних SSD-накопителей составляет от –25 до 85 °C, что также весьма полезно для многих сфер применения.

 

Кроме того, корпорация Intel объявила о  своем решении выступить на рынке  твердотельных дисков. Ее первенцем  стал накопитель Z-U130, изготовленный  на базе флэш-памяти типа NAND с интерфейсом USB 2.0/1.1. Компания не отрицает, что новое направление в развитии технологий хранения информации привлекло ее внимание из-за очевидных преимуществ SSD над традиционными жесткими дисками: более высокая скорость чтения, меньшее время поиска, отсутствие шума при работе, меньшее энергопотребление, незначительное тепловыделение, а также малые габариты и вес. Кроме того, SSD-устройства не нуждаются в механических комплектующих, что повышает надежность дисковой подсистемы и безопасность хранения данных. В то же время SSD-накопители пока еще уступают традиционным жестким дискам по некоторым другим важным параметрам, таким как время записи, максимальное количество циклов перезаписи, доступный объем и стоимость.

 

В прошлом году компания Intel представила четыре варианта SSD-дисков Z-U130 различной емкости: 1, 2, 4 и 8 Гбайт. Сразу же возникает вопрос к Intel о небольшой емкости ее SSD-дисков. Даже топовая модель объемом 8 Гбайт не идет ни в какое сравнение, например, со 160-гигабайтными SSD-дисками от компании Adtron или 128-гигабайтным накопителем от A-DATA. Тем не менее тактика Intel предполагает пропаганду SSD среди обычных пользователей и опирается на нынешнюю стоимость флэш-памяти. Компания разделяет мнение о том, что твердотельные устройства на современном этапе своего развития больше подходят для систем с интенсивным обменом данных относительно небольших объемов. Этими данными могут быть как различные приложения или общие библиотеки, так и сама операционная система.

 

Весьма перспективным выглядит применение SSD в различных портативных электронных устройствах, игровых консолях, ноутбуках и полнофункциональных специализированных ПК. Более того, особые надежды возлагаются на серверы и различные встраиваемые системы для банкоматов или торговых центров. Рост объемов серийного производства SSD-устройств вызовет сокращение издержек и дальнейшее падение стоимости, так что с течением времени цена SSD-дисков должна оказаться ниже, чем цена HDD формфактора 1,8 дюйма, а в самом ближайшем будущем SSD-накопители перейдут в наступление и на 2,5-дюймовые жесткие диски. Компания Intel надеется на то, что уже к 2009 году стоимость 8-гигабайтной твердотельной модели станет меньше, чем стоимость любого сравнимого винчестера формата 1,8 или 2,5 дюйма.

 

Производители винчестеров осознают угрозу со стороны SSD-накопителей и предпринимают ответные шаги. Скажем, появились так называемые гибридные жесткие диски, которые совмещают в себе и традиционные магнитные блины, и флэш-память. Конечно, по существу они представляют собой самые обыкновенные жесткие диски, но с огромным кэшем, который дает гибридному винчестеру серьезные преимущества. Во-первых, при использовании кэширования во флэш-память у накопителя резко понижается энергопотребление (чуть ли не вполовину), ускоряется загрузка операционной системы и популярных приложений, продлевается срок службы и т.д. Преимущества новой технологии можно почувствовать при работе с Windows Vista, которая оптимизирована на работу с гибридными дисками. Распоряжается флэш-памятью эта операционная система довольно просто: там хранятся наиболее часто используемые данные, а также копируется информация, необходимая для загрузки системы или выхода из «спящего» режима, что, собственно, и позволяет добиваться всех вышеуказанных преимуществ. Подобный жесткий диск уже давно выпустила компания Seagate — модель Momentus 5400 PSD емкостью 160 Гбайт со 128 или 256 Мбайт NAND-флэша. Кстати, популярности гибридных дисков способствует тот факт, что сборщику компьютеров для получения заветного логотипа Microsoft — Vista Premium Ready — потребуется, помимо соблюдения внушительного списка других обязательных условий, наличие гибридного накопителя, содержащего как минимум 50 Мбайт флэш-памяти. Очевидно, что твердотельным жестким дискам первое время будет чаще отводиться роль внешнего кэша для обычного винчестера, чем самостоятельного накопителя, потому-то компания Intel и не спешит с увеличением объема своих SSD-накопителей.

 

Перспективы традиционных HDD-накопителей

 

В ответ на тотальное наступление твердотельных технологий разработчики жестких дисков предпринимают ответные шаги, показывая, что технологию магнитной записи еще рано сбрасывать со счетов. Например, ученым Университета Рэдбауда в голландском городе Неймеген (Radboud University Nijmegen) удалось разработать жесткий диск, в котором запись на пластину осуществляется не магнитной головкой, а лазером. По результатам тестов устройство продемонстрировало стократное превосходство в скорости работы по сравнению с традиционными накопителями на жестких магнитных дисках.

 

Фотоны, выпущенные пульсирующим лазерным лучом, попадают на элементарные участки  магнитной пластины — домены, придавая расположенным в них зарядам  механический момент и изменяя полярность. Ключевой момент заключается в изменении  полярности самого лазерного луча для того, чтобы он мог формировать на поверхности диска как единицу, так и ноль бинарного кода.

 

В результате эксперимента ученым удалось  записать данные на диск в интервалах около 40 фемтосекунд (40 квадриллионных долей секунды), что, по словам разработчиков, в сто раз превышает скорость передачи данных при помощи традиционного магнитного метода. Основным недостатком технологии является слишком крупное пятно лазера на поверхности пластины. Его ширина составляет 5 мкм, что значительно больше, чем в современных носителях (для примера: не так давно компания Fujitsu уменьшила размер элементарной намагниченной области до 25 нм). Тем не менее работа над улучшением технологии продолжается и размер лазерного пятна планируется уменьшить до 10 нм.

 

До настоящего момента все разработчики подобных методов сталкивались с  одной и той же проблемой —  магнитные пластины изготавливались  на базе неподходящего для данных целей сплава металлов. Однако пластина, созданная учеными Университета Рэдбауда из сплава гадолиния, железа и кобальта, наконец-то устраняет это препятствие.

 

Тем не менее внедрению технологии в массы мешает еще целый ряд  преград, и главная из них —  это высокая стоимость полученного  накопителя.

 

Вывод

 

Итак, лед тронулся! Эволюционное развитие наиболее консервативной части персонального компьютера приобретает характер революционного. Вначале старый добрый винчестер обзавелся флэш-памятью, а со временем и окончательно лишится магнитных пластин. Возможно, лет эдак через десять молодое поколение пользователей ПК будет вспоминать о HDD так же, как мы сегодня вспоминаем о 5-дюймовых дисководах.