Ученые из Сингапура и Германии совместными усилиями создали микросхему резистивной памяти, которая обеспечивает не только хранение данных, но и выступает в роли компьютерного процессора.

Прорыв, обещающий привести к появлению еще более быстрых и компактных мобильных устройств, совершен благодаря весьма перспективной технологии резистивной памяти с произвольным доступом (Resistive switching Random Access Memory, ReRAM), переключение состояний в ней реализуется на основе окислительно-восстановительных реакций. Сегодняшние компьютеры вынуждены постоянно перемещать данные из оперативной памяти в процессор, который выполняет необходимые вычисления, и обратно. Из-за этого не только снижается производительность, но и увеличивается энергопотребление.

«Такой подход напоминает долгую беседу через маломощный транслятор, когда приходится тратить дополнительные усилия и время, – пояснил доцент Наньянского технологического университета в Сингапуре Анупам Чаттопадья. – Теперь же у нас появилась возможность увеличить мощность транслятора, а значит, данные будут обрабатываться быстрее».

Помимо того что новая схема экономит время и энергию, исключив пересылку данных между разнородными подсистемами хранения и процессорами, она еще и повышает по крайней мере вдвое скорость обработки данных в портативных компьютерах и мобильных устройствах.

Перекладывание на микросхемы памяти вычислительных задач еще и экономит место, ведь из устройства изымается процессор. Следовательно, появится еще более тонкое, компактное и легкое электронное оборудование. Откроются возможности и для новых дизайнерских решений в области потребительской электроники и носимых устройств.

Исследователи из Наньянского технологического университета работали совместно со своими коллегами из Рейнско-Вестфальского технического университета Аахена и Юлихского исследовательского центра. Полученные результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.

Память ReRAM, известная также под названием «мемристор», разработана при участии глобальных производителей микросхем, в том числе SanDisk и Panasonic. Чипы памяти ReRAM — одни из самых быстрых на рынке и уже доступны для приложений Интернета вещей. В 2015 году компании Hewlett-Packard и SanDisk анонсировали соглашение о совместной разработке разновидности памяти SCM (Storage Class Memory) ReRAM, которая могла бы прийти на смену традиционной памяти DRAM, обещая тысячекратное увеличение производительности по сравнению с флеш-памятью NAND.

До того как был создан мемристор, ученым были известны только три базовых элемента – резистор, конденсатор и индуктор. Мемристор стал четвертым и потребляет гораздо меньше энергии.

На протяжении многих лет память ReRAM разрабатывалась для технологий хранения, но Чаттопадья совместно с профессором Университета Аахена Райнером Вазером и Викасом Рана из Юлихского исследовательского центра впервые сумели продемонстрировать, что на ее основе можно организовать и обработку данных.

«Задача ускорения обработки является одной из самых насущных в мировой компьютерной индустрии, поскольку программное обеспечение становится все более сложным, а объемы данных, циркулирующие в ЦОД, постоянно увеличиваются», – говорится в совместном сообщении исследователей.

Троичная система исчисления

Сегодня компьютерные процессоры используют двоичную систему исчисления: данные кодируются последовательностями из нулей и единиц.

В прототипе схемы ReRAM, предложенной Чаттопадьей и другими исследователями, не два, а три состояния, что позволяет представлять и обрабатывать данные в троичной системе исчисления.

«Поскольку при хранении элементарных ячеек данных ReRAM использует различные уровни электрического сопротивления, количество состояний можно увеличить еще и выйти тем самым за рамки ограничений, сдерживающих рост производительности традиционных архитектур», – подчеркивают исследователи.

Ученые планируют разработать память ReRAM, которая поддерживала бы более трех нынешних состояний, что приведет к дальнейшему увеличению скорости вычислений.

Использование ReRAM для вычислительных операций представляется более эффективным с точки зрения затрат по сравнению с другими перспективными компьютерными технологиями.

«Благодаря использованию памяти не только для хранения данных, но и для их обработки открываются совершенно новые пути к повышению эффективности энергопотребления в информационных технологиях», – заявил Вазер.

Большинство экспертов по компьютерному железу долгое время были убеждены, что последней модификацией памяти DRAM окажется DDR4, но ситуация изменилась, и DDR5 уже находится в процессе разработки.

На недавнем форуме Intel Developer Forum было объявлено, что спецификации DDR5 представят в текущем году, а использование этой памяти начнется в 2020-м.

У DDR5 целый ряд важных преимуществ. Пользователи смогут устанавливать в ПК больше памяти, а приложения будут работать быстрее. Память DDR5 обладает более высокой плотностью ячеек и потребляет меньше электроэнергии, что приводит к увеличению продолжительности работы портативных компьютеров от батарей.

«Современным компьютерам и приложениям виртуальной реальности нужна более быстрая и компактная память, – указал Майк Ховард, возглавляющий в исследовательской компании IHS направление DRAM и памяти. – Пока многие приложения виртуальной реальности находятся на начальном этапе своего развития, но со временем пропускной способности DDR4 будет недостаточно».

Первыми представителями оборудования, в котором появятся модули DRAM DDR5, станут серверы, а еще спустя год-полтора этой памятью начнут оснащаться настольные и мобильные компьютеры.

«Серверный рынок – самая естественная цель, поскольку многие приложения, в том числе базы данных и аналитические системы, нуждаются прежде всего в больших объемах высокопроизводительной памяти», – подчеркнул Ховард.

Так, крупнейший производитель серверов компания HPE ежегодно удваивает емкость памяти своих компьютеров, что помогает справляться с постоянно увеличивающимися объемами данных, поступающих с датчиков и из социальных сетей и пересылаемых в ЦОД для анализа. Память DDR5 DRAM упростит производителям серверов решение этой задачи.

Эксперты полагали, что модули DDR4 DRAM в конечном итоге будут вытеснены новыми технологиями памяти с изменением фазового состояния (Phase-Change Memory, PCM), а также резистивной (RRAM) и магниторезистивной памяти (MRAM). Все они являются энергонезависимыми и позволяют сохранять данные при выключении компьютера. Однако эти типы памяти все еще либо находятся на этапе исследований и поиска своего пути на рынок, либо слишком дороги.

«Действующие технологии всегда обладают колоссальной инерционностью, – пояснил Ховард. – Преимуществом памяти DDR является то, что она уже существует и поддерживающие ее решения давно отработаны».

Ожидалось, что память DDR4 прослужит дольше из-за продолжающегося спада на рынке ПК. Однако персональные компьютеры обретают новую жизнь в приложениях виртуальной реальности, а разработка памяти DDR5 DRAM порождает дополнительный интерес к их модернизации.

Ежегодные объемы продаж на рынке памяти DRAM составляют около 40 млрд долл., и производители будут выпускать память DDR до тех пор, пока она приносит им прибыль. Компании не желают тратить миллиарды долларов на переоснащение своих фабрик только потому, что новые типы памяти выглядят более многообещающими в отдаленной перспективе.

Некоторые усовершенствованные типы памяти занимают определенные рыночные ниши. Так, HMC (Hybrid Memory Cube) и Wide I/O работают быстрее DRAM, но не получили пока широкого распространения. Еще один перспективный, но более дорогой тип памяти, HBM (High-Bandwidth Memory), находит применение в графических процессорах, а в дальнейшем может быть использован и в ПК.

Технология 3D Xpoint, которая может использоваться в качестве средства хранения или оперативной памяти, также могла бы вытеснить DRAM. Корпорация Intel собирается начать продажу модулей DIMM 3D Xpoint в следующем году и утверждает, что они в десять раз опережают DRAM по скорости и плотности размещения элементов. Впрочем, по мнению Ховарда, достаточно широкого распространения модулей DIMM 3D Xpoint можно ожидать не раньше чем через несколько лет.

При использовании новейших производственных технологий микросхемы памяти DDR5 DRAM будут обладать более высокой плотностью размещения ячеек и меньшими размерами. Спецификации DDR4, разработанные давно, создавались не для современных 10- и 14-нанометровых технологий, а для производственных процессов, рассчитаннных на норму проектирования 40 и 50 нм.

«Возможностей памяти DDR5 окажется вполне достаточно по крайней мере до 2025 года, а следовательно, разработчики новых типов памяти могут передохнуть, – считает Ховард. – Начало разработки DDR5 во многом объясняется имеющимися у DDR4 недостатками».

Внедрение DDR5 будет осуществляться по тому же пути, которым движется память DDR4, постепенно приходящая на смену DDR3. Поначалу она стоила очень дорого, но по мере увеличения объемов производства цены становятся все ниже.

Новый тип энергонезависимой памяти Nano-RAM (NRAM), который создан на основе углеродных нанотрубок и превосходит по скорости DRAM, изготавливается сегодня на семи заводах в различных странах мира.

По данным компании Nantero, являющейся изобретателем NRAM, экспериментами с новой памятью занимаются уже более десятка корпоративных клиентов.

«Заводы уже приступили к выпуску микросхем и подложек, – отметил генеральный директор Nantero Грег Шмергель. – Речь пока идет об опытных образцах и тестовых чипах. Прежде чем переходить к массовому производству, требуется довести их конструкцию до уровня, приемлемого для потребителей».

Пройдет, по-видимому, года два, прежде чем память NRAM начнет сходить с производственных линий в промышленных масштабах.

«Это одна из немногих технологий, которые уже вышли за пределы исследовательских лабораторий и подбираются к стадии крупномасштабного производства, – указал главный аналитик компании Forward Insights Грег Уонг. – Уникальное сочетание высокой скорости и долговечности NRAM создает условия для появления инновационных продуктов, предназначенных как для конечных потребителей, так и для корпоративных клиентов».

Потенциал NRAM позволяет создавать память, которая будет иметь гораздо более высокую плотность по сравнению с флеш-памятью NAND, широко используемой сегодня в твердотельных накопителях и флэшках с USB-интерфейсом. Норма проектирования при изготовлении флеш-памяти NAND самой высокой плотности приближается сегодня к 15 нм. У памяти NRAM этот же показатель может составлять менее 5 нм.

В последние два года компания сумела уменьшить стоимость производства памяти NRAM в 10 раз, сделав ее совместимой c КМОП-микросхемами – стандартом, используемым при выпуске процессоров и памяти DRAM.

Одним из важных преимуществ памяти NRAM перед традиционной флеш-памятью NAND является ее устойчивость к нагреванию. Она может выдерживать температуру до 300 градусов Цельсия. В Nantero утверждают, что при температуре 85 градусов Цельсия их память способна служить тысячи лет, а испытания показали, что при 300 градусах она сохраняла работоспособность на протяжении 10 лет. Ни один бит данных не был потерян.

Еще одним преимуществом NRAM является использование интерфейса DDR4. Таким образом, каждую секунду может выполняться до 3,2 млрд операций передачи данных на скорости 2400 Мбит/с – это более, чем вдвое превышает возможности сегодняшней памяти NAND. Сама по себе NRAM способна выполнять операции чтения и записи в тысячи раз быстрее NAND. Узким же местом является интерфейсная шина компьютера.

«Переключение нанотрубок из выключенного состояния во включенное и из включенного в выключенное происходит в течение интервала, измеряемого пикосекундами», – сообщил Шмергель. Пикосекунда – это одна триллионная часть секунды.

Углеродные нанотрубки отличаются очень высокой прочностью. При толщине в 50 тыс. раз меньше человеческого волоса они тверже стали в 50 раз. Благодаря прочности углеродных нанотрубок NRAM обладает гораздо более высокой износостойкостью при выполнении операций записи по сравнению с флэш-памятью NAND.

Даже лучшие микросхемы флеш-памяти NAND с кодом коррекции ошибок выдерживают лишь около 100 тыс. циклов стирания-записи. Согласно заявлениям Nantero, наработка на отказ NRAM составляет 10¹² циклов записи и 10¹⁵ циклов чтения – это фактически бесконечная величина.

Нагревание и вибрация ошибок также вызывать не должны.

Как работает NRAM

Углеродные нанотрубки выращиваются из частиц катализатора, в роли которого, как правило, выступает железо.

Память NRAM изготавливается из примыкающих друг к другу углеродных нанотрубок, которые либо касаются одна другой, либо находятся на некотором расстоянии. Каждая «ячейка» NRAM или транзистор представляет собой сеть углеродных нанотрубок, расположенных между двумя металлическими электродами. Память работает точно так же, как и другие резистивные энергонезависимые технологии оперативной памяти. Углеродные нанотрубки, не вступающие в непосредственный контакт друг с другом, имеют высокое сопротивление, соответствующее «выключенному» состоянию ('0'). У нанотрубок, находящихся в контакте, сопротивление уменьшается, что соответствует «включенному» состоянию ('1').

В последние несколько месяцев Nantero наняла более десятка специалистов по проектированию микросхем, и сегодня они занимаются созданием схем высокой плотности, в том числе трехмерных или стековых конструкций.

«Речь здесь идет о многих гигабайтах, а в перспективе и о терабайтах», – подчеркнул Шмергель.

Выпускать устройства NRAM, которые на начальном этапе будут иметь то же назначение, что и сегодняшние твердотельные накопители или платы внутренней памяти, самостоятельно компания Nantero не планирует. Но она намерена лицензировать свою интеллектуальную собственность предприятиям, разрабатывающим собственные продукты. Инженеры Nantero проектируют конструкцию микросхем для подложек памяти.

Благодаря устойчивости к нагреванию, вибрации и давлению память Nantero на базе углеродных нанотрубок уже привлекла внимание аэрокосмического гиганта Lockheed Martin и компании Schlumberger – ведущего поставщика услуг по разведке нефтегазовых месторождений и бурению. Оба предприятия являются клиентами Nantero.

Назвать имена других клиентов в Nantero отказались.

«Конечно, таким организациям, как Schlumberger, нужна память, которая будет выдерживать очень высокую температуру на нефтяных скважинах», – указал Шмергель.

Компания Nantero была основана в 2001 году и с этого момента сумела привлечь финансирование в размере 78,1 млн долл. Бывший вице-президент Intel Flash Memory Group Стефан Лэй присоединился к Nantero в качестве технического консультанта. Лэй является соавтором изобретения ячеек флеш-памяти EPROM (erasable programmable read only memory) и возглавлял команду разработчиков памяти с изменением фазового состояния (phase change memory, PCM).

«Технологии Nantero NRAM присущи уникальные черты, которые делают ее наиболее многообещающим кандидатом на роль практически идеальной памяти, – указал Лэй. – Энергонезависимость флеш-памяти сочетается здесь с производительностью и функциональностью DRAM, а также с низкой себестоимостью производства».

Бывший исполнительный вице-президент тайваньской компании Inotera Memories Йо Вен Ху тоже принимает участие в заседаниях совета директоров Nantero в качестве технического консультанта. Два завода Inotera, являющейся партнером Micron, выдают почти 10% мирового производства 300-миллиметровых кремниевых подложек для памяти DRAM.

«Доступная технология очень быстрой памяти, позволяющей хранить терабиты данных и потребляющей минимальный объем электроэнергии, обещает изменить будущее электроники, – подчеркнул директор компании Webfeet Research Алан Нибел. – На протяжении 12 лет мы занимались исследованием NRAM и сегодня аплодируем Nantero, которой в последние два года удалось сократить себестоимость выпуска в десять раз, обеспечить совместимость NRAM с КМОП и доказать жизнеспособность коммерческого производства продуктов NRAM по предлагаемой ею лицензии».