Цифровой журнал «Компьютерра» № 117 - Коллектив Авторов

Второй «врождённый» недостаток заключается в том, что для записи на SSD-накопитель требуется приложение относительно высокого напряжения от 10 до 20 В, которое необходимо для преодоления слоя диэлектрика. Разумеется, это не лучшим образом сказывается на энергопотреблении, особенно в портативных устройствах, питающихся от аккумуляторов.

В свою очередь, при увеличении плотности ячеек для повышения плотности записи неизбежно уменьшается толщина диэлектрика, что позволяет снизить напряжение записи, — но в таком случае проблема износа становится ещё актуальнее.

И, наконец, быстродействие SSD-накопителей вовсе не настолько высоко, как может показаться. Оно впечатляет, если сравнивать с обычными жёсткими дисками, но даже не самая скоростная современная оперативная память опережает «твёрдотельники» по производительности и времени доступа как минимум в 20-25 раз.

Есть два способа, которые позволяют преодолеть ограничения по быстродействию, сроку службы и плотности записи. Можно совершенствовать применяемые материалы либо взять за основу конструкции накопителя существенно иной принцип хранения информации.

Работы в первом направлении ведутся давно различными производителями памяти, но все они пока упираются в дороговизну и неотработанность технологии. К примеру, технология SONOS (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) отличается от классической флэш-памяти тем, что плавающий затвор ячейки выполнен не из поликристаллического кремния, а из нитрида кремния (Si3N4), имеющего более однородную молекулярную структуру и потому способного лучше удерживать заряд. При этом слой диэлектрика может быть значительно тоньше, а напряжение записи — в несколько раз меньше. В современных образцах памяти SONOS, продвигаемых компаниями Philips, Spansion, Infineon и Qimonda, напряжение записи составляет от 5 до 8 В, а теоретическое число циклов записи/стирания достигает 100 миллионов, что в 1000-10000 раз выше, чем у обычной SSD.

Гораздо интереснее и многообразнее альтернативные технологии, причём некоторые из них могут появиться на массовом рынке значительно раньше «улучшенной» флэш-памяти.

Одна из самых необычных технологий — PRAM (Phase change Random Access Memory), то есть память с произвольным доступом на основе фазового перехода. В PRAM применяется тот же самый принцип, который используется в перезаписываемых оптических дисках CD-RW и DVD-/+RW. Носителем информации служит специальный материал, способный под воздействием температуры принимать одно из двух состояний: кристаллическое или аморфное. Однако в отличие от дисков, где имеют значение оптические характеристики материала в этих состояниях, здесь играет роль электрическое сопротивление, которое в кристаллическом состоянии слабое (логическая единица), а в аморфном — высокое (логический ноль).

Запись информации в PRAM осуществляется путём нагрева ячеек, а считывание — посредством измерения их сопротивления. Среди достоинств этой технологии — возможность записи информации без предварительного стирания (совсем как на «болванках», где для перезаписи достаточно стереть содержание, после чего можно записывать «поверх» старых данных), причём скорость записи может в сто раз превышать аналогичный показатель SSD-накопителей на флэш-памяти.

Микросхемы PRAM небольшого объёма (до нескольких десятков мегабайт) уже серийно производятся компаниями Hynix, Intel и Samsung и применяются в смартфонах и планшетах.

Ещё один альтернативный тип памяти, мелкосерийный выпуск которой уже начался, называется MRAM (Magnetoresistive random-access memory — магниторезистивная память с произвольным доступом). Основой ячейки памяти MRAM выступает магнитный туннельный переход, состоящий из двух магнитных слоёв, разделённых сверхтонким диэлектриком. Один из двух слоёв имеет фиксированный вектор магнитного поля, а у второго направление вектора намагниченности может изменяться под воздействием внешнего магнитного поля. Если векторы взаимно противоположны, то электрическое сопротивление ячейки высокое (логический ноль), если же они ориентированы в одном направлении, то сопротивление низкое (логическая единица).

Благодаря тому, что данные записываются в результате намагниченности, а не за счёт электрического заряда, они могут храниться более десяти лет без питающего напряжения, при этом отсутствует эффект износа, а число циклов записи/стирания практически не ограничено (более 1016). Время доступа MRAM составляет порядка наносекунды, а скорость записи примерно в тысячу раз превышает возможности флэш-памяти.

Магниторезистивная память уже порядка десяти лет (!) применяется в некоторых областях, например в космонавтике, но в ближайшее время вероятно её появление на потребительском рынке. В продвижении MRAM заинтересованы такие крупные игроки, как Hynix, IBM, NEC и Toshiba.

Интересные варианты долговременной памяти возможны и на молекулярном уровне. К примеру, память FeRAM (Ferroelectric RAM — ферроэлектрическая, или сегнетоэлектрическая, память с произвольным доступом) основана на возможности изменять распределение (поляризацию) атомов в ферроэлектрических материалах за счёт приложения внешнего электрического поля. В отечественной литературе принят термин «сегнетоэлектрик», по названию первого материала, где был открыт этот эффект, — сегнетовой соли.

Принцип работы FeRAM заключается в том, что при подаче напряжения на ферроэлектрик атомы в этом материале смещаются вверх или вниз, и изменяется электрическая проводимость, сохраняющаяся и после отключения тока. Чтение данных при этом производится довольно непривычным способом: управляющий транзистор подаёт напряжение, переводя ячейку в измерительное состояние "0". Если ячейка уже содержит логический "0", то сигнал не изменяется, если же в ячейке записана "1", то в результате смены поляризации на выходе возникнет короткий импульс, который и будет означать "1".

Среди преимуществ FeRAM — практически не ограниченное число циклов перезаписи (более 1016), высокая скорость записи (150 нс по сравнению с 10 000 нс — 10 мс — для флэш-памяти) и низкое энергопотребление. Главные недостатки — низкая плотность записи и, в результате, слишком высокая цена хранения информации. В настоящее время чипы FeRAM небольшой ёмкости применяются преимущественно в лабораторном и медицинском оборудовании, где требуется максимально быстрая фиксация данных и перезапись без физического износа носителя.

Память века нанотехнологий — CBRAM (Conductive-Bridging RAM — память с произвольным доступом на основе проводящего моста). Здесь в буквальном смысле слова используется нанотрубка, формирующаяся при подаче напряжения в твёрдотельном электролите-диэлектрике между двумя электродами, один из которых изготовлен из электрохимически инертного материала (например, вольфрама), а другой, напротив, из активного (например, из меди или серебра). Нанотрубка, «пробившая» диэлектрик, снижает сопротивление и записывает логическую единицу, в противном случае ячейка хранит ноль. Для стирания единицы ток пропускается между электродами в обратном направлении, и нанотрубка разрушается.

Существует ещё множество экспериментальных технологий накопителей будущего — Nano-RAM, Millipede, Racetrack, ReRAM и другие, каждая из которых достойна отдельного подробного рассказа. Впрочем, и старые добрые жёсткие диски не торопятся занимать места на музейных полках.

К оглавлению

Колумнисты

Василий Щепетнёв: Оптимизация мышления

Василий Щепетнев

Опубликовано 16 апреля 2012 года

Идёшь себе чинно-благородно по улице, и вдруг… На этот раз из кустов выскочило правописание. «ЯрмОрка». Вроде бы пустяк, но я-то помню рассказ Брэдбери: охотник во времени, спасаясь от динозавра, наступил на бабочку. Воротясь в свой год, он первым делом замечает странную орфографию.

Я во времени не охочусь, а всё же не по себе стало. Накануне, интересуясь бензиновыми генераторами электроэнергии, ходил по сайтам продавцов. Там и прочитал, что одной заправки хватает на пятнадцать часов рОботы генератора. Раз пятнадцать упоминалась эта рОбота, на случайность не спишешь.

Подумаешь, неграмотные тексты. В бизнес пришёл простой человек, он знает, что главное — не грамотно писать, а грамотно продавать. Читать его тексты будет такой же простой человек, деньги которого ничуть не хуже, чем деньги учителя русского языка. У него, учителя, поди, и денег-то никаких нет, ни на генератор, ни на новую шубу, ему бы, учителю, за жильё расплатиться, хлеба купить. Много ль помогают учителю жи и ши? То-то же. Зря потраченное время. Скоро проведут новую реформу, для народа. Как слышим, так и пишем! Грамотность и победит.