В музее истории компьютеров в Маунтин-Вью, в самом центре Кремниевой долины, среди множества экспонатов, имеющих отношение к теме этой статьи, есть подвешенные к потолку деревянные рамки, напоминающие рыболовные сети. Это первые образцы памяти на магнитных сердечниках, и магнитный диск, с диаметром блина более метра. Сегодня они удивляют наивностью своей конструкции, но ведь когда-нибудь с таким же снисхождением потомки наши будут смотреть на современные диски, и виной тому будут новые подходы к энергонезависимой памяти (Non-volatile memory).
Из истории флэш-памяти
Флэшки сегодня на пике популярности. Ими пользуются все, а в последние годы бурное развитие технологий флэш-памяти привело к неизбежному появлению так называемых твердотельных дисков (Solid State Disk, SSD). Такого рода диски уже устанавливаются в отдельные модели ноутбуков, и весьма перспективным представляется использование флэш-памяти в серьезных накопителях в качестве дисков нулевого уровня. Поскольку современность флэш–памяти хорошо известна, заслуживает упоминания их история. Ее появлением на свет человечество обязано Фуджио Масуока — японскому исследователю, ныне профессору университета города Сендай, расположенного на севере острова Хонсю. В начале 80-х годов Масуока работал на одном из предприятий Toshiba, разрабатывавшем память различные типы памяти; группа, возглавляемая им, вела исследования, связанные с памятью типа EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), обычно называемой ПЗУ. Позже Масуока признавался, что изобретение флэш-памяти для него было не главным делом, а скорее, побочным эффектом, поэтому, в 1981 году, подавая заявку на патент, предполагал, что сделанное им всего лишь EEPROM. Однако один из его коллег оказался более прозорлив. Он обнаружил отличие от обычной памяти EEPROM и предложил образное название — флэш, подразумевая под этим аналогию с фотовспышкой, так как изначально обнулить (засвечивать) можно было только блок памяти целиком, подачей общего импульса стирания.
Сейчас Toshiba является вторым после Samsung Electronics производителем этого типа памяти, но в начале 80-х компания довольно долго не проявляла к ней особого интереса. Реальным стимулом для начала серьезных разработок, связанных с флэш-памятью, стало сенсационное выступление Масуока на конференции в Сан-Хосе, в 1984 году. Оно стало поворотным моментом в истории флэш-памяти. После по пути, им предложенному, пошли и Intel, выпустившая свой вариант флэш-памяти четыре года спустя, а позже и другие производители. Нынешний объем рынка флэш-памяти оценивается цифрой 25 млрд долл., но сам автор идеи получил не слишком много. Чтобы получить отчисления от Toshiba, Масуоке пришлось пройти через длительное судебное разбирательство, изобретатель требовал выплаты ему 70 млн долл., однако получил существенно меньше, и урегулировать конфликт удалось на сумме всего 745 тыс. долларов.
Несмотря на нынешний невероятный успех флэш-памяти, и сам Масуока, и другие аналитики признают технологическую и историческую ограниченность этой технологии, впрочем, как и любой иной. Поэтом уже сейчас целый ряд компаний и исследовательских центров разрабатывают альтернативные решения, обладающие более высокими показателями быстродействия и надежности, способностью к долговременному хранению данных.
Многоножка millipede
Название millipede переводится как «многоножка» — животное, относящееся к классу членистоногих, оно же использовано для прототипа «нанопамяти» (nanostorage), разрабатываемый в корпорации IBM. У этой памяти колоссальный потенциал, теоретически она позволяет хранить до триллиона битов на квадратном дюйме, то есть плотность записи в 20 раз больше, чем у любого известного магнитного носителя. Один чип millipede будет способен хранить до 10 гигабайт на подложке размером с почтовую марку.
Но, как ни странно, авангардистский принцип записи напоминает те самые перфокарты Германа Холлерита, с которых начался история IBM. Отличие состоит в том, что в данном случае «дырки» поменьше, их размер примерно 10 нанометров, пробиваются они не в бумаге, а в пластиковой пленке, и не механической высечкой, а путем нагрева. Но самое существенное отличие заключается в возможности восстанавливать «пробитые» места, следовательно, есть возможность стирания и повторной записи. На площади одной высечки в карте можно записать примерно 1,5 Гбайт данных. За сходство с перфоносителями millipede называют нанотехнологической перфокартой.
Если сравнивать с другими проектами неразрушаемой памяти, то оригинальность millipede — в наличии в ней перемещающихся механических узлов, выполненных методами нанотехнологий. Эти узлы заменяют собой обязательную для других устройств матрицу, которая может быть построена на самых различных физических принципах и служит для работы с отдельным элементом, хранящим обычно один бит (или несколько битов, если память многоуровневая). В каком-то смысле проект millipede представляет собой развитие идеи дисков или даже, скорее, магнитных барабанов: в нем есть пассивная подложка, хранящая данные, и перемещающаяся над ней считывающая головка. Головка имеет большое количество рабочих иголок, осуществляющих считывание и запись, поэтому прибор и назвали многоножкой. Если сравнивать millipede с DRAM, то ее преимущество в высокой плотности и в том, что используется пассивный носитель, в DRAM для запоминания используются заряды конденсаторов. Если же сравнивать millipede с дисками, то ее преимущество станет понятнее. Врожденный порок — это слабость дисков, хотя они допускают высокую плотность записи, даже выше, чем DRAM, но количество головок ограничено, следовательно, производительность ограничена механическими возможностями (скорость вращения диска и перемещения головок). В каком-то смысле millipede вбирает в себя лучшее из всех миров, здесь используется пассивный носитель, обеспечивается высокая плотность, как на дисках, и есть возможность для выполнения параллельных операций, как в DRAM.
Процесс чтения и записи чрезвычайно напоминает работу с перфокартой. Просечка осуществляется с ограниченным нагревом, в пленке образуется крошечное отверстие, но затянуться оно не успевает, поэтому при считывании в этом месте будет низкое сопротивление; если же отверстия нет, то, поскольку пленка диэлектрик, сопротивление высокое, по сопротивлению различают запись 0 или 1. Плюс к тому имеется обратная операция «заклеивания», если кто-то еще помнит работу с перфокартами, то иногда это делали руками с помощью высеченных фрагментов и мягкого карандаша. В данном случае при нагреве до более высокой температуры отверстие естественным образом заполняется из-за эффекта поверхностного натяжения жидкости.
Впервые Millipede был продемонстрирован на выставке, в представленном чипе головка имела 1024 рабочие иглы, расположенные в виде матрицы 32x32. Очевидно, что самая сложная часть в этом устройстве — механика, она представляет собой микромашину, изготовленную полностью из кремния. Впрочем, устройство микроэлектромеханических систем (Microelectromechanical system, MEMS) — тема для отдельного разговора.
Наследники магнитной памяти
Память компьютеров второго и отчасти третьего поколения строилась из «кубов» МОЗУ — магнитных оперативных запоминающих устройств, собранных из микроскопических ферритовых сердечников. Это и в самом деле были кубики с ребром 15-20 сантиметров. С появление в конце семидесятых годов полупроводниковой памяти, казалось, МОЗУ осталось в прошлом, но это не совсем так. В современных наследниках этого типа памяти сердечники заменены магнитными диполями, создаваемых методами литографии, теми же методами наносятся проводники.
Одним из них является ферроэлектрическая память (Ferroelectric RAM, FeRAM), монополия на ее разработку принадлежит компании Ramtron International, а лицензии на ее производство приобрели Freescale Semiconductor (прежде полупроводниковое подразделение Motorola) и Fujitsu. Их продукция используется во встроенных системах управления, прежде всего в автомобильных компьютерах. Хотя в FeRAM используются магнитные свойства материалов, но этот тип памяти можно назвать одновременно и преемником DRAM, и вот почему. Ячейку памяти DRAM называют 1T-1C, подразумевая под этим то, что для сохранения состояния 0 или 1 используется один конденсатор, он может быть заряжен или разряжен, а для управления им — один транзистор. Слабость DRAM отражена в ее названии — она динамическая, следовательно, сохранение содержания требует постоянной подзарядки конденсаторов. Поэтому DRAM постоянно потребляет энергию, а при отключении теряется содержимое. Память FeRAM построена почти по тому же принципу 1T-1C, но ячейка дополнена магнитным элементом диполем, он используется в качестве диэлектрика между пластинами конденсатора. Поэтому сохранение состояния обеспечивается не зарядом, а ориентацией магнита, она сохраняется благодаря характеристике, описываемой петлей гистерезиса. В зависимости от полярности подаваемого напряжения записывается состояние 0 или 1.
Название еще одной памяти на магнитном принципе записи — магниторезистивная оперативная память (Magnetoresistive RAM, MRAM) — хорошо отражает смысл этой конструкции. Здесь магнитная ячейка меняет свое электрическое сопротивление, то есть является резистором с изменяемым состоянием. В MRAM два ферромагнитных слоя разделены тонкой изолирующей прослойкой, один из двух слоев — постоянный, намагниченный в определенном направлении, запись осуществляется изменением намагниченности второго слоя. Объединенные в сетку ячейки содержат элемент памяти и транзистор. Электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от взаимной ориентации намагниченностей в слоях. Например, одинаковая ориентация, когда сопротивление низкое, может соответствовать 0, а при противоположном направлении намагниченности, то есть при более высоком сопротивлении — 1. Для записи существует несколько способов. Самый давний основывается на том, что ток, протекающий по пересекающимся над диполем проводникам, индуцирует магнитное поле, это очень напоминает работу памяти на магнитных сердечниках. В известных типах MRAM сила тока должна быть достаточно большой, поэтому разрабатываются альтернативные решения. Среди них метод переключения, использующий многошаговую запись в многослойную ячейку. Новейший метод реализации MRAM — «передача спинового вращательного момента» (Spin Torque Transfer, STT); его развивают IBM совместно с японской компании TDK.
Новички энергонезависимой памяти
Помимо перечисленных выше типов памяти, существует еще как минимум три заслуживающих упоминания совершенно новых типа энергонезависимой памяти. Резистивная память (Resistive Random Access Memory, RRAM) разрабатывается совместно большой группой компаний, среди них Sharp, Samsung и Fujitsu. Ее логика наиболее проста: запоминающая ячейка состоит из фрагмента материала, который может быть диэлектриком или проводником в зависимости от поданного на него напряжения. Нанопамятью (Nano-RAM) занимается единственная компания Nantero. Здесь запоминание 0 или 1 осуществляется посредством ориентации нескольких нанотрубок под поверхностью электродов. Еще в одной разновидности памяти, SONOS (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon), компания Cypress Semiconductor развивает идеи флэш-памяти.
PCM и Голливуд
Однако на данный момент самые большие надежды связывают не с перечисленными выше типами памяти, а с памятью PCM — памятью, построенной на материалах с изменяющимся фазовым состоянием (Phase Change Memory), такие полупроводники могут переходить из кристаллического состояния в аморфное и обратно. Описывая эту память, нельзя не представить ее изобретателя, как и в случае с флэш-памятью. Ее появлением мы обязаны одному человеку. Биография Стэнфорда Овшинского, чьи труды привели к появлению технологии PCM, история его успеха — сюжет для типичного американского фильма. Сын нищих еврейских иммигрантов из польской части Литвы не смог в свое время получить ни регулярного школьного, ни тем более высшего образования и на всю жизнь остался самоучкой. Помимо бедности на такой поворот событий повлияла история. Он родился в 1923 году, его школьные годы пришлись на период Великой депрессии, было не до учебы. В начале пути Стэнфорд, а по-польски Станислав, был токарем, затем стал инженером-механиком, но свое первое изобретение он сделал раньше. Во время Второй мировой войны Овшинский предложил актуальное в той ситуации усовершенствование к токарному станку, позволявшее точить два снаряда одновременно. Позже, в 50-е годы, его интересы изменились, он увлекся химией и электротехникой, стал одним из самых известных инженеров и изобретателей США. Показателен список из 250 принадлежащих ему патентов, среди которых тонкопленочные солнечные батареи, экологически чистые никельметаллгидридные аккумуляторы, а также батареи на так называемом твердом водородном топливе. Этого оказалось достаточно, чтобы стать знаменитым, и его не слишком фотогеничное лицо украсило собой обложки буквально всех ведущих газет и журналов. Что же касается систем хранения данных, то для них наибольшее значение имеют работы Овшинского с халькогенидами. Именно эти соединения позволяют создать компьютерную память на основе материалов с изменяемыми фазовыми состояниями, известную под аббревиатурами PCM, PRAM или PCRAM. Полупроводник халькогенид является сплавом серы, селена и теллура, он обладает способностью изменять свою физическую структуру (то есть расположение атомов) и переходить при нагревании из кристаллического состояния в аморфное и обратно. Для создания PRAM могут быть использованы и такие материалы, как сурьмид германия GeSb, называемый также халькогенидным стеклом. С точки зрения памяти критически важно то, что в этих двух фазовых состояниях вещество имеет разную электропроводность, это дает возможность записать и считать 0 или 1. Нечто подобное происходит в перезаписываемых дисках CD-RW и DVD-RW, там лучом лазера нагревается поверхность внутреннего слоя диска, происходит переупорядочение структуры атомов, что изменяет коэффициент отражения, его значение можно зарегистрировать, таким способом осуществляется запись и чтение. В PCM происходит то же самое, но нагрев выполняется электрическим зарядом, прикладываемым к нужной точке всего на несколько наносекунд, потом при снятии заряда температура резко падает и атомы застывают, не успевая вернуться в кристаллическое состояние. Допустим, сопротивление в точке будет высоким, так записывают, положим, 0. При записи 1 ту же самую точку нагревают менее интенсивно, но дольше, этой процедуры достаточно для перевода в кристаллическое состояние, отличающееся пониженным сопротивлением. Считывание данных в такой схеме можно считать несложной задачей. Процедура похожа на millipede, но лишена подвижных частей.
Однако на серьезные разработки уходят годы, а иногда десятилетия. Работы, связанные с халькенидами, Овшинский начал в 1960 году, когда создал собственную компанию Energy Conversion Laboratories, позже переименованную в Energy Conversion Devices (ECD). Успех компании был феноменален, исследовательскую лабораторию, созданную человеком без образования, посещали серьезные ученые, — среди них нобелевские лауреаты Уильям Шотки, Исаак Рабби, Невилл Мотт. Она стала одним из ведущих научных центров разработки полупроводниковых материалов. Однако до создания работающей PCM было далеко, а параллельно Овшинскому удалось изобрести столько, что он был признан национальным гением. Его имя ставят в один ряд с Томасом Эдисоном.
В 1966 году Овшинский получил первый патент на материал с изменяющимся фазовым состоянием, а в 1969-м — патент на компьютерную память, построенную на этом материале, о чем Гордон Мур, известный всем своим законом, написал статью в популярном тогда журнале Electronics Magazine. И только 30 лет спустя это изобретение удалось коммерциализовать, под него в 1999 году была создана компания Ovonyx. Последующие события развивались с калейдоскопической быстротой. В 2000 году корпорация Intel инвестировала в Ovonyx и лицензировала технологию, в том же году лицензию приобрел европейский производитель полупроводниковых приборов ST Microelectronics. За последующие пять лет по этому пути прошли практически все крупнейшие полупроводниковые вендоры, за редким исключением. Наибольших практических успехов удалось достичь Samsung и Intel в сотрудничестве с STMicroelectronics.
PCM, флэш-память и радужные перспективы
Для того чтобы понять перспективность PCM, стоит оценить то, на смену чему эта память предполагается. Что же такое твердотельные диски на флэш-памяти? По быстродействию они занимают промежуточное положение между дисками и DRAM, доступ к DRAM занимает от 10 до 50 µs, к Flash SSD — от 35 до 100 µs, а к вращающемуся диску — от 5000 до 10000 µs. Но это быстродействие имеет физический предел, связанный со временем заряда и разряда конденсаторов, причем запись занимает на порядок больше времени, чем чтение. По быстродействию память PAM должна примерно в 500 раз превосходить флэш-память, затрачивая вдвое меньше энергии в пересчете на единицу хранения.
В отличие от DRAM, флэш-память имеет ограниченный срок жизни. Каждое прохождение тока через ячейку вызывает деградацию флэш-памяти, без дополнительных ухищрений она может выдерживать от 10 тыс. до 100 тыс. записей в сектор. Поэтому производители применяют специальные методы пролонгации (wear levelling — «сбалансированное старение»), основанные на равномерном распределении записей по секторам, что увеличивает срок жизни устройства еще на порядок. Материал PCM тоже подвержен деградации, однако даже без специальных технологий он выдерживает до 100 млн записей.
Чем же грозит распространение PCM? Поскольку она перекрывает диапазон быстродействия от DRAM до дисков и при этом энергонезависима и не должна быть очень дорогой при массовом производстве, есть версия, что вместе с ней закончится период многоуровневых систем хранения. К какому перевороту это приведет — нетрудно догадаться. А в компьютерах появление сохраняющей свое состояние памяти позволит отказаться от каких-либо загрузочных процедур. Широкое распространение подобных устройств может серьезно повлиять на пути развития как систем хранения данных, так и компьютеров. Захватывающая картина, не правда ли?
