SSD и ОЗУ на одной плате: как будет развиваться индустрия памяти

Всего несколько лет назад из всех компонентов ПК и ноутбуков накопители на жестких магнитных дисках больше всех тормозили работу системы. Медленный доступ к данным занимал несколько десятков миллисекунд — центральный процессор, оперативная память и видеокарта приостанавливали выполнение задач, в то время как пользователь сидел сложа руки в ожидании загрузки «тяжелых» приложений вроде Photoshop или какой-нибудь игры.

С появлением твердотельных накопителей картина изменилась — в настоящее время они постепенно вытесняют обычные жесткие диски, становясь стандартным системным диском.

В последнее время появляются жесткие диски на основе флэш-памяти, которые поддерживают не только интерфейс SATA с максимальной скоростью передачи данных в 600 Мбайт/с.

Новое поколение твердотельных накопителей использует такой же разъем, что и видеокарта, и передает данные по NVMexpress со скоростью выше 2 Гбайт/с — скучать, пожалуй, приходится разве что только во время запуска компьютера.

Однако и эта проблема скоро исчезнет: в 2016 году ожидается появление на рынке технологии памяти NVDIMM, по скорости сопоставимой с оперативной.

Суть технологии выражается в ее названии: NV расшифровывается как non-volatile — «энергонезависимый», то есть характеризует такое запоминающее устройство, которое при внезапном отключении основного питания сохраняет содержащиеся в ней данные.

DIMM — «dual in-line memory module» — обозначает форм-фактор модулей RAM с  расположением независимых выводов на обеих сторонах печатной платы. Другими словами, технология NVDIMM представляет собой гибридную память, которая объединяет накопитель и оперативную память.

Так, в будущем, чтобы включить ПК с NVDIMM, потребуется только инициализировать аппаратную часть — и все: операционная система, приложения, игры, документы и файлы будут храниться в оперативной памяти и не потребуют дальнейшей загрузки.

Нажав на кнопку, пользователь продолжит работу с того момента, где прервал ее в прошлый раз. ПК, если он еще будет так называться, сильно уменьшится в размерах, поскольку, по сути, будет состоять только из центрального процессора и NVDIMM. И разве только для любителей игр в течение нескольких лет все еще будет нужна дискретная видеокарта.

Стандарт сверхпроизводительных модулей памяти

Собственный стандарт для модулей NVDIMM JEDEC (Ассоциация инженеров, специализирующихся в области электронных устройств) анонсировала еще для 2015 года. Согласно данному стандарту, модули нового типа памяти вставляются в стандартные слоты DDR4 и определяются системой как таковые.

То есть технология NVDIMM в принципе совместима со всеми платформами, использующими DDR4, в том числе со Skylake, последним на сегодняшний день поколением процессоров для ПК от Intel.

Правда, по всей вероятности, модули NVDIMM будут основываться на формате LRDIMM (Load Reduced DIMM — модуль DIMM со сниженной нагрузкой). Отличается такой тип памяти от обычной RAM на домашнем компьютере следующим: на модуле LRDIMM дополнительно предусмотрены буферы, которые позволяют проводить одновременно несколько процессов записи и чтения, что повышает эффективность работы.

Материнскими платами ПК модули LRDIMM не поддерживаются за исключением решений для топовых процессоров с микроархитектурой Haswell-E, потому модули NVDIMM, например, Diablo Memory 1 появятся сначала для серверов и только потом для домашних ПК.

Стандарт определяет спецификации NVDIMM-N и NVDIMM-F. Модуль типа NVDIMM-N содержит как микросхему SDRAM (ОЗУ), так и микросхему флеш-памяти (SSD). Интегрированная флеш-память используется для резервного хранения данных ОЗУ на случай непредвиденного отключения питания или сбоя аппаратного обеспечения.

И если NVDIMM-N — это оперативная память с расширенными возможностями, то NVDIMM-F, по сути, представляет собой хранилище: в таких модулях нет ячеек RAM, они содержат только микросхемы флеш-памяти. Обе спецификации повышают скорость вычислительных операций с большими наборами данных (в англоязычной литературе применяется определение High Performance Computing), например, моделирования погоды или высокочастотного трейдинга.

Но чтобы технология NVDIMM стала пригодной для использования на ПК в будущем, нужно пойти еще немного дальше.

Единая платформа

Чтобы объединить накопитель и оперативную память в одном устройстве, нужно сначала разработать единый способ хранения данных. Ячейки оперативной памяти очень быстро заполняются данными, значение каждой ячейки можно менять отдельно.

Плотность записи данных не особо высокая: на один модуль DDR4 можно сохранить до 64 Гбайт. Повторная же запись ячейки флеш-памяти займет больше времени, поскольку доступ к данным, хранящимся в таком типе памяти, блочный.

Объем одного блока флеш-памяти может составлять несколько килобайт, содержит он тысячи ячеек. В отличие от ячеек ОЗУ, для записи информации в ячейки флеш-памяти требуется относительно высокие напряжения, отчего количество циклов перезаписи данного типа памяти ограничено.

Большое преимущество флеш-памяти состоит в высокой плотности записи: современные технологии позволяют создавать терабайтовые твердотельные накопители в виде NVDIMM.

В течение уже более десятка лет специалисты кропотливо работают над созданием способа хранения данных, который объединил бы преимущества оперативной и флеш-памяти. Отраслевые специалисты выделяют три технологии: Phase Change Memory — память с изменением фазового перехода, Resistive RAM — резистивную память с произвольным доступом и Spin-transfer Torque — технологию переноса спинового момента.

По производительности все три технологии близки к оперативной памяти, к тому же они хранят данные так же долго, как и обычный жесткий диск. До сих пор они были представлены только в виде прототипов и мелких серий, не пригодных для выпуска на рынок.

Ситуация изменилась летом, когда в результате совместной работы Intel и Micron разработали новый тип энергонезависимой памяти 3D XPoint, а продукты на ее базе анонсировали на 2016 год. 3D XPoint использует одну из этих трех технологий. Правда, какую именно, еще неизвестно.

Но Intel уже сообщила, что 3D XPoint выйдет в виде твердотельных накопителей, работающих с протоколом NVMe, а также в виде модулей NVDIMM. Другими словами, уже в этом году будет совершен первый шаг на пути к созданию компьютера будущего.

Фото: компания-производитель