Zastąpić flash - pamięć elektryczna zmiennofazowa (PCM)

Wśród nowych rodzajów pamięci mogących zastąpić w przyszłości, zdaniem niektórych ekspertów, wysłużone i nie mające już zbyt szerokich perspektyw NAND/flash, zgodnie wymienia się pamięć zmiennofazową (phase-change memory, znana także m.in. jako PRAM - Phase-change Random Access Memory, czy OUM - Ovonic Unified Memory).

Zalety

Podobnie jak flash, jest ona rodzajem pamięci nieulotnej (nie traci danych po odłączeniu zasilania), jednak dużo bardziej od niej wydajnym. Wartości dotyczące szybkości zapisu/odczytu bitów informacji szacuje się średnio na poziomie kilkadziesiąt razy niższym niż w przypadku NAND/flash. Pamięć może być tutaj przełączana szybciej, ale także nie istnieje konieczność wymazywania całego bloku komórek w przypadku zmiany pojedynczego bitu. Wysoka prędkość czyni pamięć PRAM szczególnie cenną w kontekście zastosowań w roli nieulotnych pamięci ograniczanych obecnie wysokimi czasami dostępu.

Inną zaletą jest jej trwałość. Komórki pamięci PCM mogą działać znacznie dłużej. Do czasu degradacji są w stanie wytrzymać około 100 milionów cykli (dla NAND wynik utrzymuje się na poziomie od 500 do 100 000 w zależności od typu pamięci).

Komórki pamięci PCM są bardziej stabilne od komórek flash, ich ładunek nie wycieka z upływem czasu. Szacuje się, iż podczas pracy w normalnej temperaturze (85 stopni C) komórki przechowają informację przez około 300 lat.

Ponieważ technologia Flash oparta jest na wykorzystaniu ładunków elektronów, układy tego typu są podatne na uszkodzenie danych w efekcie promieniowania kosmicznego. Badana pod tym kątem PCM wykazuje większą odporność, co czyni tę technologię bardziej odpowiednią do zastosowań kosmicznych czy wojskowych.

Budowa i działanie

Pamięć PCM oparta jest na nośniku krystalicznym (specyficzne zachowanie szkieł chalkogenkowych). W jej działaniu wykorzystano proces zmiany stanu nośnika (tzw. zmiana fazy), który w temperaturze pokojowej może istnieć w postaci amorficznej lub krystalicznej.

Zmiana stanu następuje w wyniku podgrzania nośnika przez wyemitowaną wiązkę elektronów. Odczyt przeprowadzany jest także w wyniku działania strumienia elektronów, w oparciu o pomiar rezystancji nośnika, która jest inna dla różnych jego faz.

Oba stany (amorficzny i krystaliczny) reprezentują logiczne 0 i 1 - amorficzny stan o wysokiej rezystancji odpowiada “0”, a krystaliczny stan o niskiej rezystancji reprezentuje “1”.

Niekwestionowaną zaletą PCM jest także możliwość zapisania więcej niż jednego bitu informacji w pojedynczej komórce pamięci, co wynika ze zdolności do osiągnięcia różnych stanów pośrednich, częściowo krystalicznych, częściowo amorficznych. Każdy z tych stanów ma inne właściwości rezystywne. Dzięki temu, pojedyncza komórka może reprezentować kilka bitów, zwielokrotniając w ten sposób gęstość zapisanej informacji.

Materiały

Właściwości szkieł chalkogenkowego znane są od końca lat sześćdziesiątych. Są materiałem wykorzystywanym w optycznych nośnikach wielokrotnego zapisu (CD-RW i DVD-RW). W przypadku płyt RW istotne są jednak nie właściwości rezystywne, ale optyczne tego materiału - współczynnik załamania światła chalkogenków zmienia się bowiem wraz ze zmianą jego stanu.

Stosunkowo niedawno podjęte próby zastosowania tego rodzaju materiałów (głównie stop germanu, antymonu i telluru) do produkcji pamięci, związane są z kurczącymi się możliwościami technologii pamięci flash i DRAM (trudności ze skalowaniem w miarę opracowywania coraz niższych procesów litograficznych).

Wady

Niestety pomimo niekwestionowanych zalet pamięć PCM ma także pewne ograniczenia. Bardzo trudne jest utrzymanie wartości komórek wstępnie zaprogramowanej pamięci - w momencie lutowania układów temperatura może spowodować utratę zawartość pamięci. Sytuacji nie poprawia wymóg lutowania bezołowiowego, którego technologia związana jest z jeszcze większą temperaturą podczas procesu montażu pamięci w obwodach urządzenia. Dlatego producenci urządzeń chcący wykorzystać ten rodzaj pamięci będą musieli opracować możliwość programowania pamięci już po wykonaniu montażu układu.

Innym mankamentem mogą być wysokie temperatury wymagane podczas procesu zapisu informacji, Temperatura może mieć wpływ na podwyższoną awaryjność obwodów, w których zostały zaimplementowane.

Nie bez znaczenia są także wciąż wysokie koszty produkcji tego rodzaju pamięci.

W momencie gdy pamięci NAND flash, a co za tym idzie także dyski SSD osiągają kres swoich możliwości, opracowanie nowych technologii przechowywania informacji z wykorzystaniem materiałów zmiennofazowych pozwoliłoby przezwyciężyć ograniczenia technologii flash i otworzyć nowe perspektywy. Jako przykład drzemiących możliwości, należy wyobrazić sobie smartfon lub laptop uruchamiający się w kilka sekund.

Pavel Kroupka