Технологии будущего: может ли память стать не электрической, а магнитной?

    Современная память, в том числе продукты Kingston, прекрасно справляется с стоящими перед ней задачами, но мир меняется и не исключено, что через некоторое время мы будем вспоминать о привычной всем DRAM, как об устаревшей технологии. Одним из кандидатов на замену является магниторезистивная память MRAM.



    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.
    Kingston Technology 71,17
    Компания
    Поделиться публикацией
    Комментарии 35
    • +5
      С MRAM, к большому сожалению, история такая же как и с «аккумуляторным прорывом» — пару-тройку раз в году появляются статьи, что вот-вот и… уже лет 10 читаю статьи подобные. Привык уже даже)
      • +1

        Суть статьи только попиарить Kingston. :)

        • +7
          тем не менее, это лучше, чем еще одна заметка про «новое революционное ICO, все спешите»
          • +9
            И лучше чем «почему вы ДОЛЖНЫ покупать фирменные чернила» =(
        • 0
          Ну, если чуток снизить планку ожиданий, то вполне себе развивается. Я вот в косилку ставлю F-RAM чип на 128 килобайт для настроек и прочего, есть и больших размеров. Стоит не так уж и дорого, с учетом отпадания необходимости в разводке схем дополнительного питания.
          • 0
            А чем он лучше обычной флешки?
            • 0
              У FRAM нет износа ячеек, или он незначителен — количество гарантированных циклов перезаписи измеряется миллионами. Присматривал себе такие чипы, в одних пишут про бесконечное количество циклов, в другой более емкой(полагаю более тонкий техпроцесс) на 32Кб указан ресурс в 10млн перезаписей. Но на то время как я смотрел эти чипы, 32Кб FRAM стоили как 4Гб FLASH. Сейчас может подешевле уже…
          • 0
            Да вроде все неплохо с MRAM — вовсю выпускается и продается. В том числе и в корпусах, совпадающих pin-to-pin с другими типами памяти, для легкой замены.
            Еще, насколько я помню, в одном из обзоров от Everspin (к сожалению, источник сейчас указать не смогу) было сказано о неограниченном количестве циклов перезаписи и изначально высокой радстойкости. Так что свою долю рынка данная память имеет и перспективы у нее хорошие, есть куда развиваться.
            • 0
              было сказано о неограниченном количестве циклов перезаписи и изначально высокой радстойкости

              Да это просто сказка была бы!
              • 0
                Давал ссылку ниже, повторюсь — документ "MRAM Technology Status", выпущенный NASA еще в 2013 году, и там сказано: «MRAM is a very attractive nonvolatile memory, thanks to its radiation hardness, low standby power, and unlimited endurance and retention characteristics.». Также много информации, включая даташиты, на сайте компании Everspin.
            • +1
              Последние лет 15 слышу о «вот-вот» прорыве в памяти. Еще в бумажных(!) журналах в 00-х читал об этом.
            • 0
              image
              • +1
                Как там дела с рандомным чтением/записью?
                • +13

                  С рандомным все отлично. Достаешь накопитель с программами из чулана, находишь считыватель (магнитофон), подключаешь к Спектруму или еще какому-то древнему ПК с поддержкой кассет, а дальше — полный рандом: или прочитает, или не прочитает.

                  • 0
                    image
                    • +1
                      К чтению/записи, боюсь, данная картинка не имеет никакого отношения.
                      Самое близкое, наверное, это парковка головок. С натяжечкой.
                  • 0
                    Технически обычный HDD это тоже магнитная память.
                  • +1
                    Смешно, конечно. Гибрид в квадрате. Ставим flash, чтобы кэшировать hdd, ставим mram, чтобы кэшировать flash.
                    • 0
                      Ну если уж смотреть на компьютер с HDD, то получим череду кэшей со специфичными свойствами и ограничениями на каждом уровне, ничего нового и особенно выделяющегося…
                      • 0
                        Я не совсем точно выразился. Сейчас в продаже есть гибридные диски, в которых flash используется для кэширования hdd. Тут предлагают делать mram кэш для уже ssh.
                    • +7
                      • –2
                        Прочитал «Технологии будущего: может ли память стать не электрической, а магической?» :)
                        • +1
                          Третий закон Артура Кларка: «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии.»
                        • 0
                          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.

                          Ничего, что уже давно везде появились тесты, и оказалось, что это очередной пшик?

                          • 0
                            Дайте ссылку на тесты что-ли?
                          • 0

                            Сейчас лучше сделать упор на надежность, объема и так хватает, чтобы файлы на флешках не портились.

                            • –1
                              Мне так нравится эта вот прикольная фигня в заявлениях типа Конденсаторы удорожают стоимость… ммдее… интересно как один ионистор делающийся из золы молотком и стоящий 0.3 цента может удорожить конструкцию а микруха елиели работающая 10 циклов в лабораттории и стирающаяся от немного намагниченной отвертки стоящая в производстве (даже в теории массовом) 5-10 долларов(против текущих 2-3 доллара)? ну как? как вы считаете покажите мне а? размер уменьшить — может быть да. Обвалить цену прошлых поколений подобной памяти — да. Но стоимость — ну нет же! никак! та и надежность… увы…
                              • +2
                                микруха елиели работающая 10 циклов в лабораттории и стирающаяся от немного намагниченной отвертки

                                Это Вы наверно про MRAM, да? (извините, у меня сложности с пониманием Вашего стиля изложения)
                                Если да, то насчет 10 циклов Вы явно погорячились, Everspin в документации пишет «Unlimited read & write endurance». Насчет намагниченных инструментов опять же Everspin указывает — «не ближе одного миллиметра при выключенном устройстве», ну так ближе и не надо в нормальных условиях. А если уж охота отверткой потыкать — можно и немагнитную взять…

                                В дополнение: есть такой документ — "MRAM Technology Status", выпущенный NASA еще в 2013 году, и там сказано: «MRAM is a very attractive nonvolatile memory, thanks to its radiation hardness, low standby power, and unlimited endurance and retention characteristics.»

                                Извините, если неправильно Вас понял.
                                • +1
                                  Вы многослойные платы сами разводили когда-нибудь? Стоимость работы человека — гораздо больше нескольких долларов, особенно если не планируется большая серия. Ну и да, размеры и количество элементов для пайки меньше, что дает еще и выигрыш на стоимости самой платы.
                                • 0
                                  Про вращение электронов доставило :)
                                  • +1
                                    Имелся ввиду спин. Дословно — вращение.
                                  • 0
                                    Кстати, в России (в Технополисе «Москва») есть завод по производству MRAM crocusnano.com, единственная полупроводниковая фабрика в России работающая с 300 мм пластинами.
                                    Правда, по моим сведениям, MRAM у них пока не очень получается.
                                    • 0
                                      О, спасибо за информацию, буду «иметь их в виду». Поискал на сайте — одна реклама и никакой конкретики. Хотел запросить информацию по продукции, но увидел новость от 28 декабря — "… у нас теперь есть четкое понимание наших дальнейших действий, и мы рассчитываем получить инженерные образцы уже в 2018 году". А я то губу раскатал…
                                    • 0
                                      <удалено> извините, ошибся веткой
                                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь

                                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                        Самое читаемое