previous up index search
Previous: 4.7.14 Квантовые компьютеры    UP: 4.7 Прикладные сети Интернет

4.7.15 Устройства памяти

Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)

Твердотельная память
Использование высокочастотных звуковых волн для увеличения плотности магнитной записи
Запоминающие устройства терагерцного диапазона
Новая ферромагнитная память
Новая объемная долговременная память с оптической записью
Повышение плотности записи на магнитную ленту в 74 раза (2014г)
Память RRAM типа
Графеновые флэшки, графеновые суперконденсаторы и приборы на основе 3D-структур
MRAM - магнито-резистивные устройства памяти
Nano-RAM - память на основе нанотрубок
Жесткие диски с заполнением гелием
Удвоение плотности записи на жестком диске
Новые молекулы - альтернатива SSD

Ниже идет речь о динамике развития технологий изготовления чипов оперативной памяти, а также о компонетах SSD и жестких дисков. По мере роста емкости таких приборов размер ячейки памяти уменьшается и логической единице соответствует меньшее число электронов в выходном сигнале. А это ухудшает отношение сигнал-шум. Проблему не может решить процедуры восстановления (refresh), так как коррекция выявленных ошибок является вероятностной и при большом числе циклов ошибки неизбежны. Можно лишь уменьшать вероятность ошибки путем увеличения избыточности и/или усложнения алгоритма коррекции ошибок. Другим способом уменьшения частоты ошибок является понижение рабочей температуры и, таким образом, снижение уровня тепловых шумов.

Объемы данных в мире ежегодно удваиваются, а цены в расчете за мегабайт падают (см. рис. 1).

Рис. 1. Падение стоимости памяти из расчета на мегабайт (Chip 03/2016, стр. 10)

Твердотельная память

В последние годы стала быстро развиваться технология Flash-памяти, на основе которой будут разрабатываться драйвы, призванные заменить HDD. Смотри рис. 2 (Computerworld (Россия) январь 2011). Но HDD (жесткие диски) пока более безопасны, по сравнению с SSD.

Рис. 2. Тенденция развития технологии твердотельных драйвов (SSD - Solid State Drive). S-ATA - Serial Advanced Technology Attachment; SAS - Serial Attached SCSI; FC-AL - Fibre Channel Arbitrated Loop.

Традиционные системы памяти большого объема базируются в основном на жестких дисках, которые могут вращаться со скоростью 15000 оборотов в минуту. Это накладывает определенные ограничения на время доступа к данным. Альтернативой им могут со временем стать твердотельные системы памяти, например, SSD. Все мы уже привыкли работать с флэшками. У этих устройств время выборки может быть в 100 раз меньше, чем у HDD. Но SSD пока обеспечивают ограниченное число циклов записи-чтения (~10000), да и удельная стоимость SSD пока выше, чем у традиционных HD. SSD уже сегодня могут обеспечить быстродействие 500000 - 1000000 IOPS (операций ввода-вывода в секунду).

В последние годы разработано большое разнообразие различных устройств твердотельной памяти.

Выпускается три разновидности SSD:

SLC (Single-Layer Cell) обеспечивает до 100000 циклов чтения-записи.

MLC (Multi-Layer Cell) обеспечивает до 3000-10000 циклов чтения-записи.

eMLC (enterprise Multi-Layer Cell) обеспечивает до 30000 циклов чтения-записи, но относительно дешевы (дешевле чем SLC).

Эти устройства используются в фотоаппаратах, мобильных телефонах и в качестве внешних переносимых устройств памяти (вспомним USB-флэшки).

Выпускаются и модули памяти, подключаемые к базовой плате персонального компьютера. PCI Express является твердотельной памятью (PCIe-SSS), которая может непосредственно устанавливаться на PCI-шину компьютера.

SAS или SATA SSD подобны традиционным жестким дискам, они используют тот же тип интерфейса и те же программные драйверы. Но программы для работы с SSD должны все же отличаться от традициронных. Здесь следует исключить процедуры дефрагментации и учитывать ограниченность полного числа циклов чтения-записи. Скорость чтения-записи таких устройств достигает 1.8/1.2 Гбайт/c, максимальное число циклов чтения записи составляет 10000-100000. Цена гигабайта памяти для SSD-накопителей пока заметно выше гигабайта HDD. Достигнуты емкости SSD-накопителей порядка 1Тбайт. Использование SSD может увеличить быстродйствие дисковой системы памяти в 10 раз.

Основным недостатком SSD на сегодня является ограниченный срок жизни. Эти устройства хорошо работают при чтении, но быстро деградируют при частых циклах записи. По этой причине нежелательно использовать SSD в режиме произвольного доступа. SSD дают хороший эффект в качестве кэша, например, в системах NAS (Network Attached Storage). Кэш на базе SSD может существенно улучшить рабочие параметры системы памяти.

Не следует использовать SSD общего назначения в высоко виртуализованной среде. SSD хорош для стартовой загрузки системы. SSD неэффективен на сервере для облегчения входных/выходных узких мест. Вообще SSD эффективен, если отношение чтение/запись составляет 9/1, если же это отношение равно 1/1, применение SSD нежелательно.

Компания Samsung начала поставку SSD (PM1633) емкостью до 15ТБ (2015г). Для производства использована 48-слойная технология 3D Vertical NAND (V-NAND). Быстродействие устройства составляет 160,000 и 18,000 in/out операций в сек при скоростях чтения/записи 1100Mбит/c и 1000Mбит/c, соответственно. В 2016 году компания Samsung предложила переносные миниатюрные (2,9"x2,3") устройства памяти емкостью 2 TB Т3 (см. "Review: Samsung's business card-sized, 2TB SSD nears internal drive speeds", Lucas Mearian, Computerworld, Feb 24, 2016). См. рис. 3. Устройство рассчитано на работу с интерфейсом USB 3.1. Прибор работает с интерфейсами SATA на скорости не менее 100 Мбит/c.

Рис. 3. Переносное устройство памяти (Samsung) с емкостью 2 TB

Плотность записи для магнитных носителей на квадратный дюйм растет почти экспоненциально, что можно видеть на рис. 4 (масштаб по вертикали логарифмический). За 57 лет плотность записи увеличилась в 500 млн. раз. Cтоимость гигабайта памяти падает на 28-48% в год. В 2016 году SSD позволили получить скорость передачи данных 1700МБ/сек при емкости 4 Тбайт. (См. "Data storage comes into its own").

Рис. 4. Рост плотности записи в битах на квадратный дюйм по годам

Начато использование комбинаций SSD и оперативной памяти (3D XPoint и SCM (Storage Cross Memory). Эта технология позволяет в разы сократить время доступа, переведя его в наносекундный диапазон. В 2016 г ожидается появление ОЗУ емкостью 160Гбайт, прогнозируется появление устройств емкостью 512ГБ.

В 2015 году предел по разрешающей способности на кристалле достиг 13 нм для NAND, но освоение технологии 3D с числом слоев до 32 позволило сохранить прежний темп роста объемов памяти SSD.

Использование высокочастотных звуковых волн для увеличения плотности магнитной записи

Исследователи Орегонского университета обнаружили, что с помощью высокочастотных звуковых волн можно поднять плотность магнитной записи. Исследования показали, что при временном нагревании магнитного материала, он становится менее жестким и на единицу площади можно записать больший объем данных. Но нагрев распространяется за пределы нужной области. Ультразвуковое воздействие решает эту проблему. Предлагаемая технология позволяет при этом экономить также энергию.

Запоминающие устройства терагерцного диапазона

Группа исследователей из университета Айовы под руководством профессора Jigang Wang выяснили, что ультракороткие лазерные импульсы (фемптосекундного диапазона) и использование специальных материалов, обладающих колоссальным магнетосопротивлением - CMR), позволяют переключать намагниченность в 1000 раз быстрее, чем в современных устройствах памяти. В перспективе эта технология может позволить создать устройства памяти с временем перключения в терагерцном диапазоне.

<

Новая ферромагнитная память

В Network World появилась заметка "Ferromagnetics breakthrough could change storage as we know it", by Jon Gold, . Сообщение базируется на статье в журнале Nature Materials "Current-driven dynamics of chiral ferromagnetic domain walls", Satoru Emori, Uwe Bauer, Sung-Min Ahn, Eduardo Martinez & Geoffrey S. D. Beach. Автор утверждает, что эта работа полностью изменит принципы построения внешних магнитных запоминающих устройств. Показано, что создана среда, где для переключения из одного состояния в другое достаточно энергии в 100 раз меньше, чем в существующих приборах. А это означает, что необходимый ток будет меньше в 10000 раз. Для реализации этого ферромагнетик помещается между двумя другими слоями.

Данная схема позволяет заменить жесткие диски и оперативную память, например, при стартовой загрузке компьютера. При этом повышается и среднее время выборки по сравнению с жестким диском, так как исключается необходимость вращения носителя. Для хранения данных этот вид памяти не требует питания.

Новая объемная долговременная память с оптической записью

Группа исследователей из университета Саутхамптона (Великобритания) разработала технологию цифровой записи 300-кбайтных текстовых файлов в наноструктурированном стекле с помощью импульсного фемтосекундного лазера. Файл пишется в три слоя в виде точек, отстоящих друг от друга на расстояние 5 мкм. Объем записи может достигать 360 Тбайт, время хранения данных не ограничено. Разработчики назвали эту память кристаллом Супермена (рис. 5). См. "'Superman' crystals could store 360TB of data forever", by Lucas Mearian, July 12, 2013.

Рис. 5. Схема оптической записи

SLM - spatial light modulator, FL - Фурье линзы, /2 M - полуволновая матрица

Повышение плотности записи на магнитную ленту в 74 раза (2014г)

Компания Sony разработала магнитный материал, который позволит создать картриджи с емкостью 185 Тбайт (см. "Sony magnetic tape tech could create 185TB cartridges", Tim Hornyak, April 30, 2014). Будет достигнуто увеличение плотности записи в 74 раза по сравнению с существующими магнитными лентами (148 гигабит/кв.дюйм). Пространственное разрешение технологии составляет 7,7 нм.

Память RRAM типа

Компания Crossbar анонсировала новый вид памяти - RRAM (Resistive Random-Access Memory), которая может стать приемником флэш-памяти или DRAM. Память относится к неразрушаемому типу. Ожидается, что память будет миниатюрнее, быстрее и энергетически эффективнее по сравнению с NAND-флэш и RAM. Она может найти применение в смартфонах и планшетах. Эта память имеет в 20 раз большее быстродействие, в 20 раз меньше энергопотребление и в 10 раз больший срок жизни по сравнению с NAND-флэш, следует также иметь в виду, что технология производства дешевле. 1-Тбайтный модуль памяти будет в два раза меньше модуля NAND-блэш той же емкости. Планируется, что опытные образцы поступят в продажу через три года.

Ячейка RRAM имеет три слоя с ключом посередине, что позволяет определить, в каком состоянии находится ячейка (1 или 0). Верхний слой имеет металлический электрод, в то время как нижний слой имеет неметаллический электрод. Верхний слой передает ионы металла в переключающую область и в нижний слой, который формирует тонкий проводник для обеспечения соединения электродов. Приложение отрицательного заряда разрывает этот проводник и оставляет зазор между электродами, что ликвидирует сопротивление и меняет состояние ячейки. Ячейки памяти не содержат транзисторов. Данная технология напоминает технику мемристоров.

В Силиконовой долине начат проект Crossbar, в рамках которого разрабатывается технология 3D Restive RAM ("A terabyte on a postage stamp: RRAM heads into commercialization", Lucas Mearian, Computerworld, Dec 15, 2014). Ожидается, что к 2016 году по этой технологии будут созданы чипы емкостью 1ТБ (размер чипа меньше почтовой марки; рис. 6).

Рис. 6. Структура модуля 3D-RRAM

Компания Diablo Technologies совместно с Smart Storage разработали флэш память, которую можно вставлять в разъемы DDR3 (см. "Smart and Diablo launch Ulltra DIMM memory channel storage", Antony Adshead, ComputerWeekly). На одной карте может размещаться 200 или даже 400 Гбайт. Для серверов с 48 разъемами расширения речь может идти о доведении объема памяти до десятков терабайт.

Компания Seagate разработала новую технологию записи на жесткий диск с привлечением разогрева (см. "Seagate, TDK show off HAMR to jam more data into hard drives", Stephen Lawson, September 30, 2013). Технология HAMR (Heat-assisted magnetic recording использует при записи на жесткий диск тепло от лазера. Это позволяет осуществить более плотную запись. Seagate рассчитывает выйти на рынок с такими устройствами в 2016 году. Плотность записи там будет достигнута на уровне 1 Тбита на квадратный дюйм. Сегодня достижима плотность 750 Гбит/кв.дюйм. к 2020 году компания предполагает достичь плотности 5 Тбит на кв. дюйм. Тогда жесткий диск будет иметь емкость до 20 Тбайт. Увеличению плотности записи будет способствовать использование технологии нанотрубок, которая позволит уменьшить зазор между записывающей головкой и поверхностью диска. Другими технологиями, которые планируется применить для наращивания плотности записи, являются BPM (Bit Patterned Recoding) и SMR - Shingled Magnetic Recording;.

Компания Seagate намерена выпустить жесткие диски емкостью 14 и 16ТБ в течение ближайших 18 месяцев (см. "Seagate's roadmap includes 14TB, 16TB hard drives within 18 months", Agam Shah, IDG News Service, January 26, 2017). Ближайшие три года (к 2020) Seagate рассчитывает предложить устройства емкостью 20 ТБ. Выпускаемые сегодня 10-терабайтные диски стоят 400$.

На рис. 7 показана эволюция технологий, используемых в жестких дисках высокой плотности записи до 2025 года (см. "Want a 100TB disk drive? You'll have to wait 'til 2025", Lucas Mearian, Computerworld, Nov 25, 2014). ASTC - Advanced Storage Technology Consortium; CAGR - Compound annual growth rate. Ожидается, что к 2025 году технология HAMR позволит получить плотность записи 10 Тбит на кв. дюйм. Из этого следует, что 3,5-дюймовый HDD сможет иметь емкость 100 Тбайт

Рис. 7. Эволюция технологии жестких дисков до 2025 года

Графеновые флэшки, графеновые суперконденсаторы и приборы на основе 3D-структур

Некоторые компании надеются запустить в производство новый вид флэш-памяти на основе графена с емкостью 32 ГБ (см. "Graphene sticky notes may offer 32GB capacity you can write on", Lucas Mearian, December 18, 2013). Эти устройства будут иметь вид гибких пленок ODTS (Optical Data Transfer Surface) с возможностью беспроводного считывания, смотри рис. 8.

Рис. 8. Графеновые наклейки-флэшки

По мнению специалистов компании со временем такие устройства смогут заменить диски в современных компьютерах. Такие пленки могут наклеиваться на любые поверхности (экраны дисплея или мобильного устройства) и передавать данные беспроводным образом. Графеновая флэшка содержит три слоя: внешний защитный; графеновый слой и нижний защитный с проводящей клейкой поверхностью (см. рис. 9).

Рис. 9. Устройство графеновых флэшек

Исследователи из университета Rice несколько лет тому назад продемонстрировали устройство графеновой памяти с толщиной в 10 атомов. Это устройство может сохранять работоспособность до температры 200Со. Существующие SSD менее устойчивы в отношении условий внешней среды. Эти флэшки будут иметь разные цвета (см. рис. 10).

Рис. 10. Разноцветные графеновые флэшки

Графеновые флэшки - это лишь первый шаг на пути использования графеновых технологий. См. "Graphene Supercapacitors - What Are They?", Jesus de La Fuente / CEO Graphenea. Графеновые конденсаторы могут иметь емкость 250 фарад на грамм при теоретическом пределе 550ф/Г. Эти конденсаторы могут иметь емкость 64 Вт-час/кг при токе 5 А/г, что сравнимо с емкостью современных литиевых батарей. Конденсатор на 100 В с емкостью 1 ф будет иметь высоту 220 мм и вес около 2 кГ. Что особенно важно, графеновый суперконденсатор можно зарядить за 16 секунд и он выдержит 10000 циклов перезарядки без заметного снижения емкости. Одним из применений графеновых конденсаторов могут стать электромобили (см. "Graphene Supercapacitors Ready for Electric Vehicle Energy Storage, Say Korean Engineers", November 12, 2013, MIT Technology Review). Лучшие литий-ионные аккумуляторы сегодня имеют плотность энергии 150-200 Вт×час/кг. Прототипы с кремниевыми нанотрубками и графитовым покрытием могут имеют емкость до 350Вт×час/кг.

Исследователи из университета Оксфорда, Стенфорда, Беркли и Розерфорда нашли материал (Na BiO3 - 3DTDS - полуметалл Дирака), подобный по структуре графену, который может иметь трехмерную структуру и пригоден для изготовления быстродействующих транзисторов и жестких дисков с высокой емкостью (см. "3D graphene-like material could lead to super electronics", Lucas Mearian, January 21, 2014) . Ожидается, что этот магниторезистивный материал позволит создать жесткие диски в 10 раз более емкие, чем лучшие существующие.

MRAM - магнито-резистивные устройства памяти

MRAM (magnetoresistive random access memory) (см. "Flash storage alternative MRAM takes another step forward", Antony Adshead) делает первые шаги. Эта технология обеспечивает большую плотность записи, произвольную выборку и высокое быстродействие. Время доступа составляет несколько наносекунд по сравнению сотнями микросекунд у современных флаш-ЗУ. Устройство имеет многослойную структуру, где основной слой памяти имеет толщину 1 нм. Современная технология MRAM позволяет хранить данные лишь около года. Ожидается, что после усовершенствования технологии это время можно будет увеличить на порядок. Группа из Национального университета Сингапура получила патент и расчитывает привлечь партнеров для доработки технологии. В сущности MRAN является одним из кандидатов, которые со временем заменят современные SSD.

Nano-RAM - память на основе нанотрубок

Разработан новый тип автономной памяти Nano-RAM (NRAM) (см. "Nantero's carbon-nanotube memory could replace SSDs and DRAM", Agam Shah, IDG News Service, June 2, 2015). В микросхеме использована технология углеродных нанотрубок с разрешением 15 нм (в перспективе может быть достигнут предел в 5 нм). Устройство допускает 1012 циклов записи и 1015 циклов чтения, скорость обмена может составлять 2400 Мбит/c. Эти приборы памяти могут работать при температурах вплоть до 300 градусов Цельсия. В перспективе они смогут заменить современные SSD. Смотри также "Fab plants are now making superfast carbon nanotube memory", Lucas Mearian, Computerworld, June 2, 2015. В заметке описан принцип работы памяти на нанотрубках.

Рис. 11. Внешний вид модуля памяти на нанотрубках

Жесткие диски с заполнением гелием

Ожидается, что к 2016 году будет использоваться более 100 млн. жестких дисков с гелиевым заполнением. Смотри статью "Helium-filled WD drives promise huge boost in capacity", Lucas Mearian. Гелиевое заполнение понижает трение, на 23% снижается потребление энергии, а емкость повышается на 40%. Температура драйва при этом также понижается на несколько градусов. Уже сегодня доступны драйвы с емкостью 4 Тбайт, в ближайшее время появятся драйвы с емкостью 5,6 Тбайт. Смотри “Helium-filled hard drives take flight, bump capacity to 6TB”, Lucas Mearian, Computerworld, November 04, 2013. Напомним, что первый жесткий дис имел емкость 5 Мбайт, а флоппи-диск всего 80 килобайт.

В современных драйвах плотность записи составляет 500000 дорожек на дюйм, что ограничивается турбулентной нестабильностью позиционирования головок.

В литературе отмечается, что новые диcки типа Blu-ray могут иметь время жизни в несколько раз больше, чем у DVD. Большинство CD и DVD используют оптическую окраску для записи данных, а это означает, что любое изменение окраски со временем может вызвать искажение данных при считывании (время жизни не более 5 лет). В новых Blu-ray запись формирует объемный профиль, как письмена на камне.

Интерфейс SATA-IO сегодня может обеспечить скорость обмена 8Гб/с и 16Гб/с.

Удвоение плотности записи на жестком диске

Компания Western Digital обещает удвоить плотность записи на жестких дисках за счет использования нанотехнологии. Для записи одного бита планируется выделить около 10 нм или около 50 атомов. Это соответствует плотности 1,2 триллиона элементов на квадратный дюйм.

Новые молекулы - альтернатива SSD

Сообщается (из МТИ) о технологии, которая может позволить создать запоминающие устройства, способные запоминать в 1000 раз больше информации. Для запоминания будут использоваться отдельные молекулы. В этом виде памяти будут применены молекулы, синтезированные в Индийском институте Научного Образования и Исследований - IISER (Indian Institute of Science Education and Research в Калькуте). ЗУ будет магнитным и сможет работать при нормальной температуре. Ожидаемая плотность записи 1000ТБ на квадратный дюйм. Ожидается, что на рынке такие ЗУ появятся в течение ближайших 10 лет. Ожидается, что такие устройства смогут сохранять данные даже при температуре 1000C.

Previous: 4.7.14 Квантовые компьютеры    UP: 4.7 Прикладные сети Интернет