IBM Labs: создана быстрая PCM-память, хранящая несколько бит данных в одной ячейке

05 июля 2011, 21:08

Ученые из исследовательского подразделения IBM Research корпорации IBM впервые продемонстрировали, что относительно новая технология памяти, известная как память с изменением фазового состояния (Phase-Change Memory, PCM), может надежно хранить несколько бит данных в одной ячейке в течение длительных периодов времени. Этот значительный прогресс, достигнутый исследователями, позволяет создавать более быструю, надежную и, в то же время, недорогую память для целого спектра применений, от потребительских устройств, таких как мобильные телефоны и устройства хранения данных на базе технологии облачных вычислений, до высокопроизводительных центров хранения информации корпоративного уровня.

PCM память

Сравнение DRAM, флэш, а также PCM и многоуровневой PCM-памяти по параметрам скорости, плотности, износостойкости, хранения и масштабирования, где зелёный обозначает лучший в классе показатель, жёлтый – хороший, оранжевый – средний, а красный – плохой показатель

Ученые давно искали технологию универсальной энергонезависимой памяти с гораздо большей производительностью, чем у флэш-памяти – наиболее распространенного сегодня типа энергонезависимых запоминающих устройств. Преимущества такой технологии памяти могли бы позволить компьютерам и серверам загружаться практически мгновенно и значительно повысить эффективность работы ИТ-систем. Перспективным претендентом на роль такой технологии является память PCM, которая записывает и считывает данные в сто раз быстрее, чем флэш-память, обеспечивая высокие показатели емкости хранения и не теряя данные при выключении питания. В отличие от флэш-памяти, PCM-память чрезвычайно надежна и долговечна в работе – она может выдержать не менее 10 млн. циклов перезаписи. Для сравнения: современные флэш-модули корпоративного класса выдерживают около 30 тыс. циклов перезаписи, а флэш-модули потребительского класса – 3 тыс. циклов перезаписи.

Для того чтобы осуществить эту прорывную демонстрацию, ученые IBM в Цюрихе использовали передовой метод модуляционного кодирования, чтобы смягчить проблему кратковременных отклонений параметров в многоразрядной PCM, которые вызывают изменение уровней сопротивления на ячейках памяти с течением времени, что, в свою очередь, приводит к ошибкам чтения данных. До сих пор надежное хранение данных было продемонстрировано только при записи в ячейку PCM-памяти лишь одного бита информации, тогда как о подобной возможности для многоразрядной PCM не сообщалось.

Технология PCM использует эффект изменения сопротивления, происходящего в веществе (представляющем собой сплав различных элементов), когда оно меняет свое агрегатное состояние с кристаллического, характеризующегося низким уровнем сопротивления, на аморфное (с высоким уровнем сопротивления) для хранения битов данных. В ячейке памяти PCM, где вещество с изменяемым физическим состоянием наносится между верхним и нижним электродом, изменением фазы можно управлять приложением импульсов напряжения или тока различной силы. Эти импульсы нагревают вещество, и при достижении определенных пороговых значений температуры происходит переход из кристаллического состояния в аморфное или наоборот.

Кроме того, в зависимости от величины приложенного напряжения количество молекул вещества, перешедших из одного фазового состояния в другое, различно, и это напрямую влияет на сопротивление ячейки. Исследователи использовали эту особенность для того, чтобы записать в ячейку памяти не один, а несколько битов данных. В своих нынешних экспериментах ученые IBM использовали четыре разных уровня сопротивления для хранения битовых комбинации “00”, “01” 10 “и” 11 ” (иными словами, записали в одну ячейку два бита данных).

Для того чтобы достичь продемонстрированной надежности, необходимо было осуществить критически важные технические усовершенствования процесса чтения и записи. Ученым удалось реализовать итеративный (повторяющийся) процесс записи, чтобы решить проблему отклонения значений сопротивления из-за присущей ячейкам памяти и веществам с изменяемым фазовым состоянием неустойчивости этого параметра. «Мы прикладываем импульс напряжения в зависимости от отклонения от требуемого уровня, а затем измеряем сопротивление. Если требуемый уровень сопротивления не достигнут, мы применяем другой импульс напряжения и вновь проводим измерение, и так до тех пор, пока не добьемся нужного значения», – пояснил Позидис.

Несмотря на использование итеративного процесса, ученым удалось достичь показателя времени ожидания в 10 микросекунд для наиболее неблагоприятного режима записи данных, что дает 100-кратное увеличение производительности даже по сравнению с самой современной флэш-памятью, представленной сегодня на рынке.

Для того чтобы продемонстрировать надежное считывание битов данных, ученым нужно было решить проблему отклонения уровней сопротивления. В результате структурной релаксации атомов в аморфном состоянии, сопротивление вещества со временем повышалось, что приводило к возникновению ошибок вывода считываемых данных. С целью преодоления этой проблемы ученые IBM применили передовой метод модуляционного кодирования, изначально устойчивый к эффекту отклонения значений сопротивления. В основу метода модуляционного кодирования положен тот факт, что относительный порядок запрограммированных ячеек с различными уровнями сопротивления со временем остается, в целом, неизменным.

Используя эту методику, ученые IBM смогли смягчить проблему отклонения значений сопротивления и продемонстрировать возможность долговременного хранения битов данных в подмассиве из 200000 ячеек своего экспериментального КМОП-чипа памяти PCM, произведенного с применением 90-нм технологического процесса. Экспериментальный чип PCM-памяти был спроектирован и изготовлен учеными и инженерами в Берлингтоне, штат Вермонт; Йорктаун-Хейтс, штат Нью-Йорк; и Цюрихе, Швейцария. Эксперименты, которые длились более 5 месяцев, показали, что многоразрядная память PCM может достичь уровня надежности, пригодного для коммерческого применения.

Исследования IBM Research – Zurich по проекту PCM будут продолжены в недавно открытом Центре нанотехнологий им. Герда Биннига и Генриха Рорера (Binnig and Rohrer Nanotechnology Center ). Этот центр, который совместно управляется IBM и Высшей технической школой Цюриха (ETH Zurich) в рамках стратегического партнерства в области нанонаук, предлагает передовую инфраструктуру, в том числе большую «чистую комнату» для микро- и нанопроизводства, а также шесть помещений, свободных от шумов и помех – особо экранированных лабораторий для высокоточных и сверхчувствительных экспериментов.

Ранее редакция THG.ru отметила, что у новейшей линейки платформ Intel такие же требования к памяти, как и у P55 Express, но всё же некоторые из модулей оперативной памяти, предназначенных для этой платформы, спроектированы по-другому. В новом обзоре на страницах THG.ru рассмотрены все эти отличия. Целью сравнения стал поиск лучшего по соотношению производительность/цена двухканального набора памяти на 8 Гбайт. О том, какие особенности памяти разных производителей выявили тесты, можно узнать в статье «Обзор восьми наборов памяти на 8 Гбайт (2х4 Гбайт) для P67 Express».