Об Intel Optane и прочих вариантах хранения информации

Заинтересовала меня статья aisergeev об Intel с их технологией 3D XPoint. В статье указано, что это технология хранения информации не боящаяся утечки электронов, что в общем-то принято называть энергонезависимой памятью. Замечательно что подобные технологии приходят в нашу жизнь. На данный момент среди твердотельных энергонезависимых устройств хранения информации, наиболее широко распространены usb flash и ssd. Но, у них есть минусы в виде этой самой утечки электронов, что в свою очередь накладывает ограничения на срок хранения информации. Очевидно что Intel выпустил принципиально иной тип памяти, раз уж запись в нём не зависит от утечки электронов.

Очень меня заинтересовала как именно Intel создали свою память. Я поискал в сети и хочу поделиться с вами возможными вариантами этой технологии.

Одними из первых используемых цифровых типов памяти без утечки, является устаревшая ныне память на магнитных доменах — «Память на магнитных сердечниках».

Эта технология претерпевает множество разветвлений и преобразований. Наиболее часто упоминаемые это MRAM и STTRAM, также разрабатывается MELRAM но, эта технология разрабатывается в более узком, сугубо научном кругу (коммерциализации видимо ещё не получила).

MRAM (magnetoresistive random-access memory) магниторезистивная память прямого (произвольного) доступа использует квантомеханический эффект туннельного магнитосопротивления, состоит из ячейки с двумя ферромагнетиками разделёнными диэлектриком толщиной около 1 нм, транзистора считывающего состояние(проводимость) этой ячейки и разнообразных типов записи состояния этой ячейки. Запись производится электромагнитной индукцией.

Эта технология весьма требовательна к размеру ячейки, поскольку производимое двумя проводниками электромагнитное поле имеет довольно большой размер и при маленьких размерах ячеек будет перекрывать соседние ячейки.

STTRAM — магнитная память произвольного доступа с вращающим моментом (STTRAM — spin-transfer-torque random-access-memory) тоже самое (STT-MRAM — Spin-transfer torque magnetic random access memory).

Технология этой памяти основана на спиновой электронике. Ячейками памяти являются полупроводниковые ферромагнетики изменяющие свою проводимость от приложенных к ним спин-поляризованных электронов. Верхний слой ферромагнетик меняющий свою полярность от спин-поляризованного тока, второй слой — это барьер изменяющий своё сопротивление электрическому току в зависимости от окружающего магнитного поля, нижним слоем является постоянный магнит. При совпадении направленности магнитных полей сопротивление барьера падает, и наоборот растёт если направления полей различаются. Возможно это научно популярное объяснение полупроводникового ферромагнетика, возможно наоборот, не достаточно информации.

Чтение состояния производится посредством измерения сопротивления протекающему току, запись производится подачей спин-поляризованного тока. Функционирующие образцы имеют скорость чтения/записи 20 нс и выполнены по 90 нм технологии. Наименьшая достигнутая скорость чтения/записи 2 нс. Ток записи менее 200 нА. Сопротивление ячейки в состоянии «0» 2 кОм, в состоянии «1» 4 кОм. Технология позволяет многослойное построение. Теоретическая стабильность чтения/записи более 10 в 15 степени, практически достигнутая 10 в 13 степени.
Ток требуемый для записи более чем на порядок ниже чем требуемого в MRAM.

Первые патенты и рабочая ячейка произведены и зарегистрированы Grandis 2002-2009 годах, работа ячейки вкупе с магнитным туннелированием в 2004, в связи с этим ранее 2024 года широкого распространения не ожидается. Но поскольку компания вместе с патентами была приобретена Samsung, Samsung же может первой запустить этот тип памяти в продажу.

Данная память в будущем универсальна и будет способна заменить нынешние оперативную память и флешь. Данных по температурной стабильности нет, имхо ~ -200 до +300 градусов.
зы Спинтроника весьма перспективна и в других областях.

MELRAM ячейки этой магнито-электрической памяти устроены следующим образом, первая часть состоит из пьезоэлектрической подложки, вторая из слоистого магнитоупругого материала.

Первая пьезоэлектрическая часть имеет способность деформироваться если к ним приложить напряжение и генерируют напряжение если их деформировать, вторая часть магнитоупругая и сильно меняет свою намагниченность при деформации. В рабочем состоянии при подаче электрического напряжения к первой части пьезоэлектрик деформируется и воздействует на вторую часть, магнитоупругий материал меняет намагниченность на перпендикулярное состояние, тем самым происходит запись. Чтение в этой ячейке можно производить в обратном порядке. Разрабатывается МФТИ совместно с ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН и Международной ассоциированной лаборатории LIA LICS.

Далее будут рассмотрены два совершенно иных типа памяти никак не использующих магнитные поля

Резистивная память с произвольным/прямым доступом (RRAM — resistive random access memory), ReRAM. В RRAM используется эффект способности диэлектриков под воздействием высокого электрического напряжения становиться проводниками, разделяются они по типу воздействия на диэлектрик и по размеру и расположению созданных областей проводимости. По типу воздействия бывают биполярного переключения когда к диэлектрику требуется приложить одну полярность для переключения его в высокое сопротивление и другую для низкого, и однополярное переключение, когда для переключения состояния диэлектрика используют разные уровни напряжения. Области проводимости могут быть как в виде отдельных нитей причём не все они будут проводниками, так и в виде больших зон становящихся проводниками, также нити и зоны могут располагаться либо по всей поверхности диэлектрика либо только возле электродов.

Ячейки памяти могут быть подключены напрямую либо через селекторы в виде диодов или транзисторов. При сборке ячеек напрямую ввиду разной проводимости отдельных ячеек очень сложно верно оценить состояние конкретной ячейки, в связи с этим к каждой ячейке подключают диод, это минимизирует утечку электронов, но не полностью, также дополнительно можно каждую ячейку включать через транзистор, это увеличит скорость и точность чтения ячейки, но значительно усложнит структуру, при подключении только через диоды можно создавать многомерные 3d структуры. Технология эта довольна молода и развивается практически всеми крупными производителями устройств памяти.

PCM — phase change memory (то же PCM, PCRAM, Ovonic Unified Memory, Chalcogenide RAM и C-RAM) память работающая на основе фазового перехода вещества.

Рабочим телом ячеек этого типа памяти является халькогенид, правильней было бы называть это вещество более конкретно — теллурид. Теллурид чего именно используют исследователи не известно, в вики говорится о германии и сурьме, можно лишь предположить что используются и другие редкоземельные металлы, например висмут и бериллий. В разных фазовых состояниях это вещество по разному проводит ток, будучи аморфным его сопротивление велико, в кристаллическом же состоянии сопротивление низкое и он легко проводит ток. В настоящее время от этого вещества добились 4 устойчивых состояний, от кристаллического до аморфного с двумя дополнительными переходными состояниями, благодаря этому плотность хранения информации существенно увеличивается. Первоначально в 1969 году от материала была получена скорость переключения 100 нс, а в 2006 добились уже 5 нс. В этом же 2006 году благодаря устойчивости к радиации первые коммерческие образцы начали использоваться в космосе. Многие спутники имеют устойчивые орбиты внутри поясов Ван Аллена и для них устойчивость к радиации весьма критична.

Но, ячейки PCM самопроизвольно переключается от нагрева — боятся высоких температур, и при низких температурах должны переключаться существенно медленней либо вообще разрушаться. Что требует создания либо своего специфического состава теллурида для определённых температур, либо температурно стабильных условий работы ячейки.

Но вернёмся к Intel, а Intel использует PCM. Но почему именно эта технология? Разработал эту технологию и получил первый патент Стэнфорд Овшинский , он вообще разработал огромное количество современных используемых нами технологий.

В 1970 года в сентябрьском выпуске Electronics, Гордон Мур — один из основателей Intel — опубликовал статью о PCM. Его личная заинтересованность и подвигла разработки компании Intel в этом направлении. С тех пор прошли сроки всех первичных патентов в этой области, и сейчас спустя почти 30 лет другие коммерческие организации приняли участие в дальнейших разработках и улучшениях этой технологии.

Optane — производное от латинского captans (схватывание, хватка). Температурные режимы работы из инструкции по эксплуатации Intel Optane:

Operating: 0 to 70 C
Non-Operating: -10 to 85 C

Стоит нагреть примерно на 30 градусов выше максимальной допустимой и информации не станет, это вроде понятно, но почему нижний порог хранения -10 градусов? Возможно ячейка будет просто разрушена как стеклянная банка с водой на морозе.

PCM допустимо использовать только в стационарном оборудовании находящемся постоянно в тепле и с должным охлаждением. На мой взгляд это недопустимый способ хранения информации для ноутбуков и другой мобильной техники. Нашей зимой заморозить ноутбук или телефон ниже -10 градусов легко и просто.