Kierunki rozwoju pamięci - co zamiast DRAM i Flash

Działy badawcze zajmujące się technologiami gromadzenia i przetwarzania danych pracują nad rozwiązaniami mającymi zastąpić rozwijane w coraz wolniejszym tempie pamięci typu DRAM i flash. Jest to szczególnie istotne w kontekście przewidywanego rozwoju nowych sektorów, w tym m.in. Internetu Rzeczy, Sztucznej Inteligencji, uczenia maszynowego, czy urządzeń typu wearable. Wzrastające wymagania w zakresie przetwarzania danych (coraz więcej zadań będzie znajdować się w gestii układów pamięci) generować będą impulsy zmuszajace do poszukiwań nowych technologii pamięci operacyjnych, ale także magazynujących informacje. W grę zaczynają wchodzić rozwiązania do tej pory eksperymentalne, albo stosowane na niewielką skalę w przypadku szczególnych implementacji systemowych.

Wśród rozwijanych technologii wymienia się w tym kontekście rozwiązania w rodzaju pamięci typu MRAM, ReRAM, FRAM i PCRAM.

MRAM

MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) jest technologią wykorzystującą zjawiska magnetyczne (magnetooporowe) oparte na tunelowym efekcie magnetorezystancyjnym. Dzięki swoim walorom MRAM ma wszelkie podstawy aby stać się pamięcią uniwersalną, zastąpić DRAM, a także występować w rolach pełnionych obecnie przez Flash czy EPROM.

Pamięci tego rodzaju już znalazły zastosowanie m.in. w roli nieulotnej pamięci cache kontrolerów RAID oraz dysków SSD. Rozwijająca technologię marka Everspin implementuje ten rodzaj pamięci w obwodach różnych układów, w tym aplikacjach motoryzacyjnych. Pomimo zainteresowania rozwojem MRAM przez IBM i Samsunga, pamięć tego rodzaju nadal pozostaje jednak rozwiązaniem wybitnie profilowanym, choć szacunki i prognozy przewidują znaczący wzrost zastosowań w niezbyt odległej przyszłości.

FRAM

FRAM (Ferroelectric RAM) jest pamięcią wykorzystującą w swej budowie kryształ ferroelektryczny o strukturze perowskitu. Jest rodzajem pamięci nieulotnej, a w swej funkcjonalności może przypominać Flash. Z tego powodu jest już stosowana do przechowywania np. ustawień BIOS.

FRAM ma duże możliwości rozwoju w kontekście zwiększania gęstości zapisu, a ze względu na niskie zużycie energii, wykorzystania w systemach niskoenergetycznych. Niewielkie zużycie energii i odporność na promieniowanie sprawiają, że FRAM sprawdza się jako zamiennik pamięci typu EEPROM i NOR Flash. Wśród innych atrybutów FRAM należy wymienić wysoką prędkość zapisu oraz dużą trwałość w znaczeniu liczby cykli zapisywanych bitów danych.

Na rynku można znaleźć kilku dostawców tego rodzaju pamięci, wśród nich Ramtron International Corporation, specjalizujący się w produktach wykonanych w tej technologii, Toshiba, a także Cypress-Infineon oferujący układy Excelon FRAM przeznaczone do zastosowań przemysłowych, motoryzacyjnych (rejestratory danych w pojazdach), medycznych (urządzenia wszczepiane) oraz IoT.

ReRAM

ReRAM jest pamięcią rezystywną, której istota działania polega na zmianie rezystancji w materiale dielektrycznego półprzewodnika nazywanym memrystorem. Memrystor posiada zdolność pamiętania rezystancji, której poziomy wyznaczają dwa stany logiczne (0/1) komórki pamięci.

ReRAM charakteryzuje się niższym zużyciem energii i niższymi poziomami napięcia sterującego w porównaniu z technologią Flash. Ich zaletą jest możliwość wykorzystania materiałów i standardowych procesów produkcyjnych, które można integrować w istniejących produktach.

Nad pamięciami rezystywnymi w obrębie których znajduje się kilka zróżnicowanych rozwiązań technologicznych pracuje wiele ośrodków badawczych. Adesto Technologies była pierwszą marką wprowadzającą na rynek produkty tego rodzaju. Pamięci tego typu mają w swojej ofercie także Panasonic i Fujitsu, a nad zastosowaniami komercyjnymi pracują HP wspólnie z Hynix Semiconductor of Korea.

PCRAM

PCRAM (Phase-Change Random Access Memory) czyli pamięć zmiennofazowa. Działanie pamięci oparte jest na nośniku krystalicznym, a konkretnie szczególnym zachowaniu szkieł chalkogenkowych. Wykorzystano tu proces zmiany stanu nośnika (zmiana fazy), który może istnieć w postaci amorficznej lub krystalicznej. Przejście pomiędzy stanami następuje w wyniku wzrostu temperatury nośnika. Zarówno zapis, jak i odczyt komórki pamięci odbywa się w wyniku działania strumienia elektronów, w oparciu o pomiar rezystancji, która jest różna dla obu możliwych stanów (ponieważ działanie pamięci oparte jest na efekcie zmiany wartości rezystancji pamięć zaliczana jest do technologii rezystywnych).

Niestety żadna z wymienionych rodzajów pamięci nie osiągnęła jeszcze odpowiedniego poziomu produkcji głównie ze względu na niezbyt konkurencyjnie wyglądające kosztorysy w stosunku do tradycyjnie wykorzystywanych technologii. Wyjątkiem może być jedynie pamięć zmiennofazowa PCRAM produkowana pod marką Optane (3D XPoint) i będąca efektem wspólnych prac badawczych i wdrożeniowych Intel oraz Micron Technology. PCRAM okazała się być nie tylko opłacalna w produkcji. Jej uprzywilejowana pozycja związana jest także z szerokimi możliwościami wykorzystanie układów do oferowanych przez Intel produktów (moduły DIMM, SSD), z czego zresztą marka skrupulatnie korzysta wyzyskując swą uprzywilejowaną pozycję na rynku.

Na razie jednak technologiczna reformacja nie rozpoczęła swego natarcia. Nowe pamięci implementowane są ostrożnie. Strategia przyjęta przez Intel może być tu inspiracją - znalezienie odpowiednio opłacalnych zastosowań jest znacznie istotniejsze niż próby siłowego wdrażania technologii. Tymczasem pamięci DRAM i Flash ciągle dzielnie się trzymają.

Pavel Kroupka