Куда направляется флэш?
Теперь без флэш-памяти уже никуда. Конечно, существуют некоторые устройства, в которых технология с 16-летним стажем уже не используется. Но там, где нужна компактная, быстрая и энергонезависимая память, там без флэш-технологии уже не обойтись. Здесь в качестве примера можно привести большинство цифровых камер и сотовых технологий, а также, конечно, флэш-брелоки. Ёмкости флэш-карточек растут, буквально, не по годам, а по часам. В памяти ещё свежо появление гигабайтных карточек, а сегодня уже можно купить Compact Flash на 8 Гбайт по цене чуть меньше $1000.
Главные производители флэш-памяти Samsung, Toshiba, Spansion (AMD/Fujitsu), Intel и ST Microlelectronics из квартала в квартал получают солидный рост прибыли. Несмотря на относительно большой возраст флэш-технологии, данный рынок до сих пор развивается, поэтому объёмы производства и продаж предсказать сложно.
Впрочем, несмотря на это, разработчики и производители уже активно обсуждают преемника технологии флэш. Дело в том, что если сегодня требования рынка успешно удовлетворяются, то завтра ситуация может измениться в худшую сторону. Постоянно растёт потребность в скоростной памяти, ведь периферийные устройства тоже развиваются. Поэтому от флэш-памяти требуется всё большая скорость и ёмкость.
Широко распространено мнение, что флэш-память будет «достаточно хороша» для ближайшего будущего, но в перспективе её всё же следует заменить. По крайней мере, таково мнение индустрии. У флэш-памяти указывают такие слабые места, как ограниченная масштабируемость (то есть дальнейшее уменьшение размера ячейки не оправдывает себя), скорости записи слишком малы, а число циклов записи всё же ограничено.
Давайте посмотрим на современное состояние других современных технологий — магниторезистивной памяти (magneto-resistive RAM, MRAM), памяти на аморфных полупроводниках (ovonics unified memory, OUM) и памяти на нанокристаллах (nanocrystals) — и постараемся спрогнозировать будущее памяти до конца текущего десятилетия.
История и развитие
Intel стала первой компанией, изготовившей флэш-память и выпустившей её на рынок в большом количестве. В 1988 году был продемонстрирован флэш-чип на 256 кбит, который имел размеры коробки из-под обуви. Intel продемонстрировала преимущества флэш-памяти с помощью раннего прототипа цифрового диктофона, который с лёгкостью смог заполнить этот объём.
Изобретение Intel было названо NOR-флэшем, причём эта технология является производной чипов EPROM и EEPROM с интерфейсом SRAM. NOR-флэш имеет медленные, по сегодняшним стандартам, скорости записи и удаления, да и число циклов записи относительно невелико (около 100 000). Подобная флэш-память используется там, где нужно почти постоянное хранение данных с очень редкой перезаписью. К примеру, для хранения операционной системы цифровых камер и мобильных телефонов.
Память NOR-флэш от Intel.
В отличие от предыдущих технологий, флэш-память позволила удалять или записывать данные в разные участки за один шаг, что привело к существенному приросту скорости. Но самым главным преимуществом такой памяти, конечно, является сохранение данных без подачи энергии.
Второй тип флэш-памяти был изобретён в 1989 году компанией Toshiba и назван NAND-флэш. Новая память должна была стать менее дорогой и более скоростной альтернативой NOR-флэш. Toshiba также стала первой компанией, использовавшей слово «флэш» (с английского flash переводится как «вспышка» или «сверкание»). По сравнению с NOR, технология NAND обеспечила в десять раз большее число циклов записи, а также более высокую скорость как записи, так и удаления данных. Да и ячейки памяти NAND имеют в два раза меньший размер, чем у памяти NOR. В результате NAND-флэш даёт явное ценовое преимущество: меньший размер ячейки приводит к тому, что на определённой площади кристалла можно размещать больше ячеек памяти.
Память NAND-флэш от Infineon.
По информации разработчика M-Systems, память NAND-флэш удаляет данные всего за четыре миллисекунды, а NOR-флэш на эту операцию требуется пять секунд. Причиной является большой размер блока NOR — от 64 до 128 кбайт. NAND, напротив, использует блок меньшего размера — между 8 и 32 кбайт. Из-за лучшей производительности в карточках памяти (CompactFlash, SmartMedia, SD, MMC, xD и т.д.) обычно используется NAND-флэш, то же самое можно сказать и про USB-брелоки.
Большой бизнес: прибыльный рынок флэш-памяти
Даже быстрого взгляда на сегмент флэш-памяти в полупроводниковой индустрии будет достаточно, чтобы понять его развивающийся характер. Здесь нет чётких лидеров, и каждый квартал происходит новая битва за рынок, иногда приводящая к изменению расстановки сил.
Примерно год назад Intel впервые пришлось оставить свой «трон» лидирующего производителя флэш-памяти из-за стратегической ошибки, причём компания ушла аж на четвёртое место позади Samsung, Toshiba и Spansion (AMD/Fujitsu). Intel попыталась вернуть свои позиции лидера рынка, заставляя своих клиентов заключать долговременные соглашения. Но постоянные клиенты, предпочли её конкурентов. Во втором квартале этого года Intel всё же смогла несколько улучшить прибыли.
Компания AMD-Spansion, изготавливающая как NAND-, так и NOR-флэш, обогнала Intel в первой половине этого года, став крупнейшим производителем доходной памяти NOR ($846 миллионов против $785 миллионов). Компания за первые шесть месяцев смогла заработать на флэш почти $1,3 миллиарда, что составило больше половины дохода родительской компании ($2,5 миллиарда). Обе компании, Intel и AMD, смогли увеличить свои рыночные доли за последние полгода, в то время как у Samsung и Toshiba они уменьшились.
По сентябрьскому отчёту iSuppli рынок флэш-памяти выглядит следующим образом:
iSuppli предполагает, что объём прибылей рынка флэш-памяти в этом году составит около $16,6 миллиарда, что примерно на 46% больше, чем в 2003 году ($11,64 миллиарда). Основными движущими силами такого роста, помимо всего прочего, является рост объёмов памяти у цифровых камер, а также увеличение числа USB-брелоков и компактных MP3-плееров. Для 2005 года ожидается рост рынка до $17,5 миллиарда (рост 5%).
Процентный рост между 2005 и 2008 ожидается менее драматичный: к 2008 году iSuppli ожидает увеличение рынка до $22,4 миллиарда.
Нужен преемник?
Учитывая небольшое время жизни большинства информационных технологий, флэш-память можно считать ветераном индустрии, поскольку ей исполнилось уже 16 лет. Но флэш-память не особо успешно продвигалась на массовый рынок до середины 90-х годов. А бизнесом с оборотом больше миллиарда флэш-память стала только после 2000 года. Доктор Питер Кюшер (Peter Kücher), президент и управляющий Infineon Technologies Flash, считает, что нас ожидает резкий рост продаж флэш-памяти, поэтому Infineon сегодня пытается расширить своё присутствие на этом рынке.
Сегодня Infineon производит 170-нм флэш-память, но в ближайшем будущем ожидается переход на 50-нм техпроцесс.
Стефан Лай (Stefan Lai), вице-президент Intel Technology and Manufacturing Group, согласен со своим коллегой. Он не видит каких-либо шансов того, что другая технология памяти сможет заменить флэш-память по ёмкости до 2008 года. «Мы только начали разрабатывать 45-нм флэш-память, которая выйдет на рынок в 2008 году». До этого момента, в 2006 году, Intel представит 65-нм поколение флэш-памяти. И после 2008 года вполне вероятно дальнейшее совершенствование техпроцесса. «Конечно, наше видение двух-трёх будущих технологических поколений памяти несколько ограничено. Но мы всё же считаем, что флэш-память можно перевести на 32- и 22-нм техпроцесс. Дальнейшие прогнозы делать пока слишком рано». Как считает Лай, лучшие возможности для появления новых технологий наступят между 2008 и 2010 годами.
Несмотря на все рассуждения вокруг возможного преемника, флэш-память по-прежнему хорошо подходит к условиям рынка. Будущие конкурирующие технологии должны обеспечивать не только энергонезависимую память типа флэш, но и обгонять её по скорости и циклам записи. Да и чипы должны быть дешевле в производстве. «Ячейка памяти должна иметь достаточно малый размер, чтобы производство памяти было выгодно, — объясняет Кюшер. — Из-за низкой плотности интеграции новые технологии пока ещё не составляют серьёзной угрозы для флэш. Мы не думаем, что достигли предела в развитии флэш-памяти.»
Sandisk, крупнейший в мире производитель карточек памяти флэш, также признаёт, что в ближайшем будущем флэш нечего бояться новых технологий. «Уже несколько лет мы слышим горячее обсуждение новых технологий, но на рынке так ничего и нет», — говорит Вес Брювер (Wes Brewer), директор по производству и маркетингу Sandisk. Сегодня, по его словам, компания изготавливает 4-гигабитную память, при этом текущая ёмкость в ближайшие год-полтора должна возрасти, как минимум, в четыре раза.
Вес Брювер, директор по производству и маркетингу Sandisk.
При этом, Вес не считает, что флэш-память слишком медленно работает и имеет слишком мало циклов записи. Благодаря 32-битному RISC-процессору, интегрированному в карточку и подключённому к памяти, сегодняшние 9 Мбайт/с можно ещё увеличивать и увеличивать. Что касается будущего, то в планах Sandisk значится параллельная запись и чтение — одновременно на несколько чипов. Здесь используется «примитивный» подход размещения нескольких чипов флэш-памяти друг на друге. «Это позволит нам увеличить пропускную способность», — сообщил Брювер. Несмотря на это, Sandisk не строит иллюзий: «Что касается ближайших двух-трёх лет, то я не вижу причин переходить на другую технологию. Но это отнюдь не означает, что мы не сможем реализовать новую перспективную технологию, когда это станет актуальным».
Хотя даже аналитики верят, что у флэш-памяти ещё есть козыри в рукаве, разговоры всё равно переносятся на другие, перспективные стандарты. «В ближайшем будущем может возникнуть угроза появления преемника, пэтому разработчикам следует внимательно следить за рынком», — заявил Роберт Нолан (Robert Nolan), главный аналитик консалтинговой компании Nanomarkets. Однако, как сказал Роберт, флэш-память, вероятно, будет присутствовать на рынке в «том или ином виде» ещё десять лет, хотя и не в таких объёмах, как сегодня.
Нанокристаллы: расширям флэш
Компания Freescale, недавно приобретённая Motorola, работает над технологией, которая смогла бы продлить существование технологии флэш. Благодаря кремниевым нанокристаллам, она позволяет удвоить битовую ёмкость флэш-памяти. Первый чип с новой технологией был выпущен в июле 2003 года.
«Вообще, нанокристаллы нельзя назвать полностью новой технологией памяти. Лучше называть её расширением или улучшением стандартной флэш-памяти. Нанокристаллы позволяют улучшить масштабирование флэш, — отметил Дейл Вейсман (Dale Weisman) из Freescale. — В частности, эта технология позволяет снизить производственные расходы на 10-15 процентов и существенно упростить процесс производства». Производительность и надёжность новых чипов сравнимы с флэш-памятью текущего поколения, да и функциональность идентична. Дейл сказал, что Freescale и Motorola потратили около десяти лет на исследования этой технологии и теперь переходят к массовому производству.
При обсуждении нанокристаллов и будущего флэш-памяти любят употреблять слово «нанотехнологии». В принципе, каждый производитель планирует использовать нанотехнологии для флэш-памяти, но каждый понимает их по-своему. Intel, к примеру, использует определение правительства США, когда все структуры меньше 100 нанометров считаются нанотехнологиями. По утверждению Лая, Intel уже «погрузилась в нанотехнологии», поскольку компания производит флэш-память и процессоры по 90-нм техпроцессу.
В то же время, Нолан из Nanomarkets не поддерживает это определение: «Здесь нанотехнологии сведены только к размеру. Но одним из важных компонентов нанотехнологий является то, что разработка производится на уровне квантовых технологий и квантовых эффектов». Также считает и Infineon. «Нанотехнологии начинаются тогда, когда система производится на атомарном уровне, что влияет на принцип самих технологий. Сегодня мы уменьшаем размеры, но ничего принципиально нового не появилось», — объясняет Кюшер. Но даже в Infineon верят, что флэш можно расширить с помощью нанотехнологий: «Но тогда весьма сомнительно, справедливо ли называть эту память флэш».
MRAM: не такая успешная
Никакая другая технология не претерпела столь большого развития, как MRAM (магниторезистивная память). В июне 2004 года Infineon представила чип с максимальной на сегодня ёмкостью 16 Мбайт. Сторонники MRAM, среди которых наиболее выделяются Infineon и Freescale, указывают на потенциал MRAM, способный «осложнить жизнь» не только флэш-памяти, но и DRAM и SRAM. Принцип MRAM заключается в использовании элементов магнитной памяти, расположенных на кремниевой подложке.
MRAM (магниторезистивная память, Magneto-resistive Random Access Memory).
Сильной стороной MRAM является бесконечное число циклов записи (для флэш-памяти оно составляет от 100 000 до миллиона циклов), а также очень высокие скорости записи и доступа. «Время, которое требуется на запись первого бита информации в чип MRAM, примерно в миллион раз короче, чем для флэш-памяти. Время чтения первого бита из MRAM меньше, чем у NOR-флэш, примерно в три раза и почти в 1000 раз меньше, чем у NAND-флэш», — утверждает доктор Герхард Мюллер, директор исследовательского отделения Memory Products Business Group в Infineon Technologies.
Freescale уже производит образцы чипов MRAM и планирует в грядущем году начать коммерческое производство памяти в виде 4-Мбит чипов. Но пока компания не выдаёт области применения новой памяти.
Критики технологии MRAM недоумевают, сможет ли когда-нибудь ячейка памяти MRAM уменьшиться до размеров ячейки флэш. По информации Infineon, размеры ячейки флэш-памяти сегодня составляют 0,1 мкм, а техпроцесс 16-Мбит чипа MRAM составляет всего 1,42 мкм. Более того, пока ещё не ясно, когда себестоимость производства MRAM сравняется с флэш.
В то же время, в компании Freescale считают, что разработка MRAM идёт намного динамичнее, чем памяти флэш. «У нас нет никаких причин верить в то, что через несколько лет MRAM будет дороже в производстве, чем флэш, — сказал Вейсман. — У нас в запасе есть ещё целых шесть-семь лет до того момента, когда MRAM обойдёт флэш-память по ёмкости и цене». Однако он так и не смог сообщить, когда точно настанет этот момент: «Всё зависит от темпов развития флэш-памяти. Freescale и Infineon верят. что MRAM является именно той технологией, которая в будущем заменит флэш и даже DRAM/SRAM. Это первый кандидат на универсальную память».
Intel OUM: аутсайдер для массового рынка
Intel вот уже четыре года продвигает свою память на аморфных полупроводниках (Ovonic Unified Memory, OUM), причём она медленно, но уверенно переход в разряд успешных рыночных технологий. Работа OUM очень сильно напоминает запись, удаление и чтение CD-RW и DVD-RW. Если в CD/DVD лазер нагревает и изменяет состояние материала халькогенида, то в OUM то же самое осуществляется электрическим током. При должном питании халькогенид переключается между кристаллическим и аморфным состояниями. Два состояния вполне подходят для хранения данных.
Но, в отличие от MRAM, разработка OUM всё ещё находится в состоянии «младенчества». Хотя тестовые чипы и вышли, они служат больше доказательством практической реализации идеи, чем демонстрацией возможностей технологии.
Если основным преимуществом MRAM является высокая скорость, то OUM нацеливается на массовый рынок и будет напрямую конкурировать с флэш-памятью. OUM предлагает существенно большее число максимальных циклов записи, чем флэш-память (десять триллионов). Со скоростью доступа 100-200 нс память OUM тоже превосходит флэш. Однако OUM и близко не подходит к MRAM, где время доступа исчисляется десятью-пятнадцатью наносекундами.
Стефан Лай полагает, что основным преимуществом OUM перед MRAM является низкая цена: «MRAM сегодня стоит довольно дорого. На данный момент мы думаем, что OUM можно производить по цене, сравнимой с однобитной флэш-памятью». Лай считает, что дальнейшая разработка сможет достичь уровня двухбитной флэш-памяти, которую Intel планирует предлагать как Strata-Flash (кстати, Spansion её уже выпускает). Но пока реального подтверждения словам нет, поскольку сегодня OUM существует только в виде компьютерной симуляции. По информации Лая, технология обладает «впечатляющими возможностями по масштабированию».
В то же время, он не дал нам информации о том, когда будет произведён прототип или образец. Поскольку в техпроцессе производства 4-Мбит чипа были сделаны существенные улучшения, планируется «значимое» увеличение ёмкости. Лай: «У нас есть планы по выпуску прототипа». Но он не пожелал выдавать какую-либо конкретную информацию, за исключением того, что высокая цена на MRAM заставляет позиционироваться эту память на нишевые рынки, а OUM может захватить массовый рынок, где сегодня доминирует флэш.
Заключение: можно не торопиться
Независимо от того, насколько активно индустрия и пресса сегодня обсуждают преемника флэш-памяти, вряд ли в ближайшем будущем мы увидим замену. Так что флэш-память сегодня является безопасной областью для инвестиций.
Но в технологиях, претендующих заменить флэш-память, недостатка тоже нет. Кроме MRAM и OUM, другие компании развивают FRAM (FeRAM), полимерную память (PFRAM), PCRAM, RAM с проводящим мостиком (CBRAM), органическую RAM (ORAM) и недавно появившуюся RAM на нанотрубках (NRAM). Но пока ничего ещё не ясно. Консалтинговая фирма Nanomarkets характеризует текущую ситуацию как «открытую гонку с небольшим преимуществом MRAM».
Те обстоятельства, что флэш-память сегодня достаточно хороша для своих областей применения, да и развитие этого вида памяти не прекращается, оставляют немного шансов возможным преемникам. MRAM и другие технологии имеют весьма небольшой шанс на успешную атаку флэш-памяти, тем более что в будущем техпроцесс должен стать ниже 50 нм. Вряд ли до 2008 года мы увидим на рынке стоящую замену. А до тех пор даже MRAM будет ограничена нишевыми рынками. Что касается Intel, то компания вряд ли будет сворачивать свой весьма успешный бизнес флэш-памяти в пользу OUM. Вместо этого Intel наверняка заработает максимально возможные деньги на флэш-памяти, а уже затем переключится на новую технологию, когда та станет достаточно эффективной против конкурирующих типов памяти.
Таким образом, до того, как MRAM и OUM смогут сравняться с флэш-памятью по объёмам продаж, пройдёт ещё несколько лет. Не забывайте, что флэш-память заменяла EPROM целых пять лет.
На данный момент ни один из полупроводниковых производителей не может дать аккуратного прогноза по поводу технологии, которая заменит флэш. В то же время, компании уверены, что любая успешная технология добавит преимущества флэш-памяти к обычным DRAM и SRAM. Таким образом, мы получим сочетание высокой скорости и автономности при оптимальной себестоимости производства. И здесь, без всяких сомнений, у MRAM самые сильные позиции.
