Революция на рынке памяти: Intel 3D Xpoint заменит RAM и SSD

Экспоненциальный прогресс в области компьютерных технологий давно следует по закону Мура, согласно которому плотность транзисторов удваивается каждые 12−24 месяца. Но особую важность в наши дни приобретают другие идеи, например, энергонезависимой памяти (Non Volatile Memory, NVM). Она представляет собой универсальную комбинацию из оперативной памяти и запоминающего устройства, которая сохраняет свое содержание после выключения компьютера. Для обеспечения этого компьютеру до сих пор требуется два компонента: ОЗУ и жесткий или твердотельный диск. Первый из них, оперативная память, должен обновляться чрезвычайно быстро, в течение нескольких секунд, иначе его содержимое исчезнет. Жесткий диск сохраняет данные постоянно, однако гораздо медленнее, чем ОЗУ. Для обработки данных операционная система сначала должна загрузить их в оперативную память и после обработки передать обратно. Значительная часть времени тратится в компьютере из-за подобных операций чтения и записи.

Память стандарта NVM в идеальном случае уменьшает это время до нуля, так как ОЗУ и жесткий диск при этом объединяются в единый носитель, что обеспечивает возможность реализации принципиально новой концепции компьютеров. Для этого новая память должна быть такой же быстрой, как модули ОЗУ, и в то же время хранить данные при отключении электропитания. Флеш-ячейки в SSD-на­копителях хотя и немного быстрее, чем жесткие магнитные диски, однако гораздо медленнее оперативной памяти. Для энергонезависимой памяти необходим более подходящий тип памяти.

Благодаря десятилетним университетским и промышленным исследованиям было выявлено три перспективных кандидата: память на основе фазового перехода (Phase Change Memory, PCM), STT-RAM и ReRAM. ReRAM, как и PCM, манипулирует сопротивлением материала, а STT-RAM использует спин электрона. Как можно заметить, PCM одерживает победу, так как эта технология хранения применяется в 3D XPoint (читается как «Crosspoint»). Хотя Intel и не использует конкретное название технологии в контексте, однако все опубликованные в отношении 3D XPoint данные указывают на это.

Переход из аморфной формы в кристаллическую

Для воплощения в жизнь PCM-нако­пи­теля требуется материал, который может находиться как в аморфном состоянии, так и в кристаллическом. Многие PCM-проекты основаны на халькогенидах — химических соединениях, состоящих из одного или нескольких элементов кислородной группы таб­ли­цы химических элементов. При этом наиболее перспективными оказались сплавы на базе германия, селена и теллура. В аморфном (неупорядоченном) состоянии эти сплавы не проводят электрический ток, а в кристаллическом — проводят. Переход из аморфного состояния в кристаллическое осуществляется путем нагрева довольно длительным слабым энергетическим импульсом. Для повторного перевода материала в аморфное состояние применяется мощный короткий импульс, расплавляющий материал, который затем вновь охлаждается в аморфном состоянии. Аморфное и кристаллическое состояния в итоге соответствуют значениям бита 0 и l.

Модуль ОЗУ объемом 6 Тбайт становится реальностью с технологией 3D XPoint, так как ее плотность записи сравнима с SSD

Внимательный взгляд на PCM-ячей­ку памяти 3D XPoint показывает, что она состоит из двух элементов, каждый из которых покрыт двумя электродами. Внизу расположен собственно элемент памяти в кристаллическом или аморфном состоянии, а над ним находится «переключатель» (Ovonic Threshold Switch), разрешающий и блокирующий доступ к элементу памяти на запись и чтение. Переключатель необходим для блокирования токов утечки к соседним PCM-ячейкам.

100 миллионов циклов записи

Управление каждой отдельной ячейкой, как и в ОЗУ, осуществляется посредством решетки из битовой и словарной шины. Флеш-память так не умеет: если SSD-контроллеру требуется изменить один бит, ему приходится перезаписать раздел размером не менее 4 кбайт. PCM-ячейки для памяти 3D XPoint производятся по технологии 20 нанометров. Соответствующие носители данных обнаруживают тем самым плотность записи информации, аналогичную современным SSD-накопителям. Она не менее чем в десять раз больше плотности в модуле оперативной памяти. Кроме того, PCM-элементы в памяти 3D XPoint сгруппированы в два слоя, что отображают символы «3D» в названии. Следует рассматривать возможность применения 32 или 48 слоев, как во флеш-памяти. Другим значительным преимуществом является срок службы. В то время как флеш-ячейки в потре­бительских SSD примерно через 5000−10 000 циклов записи больше не могут быть изменены, PCM выдерживает 100 миллионов циклов изменения фаз.

В прошлом году компании Intel и Micron объявили о запуске 3D XPoint в массовое производство. Их совместное предприятие IMFT (Intel Micron Flash Technologies) будет реализовывать эту цель. Не определена пока лишь дата производства. Так, Intel заявляет, что планирует начать выпуск накопителей XPoint-SSD уже в этом году, а по словам главы IMFT, это возможно только в начале 2017 года. Компания Intel уже в середине апреля представила прототипы, которые показали скорость передачи данных 2 Гбит/с. Более высокая скорость, вероятно, не была достигнута из-за медленного интерфейса. 3D XPoint должен появиться на рынке в 2017 году также в виде модуля памяти в ОЗУ-формате. Только тогда станет ясно, насколько быстрым является 3D XPoint и насколько он может быть пригоден в качестве универсального накопителя.