У каждого вида устройств памяти есть свои недостатки. Например, NAND отличается низкой скоростью записи, память SRAM не позволяет близко размещать ячейки (и поэтому добиться высокой плотности), а также вместе с DRAM является энергозависимой – то есть обнуляется при исчезновении питающего напряжения. Именно поэтому ученые постоянно ведут поиск более совершенных технологий для решения самых разных задач.
В последнее время очень много внимания уделяют трехмерной vNAND, которая позволяет радикально повысить емкость накопителей, а также новой разработке Intel и Micron, получившей название 3D XPoint. Последняя вообще обещает быть лучше существующей памяти практически во всем, но производители пока скрывают истинную технологию работы этой энергонезависимой памяти. PR-машина Intel создала немало шумихи вокруг новой технологии, затмившей не менее перспективные разработки, такие как MRAM или Magnetoresistive RAM.
Магнитный момент или электрический заряд?
Проблема создания быстрой и энергонезависимой памяти стоит перед компьютерной отраслью с момента появления первой вычислительной машины, и на данный момент она не решена. Посудите сами – мы используем в наших компьютерах оперативную память DRAM для скоростных задач, а накопители SSD (обычно на микросхемах NAND) для достижения высокой емкости хранения информации. Теоретически, исправить эту несправедливость и создать промежуточное решение способны магниторезистивные эффекты. Если наличие бита информации в ячейке памяти будет фиксироваться не электрическим, а магнитным полем, то при отключении напряжения этот самый бит никуда не денется и останется на микросхеме очень долго (пока вы не подойдете к блоку с огромным магнитом). Исследование этой возможности началось еще в первой половине ХХ века и более 50 лет оставалось в разряде теоретических изысканий, пока не были созданы первые прототипы MRAM. В нашей стране тоже проводились работы по созданию магниторезистивной памяти для применения в военной и аэрокосмической областях. Но только в 2006 году на рынке появился первый коммерческий магнитный чип. Его изготовила компания Freescale Semiconductor, которая отделилась от Motorola в 2004 году. И первым магниторезистивным «единорогом» стал модуль MR2A16A, способный вмещать 4 Мбит данных.
Технология работы MRAM
С технической точки зрения MRAM сильно отличается от других перспективных видов памяти – того же 3D XPoint или сегнетоэлектрической памяти (FRAM), так как в основе MRAM лежат магнитные элементы памяти, работающие по принципу магнитного туннельного перехода (MTJ – magnetic tunnel junction).
Чтобы понять суть этого эффекта, погрузимся немного в теорию полупроводников. Каждая ячейка MTJ состоит из управляющего транзистора, а также двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким слоем диэлектрика (туннельный слой). Первый слой представляет собой постоянный магнит, имеющий определенный и четко фиксированный вектор магнитного поля. А вот второй ферромагнитный слой – это уже переменный магнит, который меняет свою поляризацию (направление намагниченности), например, в зависимости от приложенного магнитного поля.
Определить значение бита в ферромагнитной ячейке можно, проверив совпадают ли векторы намагниченности двух слоев или они противоположны друг другу. Благодаря эффекту туннельного магнитосопротивления, при одинаковой поляризации ферромагнитных слоев электрическое сопротивление ячейки уменьшается, и такое положение вещей считается логическим нулем. В противоположном случае сопротивление ячейки определяют проводящие свойства диэлектрика в чистом виде – и ячейка сохраняет значение логической единицы. Управляющий транзистор в данном случае выполняет роль «тестера», который пропускает ток через ячейку, чтобы определить, какое значение бита в ней записано.
Эволюция и появление STT-MRAM
Известная проблема памяти MRAM заключается в записи значения в ферромагнитную ячейку. Изначально для этого нужно было приложить формирующее магнитное поле. Однако это весьма затратно с точки зрения расхода электроэнергии (что ставило крест на MRAM для мобильных устройств), а также ограничивает развитие технологии, ведь при переходе на меньший техпроцесс будет все сложнее создать точечное магнитное поле, которое не испортит данные в соседних ячейках.
Как ответ на эти вызовы была разработана улучшенная технология STT-MRAM (spin-torque-transfer MRAM). В самом принципе хранения информации ничего не поменялось, но вот метод записи стал в корне иным. В STT-MRAM происходит перенос спина электронов, попадающих в свободный слой. В нормальных условиях электроны вращаются в разные стороны, но если специально направлять в свободный ферромагнитный слой предварительно ориентированные носители заряда, поляризация будет меняться в соответствии с тем направлением, которое имеет момент импульса поступающих электронов. Проще говоря, перезапись информации в ячейке происходит путем направления специально подготовленных электронов с одинаковым спином.
Изначально спин электронов для записи в памяти STT-MRAM формировался в той же плоскости, что и сами ферромагнитные слои. Однако перенос спина в перпендикулярную плоскость позволил уменьшить ток переключения ячейки, а также ее размер, увеличивая плотность размещения ячеек на кристалле. И теперь STT-MRAM действительно начинает походить на память будущего, которая сможет объединить в себе лучшее из двух миров.
В поисках своей ниши
Прежде чем мы сможем говорить о замене SRAM или DRAM, технология STT-MRAM должна изрядно повзрослеть, преодолеть «детские болезни», которые обязательно появятся, и доказать свою надежность. Но учитывая, что коммерческие образцы новой магнитной памяти уже существуют, для нее могут найтись специфические ниши.
Например, в SSD-накопителях и RAID-системах пока часто используются микросхемы DRAM, которые хранят кэшируемые операции. Но при отключении питания все данные с DRAM стираются. Это может стать проблемой, если важная информация еще не успела сохраниться на диске и поэтому в SSD устанавливаются конденсаторы, а в RAID-системы – дополнительные батареи. Они должны помочь записать всю информацию до полного отключения питания. Эти элементы деградируют со временем, конденсаторы и аккумуляторы увеличивают стоимость готовых продуктов и делают их более сложными. Тем временем STT-MRAM, как энергонезависимая память, может решить этот вопрос, и сейчас производители таких чипов активно продвигают подобный метод их использования.
Мы в Kingston тщательно следим за развитием всего спектра новых технологий памяти, но для коммерческих продуктов используем только зрелые решения, зарекомендовавшие себя и показавшие высокие уровни надежности. Учитывая сегодняшнюю ситуацию, не исключено, что через несколько лет STT-MRAM или еще более совершенная модификация этой памяти окажется быстрее и надежнее существующих сегодня решений, но пока эти технологии находятся в стадии первых экспериментов и не готовы работать в качестве тех самых универсальных накопителей, можно выбрать лучшие из существующих решений, к которым, несомненно, относятся и наши модули оперативной памяти.
Подписывайтесь и оставайтесь с нами — будет интересно!
Для получения дополнительной информации о продукции Kingston и HyperX обращайтесь на официальный сайт компании.
Источник
