Теги → reram
Быстрый переход

Microsemi готовится создавать решения с памятью ReRAM

Резистивная энергонезависимая память ReRAM понемногу прокладывает себе дорогу в мир. Пока использование ReRAM в продуктах носит опытный характер, но через год или два всё может измениться в сторону более широкого использования этого нового типа энергонезависимой памяти в электронике и компьютерной технике.

Так, изобретатель одной из перспективных версий ReRAM компания Crossbar сообщила, что между ней и крупным американским разработчиком электронных компонентов компанией Microsemi подписан лицензионный договор на передачу необходимой для выпуска продукции интеллектуальной собственности. Также партнёры будут совместно разрабатывать продукцию со встроенной памятью ReRAM класса 10 нм (в диапазоне от 19 до 10 нм), которая пополнит ассортимент Microsemi, а он также включает чипы военного назначения и решения для аэрокосмической отрасли.

Сфера интереса Microsemi (Microsemi)

Сфера интереса Microsemi (Microsemi)

К сожалению, Crossbar не прояснила, кто будет выпускать 10-нм электронику Microsemi со встроенной памятью ReRAM. Производство в Китае для этого явно не подходит, ведь Microsemi завязана на оборонный сектор США. Хотя в Китае у Crossbar есть официальный производственный партнёр в лице крупнейшего местного контрактного производителя полупроводников компании SMIC. В то же время SMIC освоила производство встраиваемой ReRAM с нормами 40 нм, а Crossbar и Microsemi надо идти дальше. Остаётся GlobalFoundries с бывшими заводами IBM? Будет интересно узнать.

Переход со встраиваемой памяти NAND на ReRAM обещает снижение задержек при чтении (до 10 нс) и записи (до 10 мкс). Устойчивость ячеек к износу увеличится с нескольких десятков тысяч до миллиона. При этом ячейка ReRAM не требует предварительной операции по очистке, а массив ячеек не нужно подвергать операциям выравнивания. Такая память работает быстрее и лучше всего подходит для концепции «памяти в процессоре», когда архитектура чипа строится по подобию мозга человека, где нет отдельно памяти и процессора.

ReRAM - это просто и изящно ()

ReRAM — это просто и изящно (Crossbar)

Кстати, 23 мая на конференции Embedded Vision Summit компания Crossbar покажет решение для ИИ со встроенной памятью ReRAM. Мы надеемся позже подробнее рассказать о разработке, а пока уточним, что некий специализированный процессор с памятью ReRAM, в которую загружается модель нейронной сети FaceNet, способен автономно и от батарейного питания вести распознавание лиц или объектов с возможностью обновления списка объектов распознавания. Память ReRAM в данном случае является той памятью в процессоре, которая позволяет реализовать компактную автономную платформу, в чём окажутся слабы NAND, 3D XPoint и обычная DRAM (HBM).

Представлен образец ReRAM с высокой устойчивостью к износу

В мае прошлого года мы рассказывали об израильском стартапе Weebit Nano, который за два года из никому не известной группы инженеров превратился в компанию с акциями, котирующимися на Австралийской бирже. Весной 2016 года произошло так называемое обратное поглощение, когда австралийская компания Radar Iron поглотила Weebit Nano и прекратила своё существование. Тогда же (летом 2016 года) председателем совета директоров Weebit Nano был назначен хорошо известный нам бывший главный микропроцессорный архитектор компании Intel Дэвид (Дэди) Перлмуттер (David Perlmutter). Авторитет Weebit Nano взлетел до невиданных высот. Очевидно, они движутся в правильном направлении.

Дэвид Перлмуттер (David Perlmutter) на IDF 2012 (Intel)

Дэвид Перлмуттер (David Perlmutter) на IDF 2012 (Intel)

Направление Weebit Nano — это разработка доступных техпроцессов по производству памяти ReRAM. Ярче всех на фоне ReRAM отметилась компания HP со своим мифическим мемристором. Но и только. В массовое производство мемристор не пошёл. Параллельно разработку технологии производства ReRAM ведут практически все известные и масса малоизвестных компаний. Израильская Weebit Nano поступила проще. Они приобрели ряд ключевых патентов на ячейку ReRAM у профессора Университета Райса Джеймса Тура (James Tour). На основе патентов в 2015 году была предложена технология производства ReRAM, а в ноябре этого года опытное производство института Leti в Гренобле выпустило опытный образец с массивом ReRAM Weebit ёмкостью 4 Кбит с ячейкой размерами 300 нм.

По признанию разработчиков, за два года пройден путь, на который обычно уходит от 7 до 10 лет. Опытный кремний позволяет оценить характеристики памяти и подтвердить соответствие технологий актуальным техпроцессам. Разработка Weebit интересна тем, что в основе рабочего слоя ячейки лежит доступный и недорогой оксид кремния SiOx, а не какие-то экзотические материалы (хотя использование классического диоксида кремния было бы вообще замечательно, но, похоже, это не так).

Непростая по строению память ReRAM Sony и Micron (структура в разрезе, изображение двух соседних ячеек)

Непростая по строению память ReRAM Sony и Micron (структура в разрезе, изображение двух соседних ячеек)

Опытные испытания 4-Кбит массива ReRAM показали, что ячейка не теряет данных при нагреве до 150, 200 и 260 градусов по Цельсию. Согласно индустриальным стандартам, при нагреве данные должны сохраняться 15 минут. Это время и температура, необходимые на пайку микросхем при поверхностном монтаже. При нагреве опытная память сохраняла данные до 30 минут, что позволит организовать с ней несколько циклов пайки.

Простая по строению но со сложным переходом ячейка памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Простая по строению но со сложным переходом ячейка памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Кроме этого тесты и экстраполяция полученных данных показали, что ячейка ReRAM может удерживать данные не менее 10 лет, что тоже соответствует индустриальному стандарту. Также испытания показали, что ячейка ReRAM выдерживает намного больше циклов перезаписи, чем NAND-флеш. До конца года компания Weebit обещает представить технологию производства ReRAM с 40-нм ячейкой. Это ещё не коммерциализация технологии, но темп движения к ней обнадёживает.

Sony улучшила плотность и надёжность фирменной памяти ReRAM

Как мы сообщали, с 2013 года компания Sony совместно с компанией Micron разрабатывает фирменную память типа ReRAM (резистивная память со случайным доступом). Предложенная партнёрами конструкция ячейки ReRAM выглядит как одна из самых прогрессивных в индустрии, а память ReRAM сегодня не разрабатывает только ленивый.

Память RRAM Sony и Micron (структура в разрезе, изображение двух соседних ячеек)

Сравнение теоретических и полученных опытным путём рабочих характеристик 16-Гбит ReRAM Sony

Согласно обнародованной информации, образцы 27-нм 16-Гбит чипов ReRAM Sony/Micron в режиме чтения работали со скоростью до 900 Мбайт/с, а в режиме записи — до 180 Мбайт/с (речь идёт только об одной микросхеме, а не о банке памяти!). Задержки чтения не превышали 2 мкс, а задержки записи — не более 10 мкс. Но самое важное, что площадь ячейки ReRAM Sony была равна относительному значению 6F2. Меньше площадь только у ячейки памяти DRAM, значение которой равно 4F2. Это означает, что память ReRAM может быть такой же плотной, как оперативная память для ПК. До сих пор с плотностью записи у новейших видов энергонезависимой памяти было всё очень плохо. Поэтому на разработку Sony возложены определённые надежды.

Память ReRAM Sony и Micron (структура в разрезе, изображение двух соседних ячеек)

Память ReRAM Sony и Micron (структура в разрезе, изображение двух соседних ячеек)

На недавнем симпозиуме VLSI Technology 2017 компания Sony сообщила, что она улучшила ячейку ReRAM, значительно уменьшив площадь решения. Новая разработка позволяет создавать ячейку резистивной памяти такой же площади — 4F2, как и ячейка DRAM. Определённо — это рекорд. С такой площадью в стековой компоновке из двух рабочих слоёв с размещением 2000 × 2000 элементов в каждом слое и с использованием 20-нм техпроцесса можно выпускать чипы ReRAM ёмкостью 100 Гбит.

Структурная схема модернизированной ячейки ReRAM Sony

Структурная схема модернизированной ячейки ReRAM Sony

Уменьшить площадь ячейки ReRAM удалось за счёт некоторой модернизации её структуры. Так, в составе ячейки появился разделитель, отсекающий «резервуар для ионов» от электролита «источника ионов». Барьер позволяет устранить неравномерность сопротивления, создающегося в рабочем слое (предотвращает взаимную миграцию ионов меди из рабочего слоя в слой-источник). Поскольку опасность неравномерности устранена, рабочие размеры (площадь) ячейки можно уменьшить без риска потерять данные или усложнить процесс их восстановления.

Характеристики управляющего элемента и его структура после легирования бором и углеродом

Характеристики управляющего элемента и его структура после легирования бором и углеродом

Другим нововведением в технологию производства ReRAM Sony стало дополнительное легирование переключающего элемента (переключателя Овшинского на основе халькогенидных плёнок) бором и углеродом. Это дало возможность снизить напряжение переключения управляющего ячейкой памяти элемента и, соответственно, уменьшить токи утечек. Устойчивость к износу такой памяти ReRAM разработчики оценивают на фантастическом для NAND уровне — порядка 10 млн циклов стирания. О сроках перехода к массовому производству разработки, увы, не сообщается. Есть мнение, что раньше 2020 года память ReRAM в виде отдельной памяти на рынке не появится.

ReRAM 4DS такая же быстрая, как DRAM

Молодая австралийская компания 4DS Memory Limited продолжает совершенствовать энергонезависимую память типа ReRAM (резистивную с произвольным доступом). К сегодняшнему дню представлено достаточно много вариантов резистивной памяти. Некоторые даже склонны видеть ReRAM в памяти Intel 3D XPoint, хотя последняя использует ячейку с изменяемым фазовым состоянием вещества.

Большинство версий ReRAM, если мы говорим о ячейке с изменяемым сопротивлением, опираются на такое явление, как обратимое создание в структуре рабочего слоя ячейки устойчивых токопроводящих нитей из ионов меди, серебра или других металлов. Ячейка ReRAM компании 4DS Memory работает по другому принципу. Она полностью меняет своё сопротивление под воздействием тока сразу во всём рабочем слое. Технология так и называется «Interface Switching ReRAM», а запатентованная ячейка носит название MOHJO (Metal Oxide Hetero Junction, металл оксидный переход с противоположными состояниями).

Общий принцип организации перекрёстной памяти RRAM (Crossbar)

Общий принцип организации перекрёстной памяти ReRAM (Crossbar)

Общая проблема памяти ReRAM, утверждают в компании 4DS Memory, заключается в слишком больших задержках в режимах чтения. Это не позволяет ReRAM стать полноценным заменителем памяти типа DRAM и привнести в работу оперативной памяти энергонезависимость. Суть проблемы в том, что образование токопроводящих нитей в ячейке ReRAM несколько непредсказуемо, что связано с неоднородностями в материале рабочего слоя. Утрируя, всегда что-то может пойти не так. Во-первых, для гарантированного образования ионизированных каналов потребуется увеличить рабочий ток. Во-вторых, существенно усложнить механизмы коррекции ошибок. Последнее ведёт к существенным задержкам в процессе восстановления данных.

Состав ячейки памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Состав ячейки памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Память 4DS ReRAM свободна от «случайностей» в процессе работы с ячейками памяти. Рабочий слой ячейки 4DS полностью переключается из одного состояния в другое и не зависит от возможных неоднородностей. Это устраняет необходимость в корректировке рабочих токов (уменьшает разброс параметров) и ведёт к очень простому механизму коррекции ошибок без заметных задержек. Испытания показали, что по скорости работы память 4DS ReRAM приближается к скорости работы оперативной памяти DRAM.

Обновлённая запатентованная ячейка памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Обновлённая запатентованная ячейка памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

И что нам с этой разработки малоизвестной австралийской компании, спросят читатели? Дело в том, что с компанией 4DS Memory несколько лет подряд тесно работает подразделение Hitachi GST компании Western Digital. Более того, между Hitachi GST и 4DS Memory заключено стратегическое соглашение о партнёрстве, что позволяет рассчитывать на относительно скорое появление ReRAM в виде коммерческих продуктов. Произойдёт это не завтра, но в течение трёх–пяти лет можно ожидать появления первых продуктов на основе ReRAM.

Российская разработка может стать основой памяти ReRAM

Специалисты Центра коллективного пользования Московского физико-технического института (МФТИ) предложили новую технологию, которая в перспективе может быть применена при изготовлении памяти ReRAM.

Напомним, что ReRAM (или RRAM) — это резистивная память с произвольным доступом. Изделия данного типа обеспечивают быстродействие, сопоставимое с DRAM, но при этом могут хранить информацию в отсутствии питания, то есть являются энергонезависимыми. Если сравнивать с флеш-памятью NAND, то чипы ReRAM оказываются существенно быстрее и расходуют меньше энергии в активном режиме.

Принцип работы ReRAM заключается в изменении сопротивления ячейки памяти под действием приложенного напряжения. За счёт этого высокое и низкое сопротивления ячейки могут быть использованы для хранения информации.

Функциональной основой ReRAM-ячейки является структура металл-диэлектрик-металл. В качестве диэлектрического слоя применяются оксиды переходных металлов (HfO2, Ta2O6). В этом случае приложенное к ячейке напряжение приводит к миграции кислорода, что вызывает изменение сопротивления всей структуры. Таким образом, управление концентрацией кислорода в оксиде является важнейшим параметром, который определяет функциональные свойства ячеек памяти.

Центр коллективного пользования МФТИ

Центр коллективного пользования МФТИ

Однако на практике память ReRAM пока не может вытеснить широко распространённую NAND-флеш. Одна из причин заключается в том, что для производства флеш-памяти можно использовать трёхмерные массивы ячеек. В то же время методы создания плёнок с дефицитом кислорода, используемые для ReRAM, не подходят для нанесения функциональных слоёв на трёхмерные структуры.

Российские учёные предлагают решить проблему за счёт метода атомно-слоевого осаждения — нанесения тонких плёнок, обусловленного протеканием химических реакций на поверхности образца. Исследователи уже научились управлять концентрацией кислорода в плёнках оксида тантала, получаемых посредством названного метода. Подробнее о работе можно узнать здесь

Panasonic и UMC начнут выпуск серийных контроллеров с ReRAM в 2019 году

Похоже, что энергонезависимая резистивная память ReRAM всё-таки появится на рынке до 2020 года. На этом этапе, скорее всего, ReRAM заменит NAND-флэш в составе микроконтроллеров. Потребление ReRAM примерно в семь раз меньше, чем у NAND, а быстродействие приближается к скорости работы DRAM. К тому же ReRAM выдерживает на порядок больше циклов перезаписи, чем NAND. Все эти качества должны помочь появлению новой памяти в носимых устройствах и датчиках с подключением к Интернету.

Преимущество ReRAM над многослойной NAND (слайд из презентации Western Digital на FMS)

Преимущество ReRAM над многослойной NAND (слайд из презентации Western Digital на FMS)

Образцы встраиваемой памяти ReRAM с использованием 40-нм техпроцесса недавно начала выпускать китайская компания SMIC. На сегодня это одна из самых передовых разработок, добравшихся до стадии предсерийного производства. Но ещё в 2013 году микроконтроллеры с блоком ReRAM начала выпускать японская компания Panasonic. К сожалению, они выпускались с использованием 180-нм техпроцесса и не могли похвастаться каким-то выигрышем перед памятью NAND-флэш. Чтобы вывести выпуск контроллеров со встроенной памятью ReRAM на новый уровень, Panasonic собирается привлечь к разработке тайваньского контрактного производителя полупроводников — компанию UMC.

Общий принцип организации перекрёстной памяти RRAM (Crossbar)

Общий принцип организации перекрёстной памяти RRAM (Crossbar)

Как сообщает японское ИА Nikkei, Panasonic и UMC начинают совместную разработку технологий для производства контроллеров со встроенной памятью ReRAM на базе 40-нм техпроцесса. У японских компаний отсутствуют передовые «домашние» техпроцессы для выпуска полупроводников. Та же компания Fujitsu летом 2014 года лицензировала у UMC техпроцесс с нормами 40 нм. У Panasonic тоже нет производства подобной сложности, на пару с UMC она обещает начать поставку образцов микроконтроллеров с ReRAM в 2018 году, а массовое производство новинок организовать в 2019 году.

Первый серийный контроллер Panasonic со встроенной памятью ReRAM (Panasonic)

Первый серийный контроллер Panasonic со встроенной памятью ReRAM (Panasonic)

В планах партнёров значится быстро начать зарабатывать на новом направлении — сразу же до $44 млн в год (до 5 млрд иен). С блоками ReRAM компания Panasonic рассчитывает поставлять чипы для паспортов, датчики для служб безопасности, контроллеры для носимой электроники (часов и прочего), а также спектр продукции для промышленной электроники.

Для наших читателей интереснейшим применением ReRAM стал бы выход SSD-накопителей на перспективной памяти. Увы, дешёвой альтернативы NAND пока нет. Первой попыткой выпустить твердотельные накопители не на базе традиционной флеш-памяти можно считать выход SSD Intel Optane и Micron QuantX (оба варианта на условно резистивной памяти 3D XPoint). Компания Panasonic вряд ли к этому приблизится раньше первой половины следующего десятилетия. Мифический элемент мемристор компании HP также буксует. Возможно, прорывом может стать совместная разработка ReRAM HP и SanDisk, объявленная в 2015 году (сейчас место SanDisk, вероятно, заняла компания Western Digital).

Спецификации первых накопителей (кеш-ускорителей) Intel Optane

Ещё дальше от практической реализации разработки компании IBM. Последняя предложила «жидкий транзистор» с каплей ионизированной жидкости. Наконец, собственные версии ReRAM есть у компаний Toshiba, SK Hynix и Samsung, но все они, за исключением Toshiba, предпочитают хранить молчание о возможных сроках выхода на рынок. Что касается Toshiba, то она обещает приступить к производству ReRAM после 2020 года. 

Китайская SMIC приступила к поставкам образцов памяти ReRAM

Молодая американская компания Crossbar (Санта-Клара, штат Калифорния) сообщила о доступности первых серийных образцов энергонезависимой памяти нового типа. Это так называемая резистивная RAM или ReRAM, один из вариантов которой разработала компания Crossbar. Сама она не будет выпускать ReRAM, хотя в партнёрстве с кем-либо из крупных брендов готова этим заниматься. Например, если бы такое предложение поступило от компании Western Digital. В настоящий момент Crossbar занимается лицензирование собственной разработки всем заинтересованным компаниям и мечтает стать ARM в мире памяти.

Реальный образец памяти RRAM (Crossbar)

Реальный образец памяти RRAM (Crossbar)

Лицензия на производство памяти ReRAM была предоставлена китайской компании SMIC в марте прошлого года. К этому дню, как уже сказано выше, SMIC приступила к поставкам рабочих образцов кристаллов ReRAM. Резистивная память выпускается с использованием 40-нм техпроцесса, а в течение первой половины текущего года обещают выйти 28-нм образцы ReRAM. Полученные образцы помогут компании Crossbar разработать технологию встраиваемой в микроконтроллеры и SoC памяти ReRAM. Запрос на это очень высок, ведь резистивная память устойчива к перезаписи и может выдерживать до 100 000 циклов записи.

Общий принцип организации перекрёстной памяти RRAM (Crossbar)

Общий принцип организации перекрёстной памяти RRAM (Crossbar)

Благодаря своим характеристикам память ReRAM потенциально способна заменить память NOR-флеш, оптимизированную для запуска кода, и память NAND-флеш, которая сегодня в массе используется для хранения данных. Так, если задержки при обращении к памяти NAND-типа достигают миллисекунд, то задержки при чтении из ячейки ReRAM равны 20 нс, а задержки на запись в ReRAM не превышают 12 нс. При этом память ReRAM перед записью не надо очищать, что упрощает структуру сигнала и сокращает время на операции.

Принцип работы ячейки памяти ReRAM компании Crossbar (Crossbar)

Принцип работы ячейки памяти ReRAM компании Crossbar (Crossbar)

В заключение напомним, что память ReRAM компании Crossbar работает на принципе управляемого формирования нитей из ионов серебра в рабочем слое из аморфного кремния. Рабочее напряжение одной полярности заставляет ионы серебра мигрировать в рабочий слой из серебряных электродов снаружи ячеек, а рабочее напряжение обратной полярности возвращает ионы серебра обратно в электроды. Напряжение с невысоким значением считывает состояние ячеек. Таких состояний, кстати, может быть несколько, и, соответственно, в каждой ячейке может храниться несколько бит данных. Также такую память можно выпускать в виде многослойного стека. Одним словом — очень перспективная разработка и очень хорошо, что её сегодня могут пощупать все желающие производители. Авось кому-то понравится.

Western Digital рассматривает несколько вариантов памяти ReRAM

В августе этого года на форуме Flash Memory Summit корпорация Western Digital объявила о планах использовать резистивную память с произвольным доступом (restistive random access memory, ReRAM) в качестве памяти для SSD-накопителей c повышенной производительностью. Это так называемые SCM-накопители (storage class memory), которые должны занять промежуточное положение между DRAM и классическими твердотельными накопителями. Память типа ReRAM должна идеально подходить для этой задачи, поскольку она обещает сочетать скорости доступа, близкие к характеристикам памяти DRAM и при этом быть энергонезависимой.

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Из скупого на подробности доклада представителей компании Western Digital можно было представить, что новый класс твердотельных накопителей будет опираться на разработки компаний SanDisk и Toshiba. И действительно, компании SanDisk и Toshiba уже три года назад могли похвастаться опытными экземплярами 32-Гбит памяти ReRAM, а год назад SanDisk и HP подписали договор о совместной разработке памяти ReRAM. С мая этого года компания SanDisk перешла в собственность компании Western Digital, что автоматически перевело её разработки в руки нового владельца. Однако на днях появилась информация, что компания Western Digital держит руку на пульсе у ещё одной технологии ReRAM.

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Как стало известно, такое подразделение Western Digital, как Hitachi GST, два года подряд работает с молодой австралийской компанией 4DS. Летом нынешнего года HGST и 4DS заключили ещё один договор о совместных работах на следующий год. Суть работ заключается в повышении надёжности хранения данных в ячейке памяти ReRAM и в разработке технологий, увеличивающих число циклов стирания ячеек ReRAM. Очевидно, что разработки 4DS — это независимый проект, а не совершенствование разработок SanDisk и Toshiba. Это подводит нас к тому, что Western Digital рассматривают несколько вариантов памяти ReRAM. Впрочем, это неудивительно. Сегодня наберётся не менее двух десятков различных технологий работы резистивной памяти с произвольным доступом.

Структура ячейки ReRAM компании 4DS (4DS)

Структура ячейки ReRAM компании 4DS (4DS)

По словам руководства 4DS, разработка компании выгодно отличается от конкурирующих вариантов. Во-первых, само строение ячейки ReRAM 4DS обещает бóльшую плотность записи по сравнению с памятью 3D NAND в случае использования одинакового техпроцесса. Уточним, компания 4DS экспериментирует с ячейками ReRAM, выпущенными в рамках 40-нм техпроцесса, тогда как память 3D NAND сегодня массово выпускается с использованием  техпроцессов в диапазоне от 45 до 50 нм.

Состав ячейки памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Состав ячейки памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Другим преимуществом разработки 4DS называется реализованный принцип работы памяти. Это память с переключением рабочего слоя, когда сопротивление ячейки меняется сразу во всём рабочем слое (Interface Switching ReRAM или Non-Filamentary ReRAM). Альтернативой этому может служить память с образованием нитевидных токопроводящих «волокон» из ионов серебра в рабочем слое ячейки. Такую память разработала компания Crossbar и, что важно, о готовности производства памяти Crossbar ReRAM с использованием 40-нм техпроцесса уже сообщил крупнейший в Китае контрактный производитель — компания SMIC. Похоже, на этом направлении становится жарко. Но разве нам об этом жалеть?

Western Digital выпустит специализированные SSD на базе 3D ReRAM

На форуме Flash Memory Summit корпорация Western Digital объявила о намерении использовать резистивную память с произвольным доступом (restistive random access memory, ReRAM) в качестве памяти накопителей (storage class memory, SCM) для будущих специализированных твердотельных накопителей (solid-state drives, SSDs) c повышенной производительностью. Компания не раскрыла каких-либо спецификаций указанных продуктов или же сроков их появления на рынке. Однако важно то, что Western Digital решила использовать наработки SanDisk, которая давно обсуждала ReRAM наряду с трёхмерной компоновкой микросхем в качестве основы для сверхбыстрых и сверхнадёжных SSD.

Объём данных, который генерируется в мире сегодня, исчисляется зеттабайтами каждый год, что создаёт два вызова для высокотехнологичной индустрии. Первый — как хранить эти данные более-менее рентабельно. Второй — как эффективно обрабатывать эту информацию с точки зрения производительности и энергопотребления. Современные жёсткие диски (hard disk drives, HDDs) и SSD могут хранить большое количество данных (10–15 Тбайт для флагманских моделей), а современные процессоры могут обрабатывать огромное количество информации благодаря постоянно увеличивающемуся количеству вычислительных ядер. Тем не менее, доставка нужных данных к этим ядрам представляет собой ещё ряд вызовов: если необходимая информация находится на HDD/SSD, то её выборка оттуда займёт много времени (100 тысяч – 10 млн нс) и потребует использования большого количества энергии. При этом увеличение объёма оперативной памяти у сервера не всегда оправданно с экономической точки зрения.

Слайд из презентации Western Digital на FMS.

Слайд из презентации Western Digital на FMS.

Чтобы решить вышеуказанные задачи, инженерам различных компании пришла в голову мысль об энергонезависимой памяти накопителей, которая находилась бы между оперативной памятью и накопителями данных, сочетая ряд качеств первых и последних. Такая память должна иметь гораздо большую производительность, увеличенную выносливость и низкое время ожидания (например, 250–5000 нс) по сравнению с NAND, но при этом существенно менее высокую стоимость на гигабайт по сравнению с DRAM.

Слайд из презентации Western Digital на FMS.

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Исторически сложилось так, что мало кто целенаправленно исследовал SCM, поскольку все были озабочены нахождением замены NAND флеш-памяти. На четвёртом десятке лет коммерческого существования последняя продолжает неплохо эволюционировать, а потому говорить о наследниках для массового рынка не приходится. Так, те типы памяти, что сейчас относятся к классу SCM — CBRAM, PCM, MRAM, ReRAM и ряд других, — имеют ряд особенностей и преимуществ, но никто из них не смог поспорить с NAND по части себестоимости на гигабайт.

Слайд из презентации Western Digital на FMS.

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Фундаментальный принцип работы ReRAM (иногда её называют RRAM) базируется на изменении сопротивления у диэлектрического материала с помощью электрического тока (ровно поэтому 3D XPoint рассматривается как собственная реализации ReRAM компаниями Intel и Micron). Сопротивление можно измерить и рассматривать как «0» или «1». На бумаге эта технология обеспечивает более высокую производительность и выносливость по сравнению с NAND, но нахождение архитектуры и коммерчески выгодного технологического процесса заняло у инженеров целого ряда компаний много времени.

Слайд из презентации Western Digital на FMS.

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Не делая никаких значительных заявлений на FMS, компания Western Digital сообщила, что она будет использовать некоторые из вещей, которые были созданы в рамках разработки BiCS 3D NAND флеш-памяти, для производства ReRAM. Компания подтвердила, что её ReRAM будет основываться на многослойной матричной (multi-layer crosspoint) архитектуре, что было раскрыто ещё несколько лет назад.

Слайд из презентации Western Digital на FMS.

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Пожалуй, самым важным заявлением Western Digital относительно 3D ReRAM является то, что компания планирует использовать для её изготовления производственный комплекс в Йоккаити (префектура Миэ, Япония), что означает отсутствие необходимости в существенных инвестициях. Следует учитывать, что SCM на данном этапе является значительно более дорогой памятью по сравнению с NAND. Как следствие, крайне важно использовать для производства ReRAM имеющиеся фабрики и оборудование, чтобы гарантировать прибыльность бизнеса (или минимизировать возможные убытки). IMFT делает ровно то же самое с 3D XPoint: подобная память будет производиться на фабрике в Лехай (штат Юта), но пока не известно, по какому именно технологическому процессу. Intel и Micron упоминали, что последний будет отличаться от того, что используется для изготовления NAND, но ничего не говорили о конфигурации оборудования. Кроме того, Western Digital может повторно использовать некоторые основные технологии, материалы и архитектуры технологических процессов для ReRAM и NAND, но компания не раскрывает каких-либо подробностей в настоящее время.

Слайд из презентации Western Digital на FMS.

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Принимая во внимание архитектурные особенности, вполне естественно ожидать, что 3D ReRAM компании Western Digital будет масштабироваться с увеличением количества слоёв, но о количестве слоёв в первом поколении 3D ReRAM в данный момент неизвестно ничего. Тем не менее, компания имеет оптимистичные ожидания касательно масштабирования cвоей SCM и верит в то, что со временем стоимость такой памяти в пересчёте на гигабайт увеличит разрыв с DRAM (и сократит таковой с NAND), что сделает её привлекательней для более широкого круга приложений.

Слайд из презентации Western Digital на FMS.

Слайд из презентации Western Digital на FMS.

Наконец, производитель сказал, что 3D ReRAM уже поддерживается экосистемой, что означает, что первые твердотельные накопители на её базе, вероятно, будут использовать стандартные интерфейсы (например, NVDIMM, PCI Express), что не удивительно. Возможно, это также означает, что Western Digital уже работает с разработчиками программного обеспечения, чтобы удостовериться, что их приложения смогут воспользоваться преимуществами SCM, однако мы не можем этого подтвердить.  

Подводя итог, можно заключить, что Western Digital (а точнее, бывшая SanDisk) завершила разработку ReRAM, которую до этого обсуждали на протяжении нескольких лет. Компания планирует выпустить коммерческие продукты на базе ReRAM в обозримом будущем (12–24 месяца) и использовать для изготовления SCM те же самые фабрики и оборудование, что и для NAND. Судя по всему, Western Digital имеет некий перспективный план по развитию ReRAM, а потому несколько лет данный тип памяти будет активно развиваться. Что предстоит выяснить, так это характеристики конкретных изделий на базе ReRAM, а также будущее проекта по совместной разработке SCM, подписанного SanDisk и HP в октябре прошлого года.

Бывший специалист Intel возглавит разработчиков резистивной памяти

Резистивная память или сокращённо ReRAM (RRAM) упорно сопротивляется лучшим умам человечества. Она весьма заманчива для запуска в массовое производство и обещает высочайшую устойчивость к износу — ReRAM в 1000 раз устойчивее, чем NAND-флеш, но создать коммерчески выгодный техпроцесс производства ReRAM пока ни у кого не получилось. На словах ближе всего к делу запуска коммерческого производства ReRAM подошла компания HP и даже придумала интересное название для нового продукта — мемристор, но воз с мемристорами за прошедшие с тех пор шесть лет так и не сдвинулся со своего места. Более того, теперь компания HP в качестве памяти для своего «козырного» проекта Machine на первом этапе собирается использовать не ReRAM (мемристор), а память с изменяемым фазовым состоянием вещества и, судя по последним событиям, это будет память Intel/Micron 3D XPoint.

ReRAM имеет массу востребованных качеств (HP)

ReRAM имеет массу востребованных качеств (HP)

Всё сказанное выше не означает, что интерес к ReRAM сходит на нет. Разработке резистивной памяти уделяют внимание всё новые и новые компании. Так, в 2014 году в Израиле была организована компания Weebit Nano, которая предложила коммерциализировать одну из модификаций ReRAM. Разработчики лицензировали у Университета Райса семь уникальных патентов, оформленных профессором Джеймсом Туром (James Tour). Судя по всему, речь может идти об одной из последних разработок — о ячейке ReRAM на основе пористого графена и рабочего слоя в виде диоксида кремния. Новые материалы позволяют создать ячейку памяти с относительно простой структурой и достаточно низким рабочим напряжением — порядка 2 вольт, что положительно скажется на себестоимости продукта и на энергоэффективности его работы.

В настоящий момент компания Weebit Nano проходит процедуру покупки австралийской компанией Radar Iron. Голосование акционеров по этому поводу должно состояться в мае. По условию договора, после завершения транзакции компания Radar Iron будет переименована в Weebit Nano. Когда это произойдёт, председателем совета директоров Weebit Nano станет ветеран компании Intel и её последний директор разработчиков процессорных архитектур — Дэвид (Дэди) Перлмуттер (David Perlmutter).

Дэвид Перлмуттер (David Perlmutter) на IDF 2012 (Intel)

Дэвид Перлмуттер (David Perlmutter) на IDF 2012 (Intel)

Дэвид Перлмуттер отработал в компании Intel 34 года и ушёл из неё в феврале 2014 года, когда стало понятно, что никто из старой команды в компании больше не нужен. В Intel меняют стратегию развития, и работа над процессорными архитектурами больше не является наиболее важным направлением для компании. Но такие спецы, как Перлмуттер, без работы долго не остаются. Тем более, что память ReRAM, если и когда она будет доведена до производства, будет востребована также в качестве основы для процессорных архитектур.

Раскрыт секрет памяти Intel 3D XPoint

В июне прошлого года компании Intel и Micron сообщили о разработке революционной энергонезависимой памяти 3D XPoint. Новинка обещала в перспективе 1000-кратно увеличить скорость работы твёрдотельных накопителей и в 1000 раз снизить износ носителя. На момент анонса разработчики предпочли сохранить тайну о реализованной в лице микросхем 3D XPoint технологии. Как мы предполагали, речь могла идти не о резистивной памяти ReRAM, хотя она прекрасно ложилась на перекрёстную структуру ячеек 3D XPoint, а о памяти с изменяемым фазовым состоянием вещества или PRAM (PCM). Интрига тянулась до сегодняшнего дня. Как говорили в Intel, технология не вышла из стадии завершения разработки, и планы могли поменяться. Отсюда такая секретность.

В настоящий момент память 3D XPoint переходит в фазу подготовки производства. На данном этапе шила в мешке не утаишь. Необходимо заказывать производственное оборудование для выпуска нового типа памяти и искать поставщиков сырья. Поэтому из памяти 3D XPoint больше не нужно делать тайны. Это не резистивная память, как сообщил генеральный директор компании IM Flash Гай Блелок (Guy Blalock). Память 3D XPoint опирается на технологию, придуманную Стэнфордом Овшинским (Stanford Ovshinsky) ещё в 60-е годы прошлого столетия. Память 3D XPoint опирается на эффект обратимого изменения фазового состояния вещества. Это память типа PRAM (Phase-change Random Access Memory). Подобная память без использования перекрёстной структуры выпускается около 10 лет. Её главной проблемой было снижение площади ячейки. Очевидно, Intel и Micron смогли решить эту проблему.

Изобретатель PCM-эффекта Стэнфорд Овшинский (24.11.1922 - 17.10.2012)

Изобретатель PCM-эффекта Стэнфорд Овшинский (24.11.1922 — 17.10.2012)

Важным уточнением директора IM Flash стало заявление о начале массового производства памяти 3D XPoint в течение следующих 12–18 месяцев. Это означает, что вопреки предыдущим заявлениям Intel, в текущем году накопители на памяти 3D XPoint могут так и не появиться. Более того, само производство 3D XPoint чрезвычайно сложное и требует порядка 100 новых видов сырья, некоторое из которых настолько уникально, что выпускается одним производителем в единственном месте Земли. Но и это ещё не все трудности. Перекрёстная архитектура 3D XPoint чревата взаимным загрязнением материалов в составе ячеек. Поэтому для выпуска 3D XPoint требуется больше шагов в процессе производства, включая такие сложные этапы, как вакуумное осаждение и выпаривание. В общем случае скорость производства снижается минимум на 15 %, что увеличивает себестоимость продукции.

Сравнение затрат на расширение мощностей производства для обычной NAND-флеш, 3D NAND и 3D XPoint (IM Flash)

Сравнение затрат на расширение мощностей производства для обычной NAND-флеш, 3D NAND и 3D XPoint (IM Flash)

Снижение производительности заводов при выпуске 3D XPoint можно компенсировать за счёт установки дополнительного оборудования. Но для этого потребуется увеличить производительность со 180 пластин в час до 1000 пластин в час в пересчёте на условные два квадратных метра площади завода. Как видно из графика выше, условную производственную площадь потребуется увеличить в 3–5 раза, что потребует 3–5 кратного увеличения капитальных затрат. И, что самое неприятное, переход на производство памяти 3D XPoint второго и третьего поколений будет почти такой же затратный, как и начало производства первого поколения этой памяти. Для сравнения, традиционная смена техпроцесса увеличивает затраты всего на 20–30 %, но не в пять раз, как прогнозируют для 3D XPoint.

Также директор IM Flash сообщил, что память 3D XPoint в первом поколении будет состоять из двух слоёв. Теоретически структуру 3D XPoint можно расширить до четырёх слоёв, но это вряд ли произойдёт до появления 3D XPoint третьего поколения и то, если появятся коммерческие версии EUV-сканеров. Напротив, память 3D NAND, как мы наблюдаем, легко освоила 32-слойную структуру и просто масштабируется до 48-слойной и 64-слойной структуры. Всё это наводит на грустные мысли, что эволюция памяти 3D XPoint будет идти довольно медленным шагом.

Hewlett-Packard и SanDisk совместно разработают новый тип памяти

Корпорации Hewlett-Packard и SanDisk объявили о долгосрочных планах совместной разработки энергонезависимой памяти накопителей, производительность и надёжность которой на порядки превышала бы таковую у NAND флеш-памяти. В настоящее время подробности о технологии неизвестны, но, судя по всему, речь идёт о создании очень продвинутого конкурента 3D XPoint, разработанного Intel и Micron.

HP и SanDisk не являются новичками в разработке энергонезависимой памяти, которая могла бы заменить NAND флеш. Обе компании вот уже долгое время работают над так называемой резистивной памятью (ReRAM), основывающейся на принципе изменения сопротивления у твёрдого диэлектрического материала, который часто называют коммерческим названием мемристор. Кроме того, обе фирмы работали с партнёрами, такими как SK Hynix и Toshiba, с целью начать коммерческий выпуск резистивной памяти в первой половине десятилетия, однако планам было не суждено сбыться.

Наработки и патенты SanDisk в области ReRAM и HP в области мемристоров будут использованы при создании новой технологии: памяти класса накопителей (storage class memory, SCM).

HP: Ключевые особенности ReRAM

HP: Ключевые особенности ReRAM

В настоящее время Hewlett-Packard и SanDisk не раскрывают подробностей о технологии SCM, но говорят о том, что она будет в 1000 раз быстрее и в 1000 раз более устойчива к износу по сравнению с NAND флеш-памятью. При этом память накопителей будет более ёмкой, дешёвой и экономичной по сравнению с динамической оперативной памятью с произвольным доступом (dynamic random access memory, DRAM). В частности, HP и SanDisk говорят о возможности установки десятков терабайт SCM в один сервер для приложений вроде аналитики в реальном времени, суперкомпьютерных вычислений, а также баз данных, располагающихся в оперативной памяти (in-memory databases).

Цели памяти накопителей разработки HP и SanDisk во многом схожи с теми, что ставили перед собой Intel и Micron при разработке памяти 3D XPoint. В конвенциональных серверах память накопителей будет располагаться между оперативной памятью и основными накопителями, обеспечивая баланс между производительностью и ёмкостью для определённых приложений. Хотя HP и SanDisk на годы позади Intel и Micron, при условии высоких показателей производительности и надёжности их SCM, последняя может стать достойным конкурентом 3D XPoint и следующих поколений памяти накопителей, создаваемых указанными компаниями.

Сравнение ReRAM с другими типами памяти

Сравнение ReRAM с другими типами памяти

Партнёры не называют сроки появления разработанной ими SCM на рынке, однако очевидно, что разработки такого рода занимают несколько лет. Кроме того, говоря о десятках терабайт энергонезависимой памяти и производительности в 1000 раз выше NAND флеш-памяти, Hewlett-Packard и SanDisk ясно дают понять, что речь идёт об очень долгосрочном проекте, который растянется на десятилетие. К примеру, хотя сама память может быть в 1000 раз быстрее NAND, на сегодняшний день нет интерфейсов, которые бы поддерживали бы соответствующие скорости передачи данных. Проектирование интерфейсов процесс довольно медленный, требующий согласования всей индустрии. Кроме того, чтобы установить в одну машину десятки терабайт памяти накопителей, потребуется создать микросхемы большой ёмкости, для чего понадобятся продвинутые технологические процессы. Кроме того, для создания твердотельных накопителей на основе SCM придётся разработать принципиально новые контроллеры памяти, что также потребует времени.

Возможности SanDisk в области создания твердотельных накопителей

Возможности SanDisk в области создания твердотельных накопителей

Некоторые аналитики полагают, что преимущества SCM будут востребованы индустрией и получат большое распространение лишь после 2020 года. Более того, увеличенная ёмкость микросхем, а также сложность производства памяти на основе мемристоров (учитывая, что HP и SanDisk дают понять, что SCM во многом базируется на технологиях резистивной памяти) могут потребовать использование литографических сканеров, работающих в диапазоне EUV (extreme ultraviolet — излучение с длиной волны 13,5 нм). По оценкам специалистов, для коммерческого использования EUV-машины будут готовы лишь в конце десятилетия.

«Технология ReRAM может стать следующим шагом в энергонезависимой памяти после трёхмерной NAND (вероятно, к 2020 году и далее)», — написал Мехди Хоссейни, аналитик из Susquehanna Financial Group, сообщает Tech Trader Daily. «Мы не ожидаем, что это случится в краткосрочной перспективе, но мы предвидим, что [партнёрство] представляет собой значительный шаг вперёд в продвижении ReRAM, поскольку обе компании инвестировали значительные средства в научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки в области ReRAM. Для SanDisk партнёрство является позитивным. Широкое присутствие HP на рынке центров обработки данных и глубокое понимание требований к системам хранения данных могут стать ключевым вкладом в начало распространения ReRAM».

SanDisk: ReRAM - следующий шаг

SanDisk: ReRAM - следующий шаг

В рамках долгосрочного соглашения между компаниями HP Enterprise также начнёт использовать твердотельные накопители SanDisk с интерфейсами SAS, Serial ATA и PCI Express (NVMe) внутри своих серверов. Последнее — очень позитивная новость для SanDisk уже сейчас.

«Мы очень рады углубить наши отношения с HP и предложить серверам компании полный портфель наших твердотельных накопителей для предприятий с интерфейсами SAS, SATA и PCIe», — сказал Шива Шиварам, исполнительный вице-президент по технологиям памяти в SanDisk. «Наше партнёрство для совместной работы над новыми технологическими решениями SCM, как ожидается, революционизирует вычислительную технику на годы вперёд».

Предполагается, что совместно разработанная память накопителей будет также использоваться при реализации проекта компьютерной архитектуры The Machine, разработанной в недрах HP Labs.

По непонятной причине в сообщении двух компаний не упоминается Toshiba, совладелец производственных мощностей SanDisk. Очевидно, что роль японской компании в изготовлении памяти накопителей будет немалой, тем не менее, судя по всему, она не планирует участвовать в соответствующих разработках совместно с партнёрами.

Энергонезависимая память 3D RRAM все ближе к серийному производству

Компания Crossbar объявила о «достижении ещё одной ключевой вехи, необходимой для вывода на рынок микрочипов хранения данных терабайтной ёмкости».

Речь идёт о разработках в сфере энергонезависимой резистивной памяти с произвольным доступом — RRAM, или ReRAM. Теоретически микросхемы RRAM способны обеспечивать примерно такое же быстродействие, что и DRAM, оставаясь при этом энергонезависимыми. По сравнению с флеш-NAND память нового типа характеризуется меньшим потреблением энергии и на порядок более высоким числом циклов перезаписи.

Crossbar проектирует память 3D RRAM, архитектура которой предусматривает объёмную компоновку. При этом применяется фирменная технология 1TnR (1 Transistor driving n Resistive memory cell), благодаря которой один транзистор может управлять большим количеством ячеек памяти (более 2000). Это позволяет добиться очень высокой плотности хранения информации.

Но у методики 1TnR есть и обратная сторона. Из-за паразитных токов ухудшаются показатели производительности и надёжности хранения данных. Решить проблему удалось путём использования запатентованного сверхлинейного устройства выбора порога. Этот селектор позволяет подавлять токи утечки величиной менее 0,1 нА. Предложенное решение уже подтвердило свою эффективность в составе микрочипа RRAM ёмкостью 4 Мбит. 

К 2020 году Toshiba перейдёт на 3D ReRAM

Вице-президент компании Toshiba Ясуо Нарукэ (Yasuo Naruke) на специальном мероприятии поделился планами производителя по развитию технологий памяти. Пока что Toshiba отстаёт от своего главного конкурента, компании Samsung Electronics, которая уже запустила серийное производство 3D NAND. Но отступать она не собирается.

techon.nikkeibp.co.jp

techon.nikkeibp.co.jp

Массовое производство памяти с использованием 15-нм техпроцесса Toshiba начала в апреле 2014 года. Кроме того, в начале сентября завершилось сооружение «чистых комнат» на заводе Fab 5, которые теперь оснащены оборудованием для выпуска 15-нм чипов. Далее Toshiba вместо дальнейшего масштабирования проектных норм перейдёт на технологию трёхмерных стеков памяти (BiCS). Массовое производство таких чипов компания запустит в начале 2016 года.

desktopreview.com

desktopreview.com

По прогнозам Toshiba, она будет выпускать 3D NAND ещё 5-6 лет. Но после 2020 года появится потребность в памяти с иным принципом работы. Компания сделает ставку на разработку 3D ReRAM и так называемую ионную память. К тому времени 3D ReRAM можно будет объединить с техпроцессом 10 нм и менее.

ARM занялась разработкой энергонезависимой памяти CeRAM

Инновационная технология энергонезависимой памяти, которая может лучше масштабироваться и показывать более высокую производительность, чем флеш-память и традиционная резистивная память (ReRAM), заинтересовала крупного разработчика процессорных архитектур ARM Holdings. Память CeRAM (Correlated electron RAM, память с коррелированным электроном) активно продвигает компания Symetrix. ARM, в свою очередь, поддерживает её исследования.

symetrixcorp.com

symetrixcorp.com

В проект, занимающийся исследованием CeRAM-памяти, вовлечены компании Symetrix, ARM, Университет Колорадо и Техасский университет. Конкретные цели, длительность и бюджет проекта не озвучены, но участник исследования, профессор Арауджо (Araujo), отметил, что вскоре Symetrix получит важные данные о CeRAM-приборах с помощью атомно-силового микроскопа, который позволяет разглядывать детали размером порядка 5 нм. Эти данные должны будут продемонстрировать «новые переключающие» свойства устройства.

symetrixcorp.com

symetrixcorp.com

Интенсивные исследования таких технологий как ReRAM и CeRAM объясняются тем фактом, что флеш-память подходит к своему технологическому барьеру и разрабатывать устройства по техпроцессам менее 10-20 нм будет весьма проблематично. Поэтому отрасли нужны принципиально новые разработки. Что касается ReRAM, то в развитии этой технологии исследователей подстерегают множество барьеров. Понимание физических процессов формирования и разрушения так называемых проводящих нитей в изолирующем слое между верхними и нижними электродами в ReRAM-памяти оказалось затруднительным, а без этого продвигаться дальше сложно.

В отличие от ReRAM, CeRAM является резистивной памятью, в которой используются те же окиси переходных металлов (TMO), такие как NiO, но при этом не используются нити и гальванопластика. Вместо этого в CeRAM-памяти наблюдаются квантовые эффекты корреляции позиций электронов, откуда она и получила своё название. В структуре CeRAM выделяется активная область TMO, которая разделяет два проводящих слоя TMO, тогда как в ReRAM окись переходного металла занимает полностью всю область между слоями металла.

symetrixcorp.com

symetrixcorp.com

TMO имеют неполные атомные оболочки 3d или 4d, которые проходят через переход металл-изолятор. В случае с NiO достаточно напряжения 0,6 В для записи изолированного состояния и 1,2 В для записи проводящего состояния. При этом не требуются никакие термодинамические фазовые переходы, как в традиционной ReRAM. Скорость переключения ячеек CeRAM-памяти может достигать десятки фемтосекунд, а напряжение питания при чтении составляет всего около 0,1-0,2 В. Состояние памяти остаётся стабильным даже при нагреве вплоть до 400 градусов Цельсия.

О планах коммерческого внедрения новой технологии исследователи пока не сообщают.

Soft
Hard
Тренды 🔥