Наверняка многие из нас теряли информацию в результате выхода из строя или сбоев в работе жесткого диска. Винчестер – это дамоклов меч, висящий над головой каждого пользователя, настоящий сплав механики и электроники, состоящий из вращающихся с огромной скоростью пластин, перемещающихся из стороны в сторону головок чтения-записи, микросхем и увесистого металлического корпуса. Там, где есть движущиеся части, всегда существует риск их неожиданного выхода из строя, и зачастую избежать этого невозможно. Если говорить об альтернативных накопителях, которые способны заменить собой привычные жесткие диски, то наибольший интерес здесь представляют устройства Solid State Drive (SSD).
Существуют два типа твердотельных накопителей: в одном используется флэш-память, в другом – SDRAM. Устройства на основе динамической памяти заметно быстрее традиционных винчестеров, но для хранения информации им требуется постоянное обеспечение электроэнергией. Если произойдет перебой в питании, то все записанные данные будут безвозвратно утеряны. Цена подобных SSD довольно высока, а объем ограничивается устанавливаемыми модулями памяти. Один из продуктов этого класса – Gigabyte i-RAM (рис.2)– но это устройство вряд ли можно воспринимать как замену винчестера, оно скорее дополнение к дисковой подсистеме.
|
|
Более привлекательными в данном отношении являются накопители на основе энергонезависимой флэш-памяти. С продуктами на ее основе, кстати, мы сталкиваемся уже довольно давно. Чипы флэш-памяти имеются в составе USB-накопителей, медиаплееров, мобильных телефонов, КПК и прочих портативных устройств. Теперь же флэш-память начинает активно использоваться в накопителях для ноутбуков и настольных систем, заменяя магнитные пластины. Хотя слово «теперь» не совсем точно передает суть и означает лишь то, что только сейчас эта технология вышла на потребительский рынок.
История появления
Предок твердотельного винчестера представлен еще в далеком 1980 году компанией Santa Clara Systems. Продукт, названный BatRam, был 1-мегабитным кластером, состоящим из чипов DIP RAM. Он имел специальный контроллер, эмулирующий работу винчестера, благодаря чему компьютер распознавал BatRam, как обычный жесткий диск. В 1984 году сотрудником компании Toshiba доктором Фуджио Масуока (Fujio Masuoka) была изобретена флэш-память (оба варианта NAND и NOR).
Первый коммерческий чип NOR-флэш-памяти представила компания Intel в 1988 году. Через год Samsung и Toshiba вывели на рынок более дешевую разновидность энергонезависимой памяти, в которой применялась флэш-технология NAND.
Первые твердотельные винчестеры на основе NAND-флэш-памяти, представленные в формфакторе 2,5 и 3,5 дюйма, появились в 1995 году. Вначале производством таких накопителей занималась Msystems, к которой затем присоединился ряд других фирм, таких как Adtron, Bitmicro Net-works и Memtech. В прошлом веке из-за своей заоблачной цены твердотельные винчестеры использовались лишь в военной и аэрокосмической индустрии, а также других сферах, где требовалась устойчивость оборудования к вибрации, ударам и критическим температурам, а его стоимость большого значения не имела. Теперь же цена микросхем флэш-памяти значительно упала, и накопители SSD начинают постепенно осваивать массовый потребительский рынок.
|
Использование
Энергонезависимая память широко используется в телефонах и коммуникаторах, портативных аудио- и видеоплеерах, фотоаппаратах и видеокамерах, карманных компьютерах и миниатюрных накопителях USB Flash Drive. Кому не знакомы миниатюрные брелоки с интерфейсом USB (в просторечье — флэшки), которые вытеснили наконец архаичные флоппи-диски, дошедшие до нас практически без изменений чуть ли не с первых персональных компьютеров! Слотами для сменных флэш-карт оснащается все больше мобильных и даже стационарных устройств, таких, например, как DVD-проигрыватели и фотопринтеры, — это расширяет их функциональность и предоставляет пользователям гибкость и удобство неограниченной внешней памяти.
Благодаря расширению возможностей портативных устройств, способных накапливать и переносить данные, спрос на компактные модули хранения информации постоянно растет. И тон в этой области до сих пор задавали решения на базе флэш-памяти — технологии производства легких, компактных, надежных и сравнительно недорогих в производстве носителей.
Это, конечно же, не случайно — ведь по практичности применения с флэш-памятью сегодня ничто не может сравниться. Большой и постоянно растущий объем информации, измеряемый уже десятками гигабайт, высокое быстродействие, отсутствие подвижных деталей и надежность хранения данных, непревзойденная компактность, неприхотливость к внешней среде, низкое энергопотребление и, наконец, удобство подключения и использования — вот секреты успеха флэшек. Отсюда и массовый выпуск, и повсеместная доступность этих высокотехнологичных изделий. Потребителей не может не радовать непрекращающееся снижение цен, которые в ряде случаев достигли уже 25-30 коп. за мегабайт.
|
Распространенная сегодня флэш-память создается на однотранзисторных элементах (с «плавающим» затвором), что обеспечивает даже несколько большую плотность хранения информации, чем в динамической оперативной памяти (SDRAM), использующей, как известно, минимум два транзистора и конденсаторный элемент. В настоящее время на рынке сосуществует немало различных технологий построения базовых элементов флэш-памяти, разработанных основными ее производителями (Intel, Toshiba, AMD, Sharp, Samsung и др.).
Технологии отличаются количеством слоев, методами стирания и записи данных, а также организацией структуры, указанными в их названиях.
Однако самыми распространенными в настоящее время остаются два типа микросхем флэш-памяти — NOR и NAND. Запоминающие транзисторы в обоих типах подключены к разрядным шинам — соответственно параллельно и последовательно. Первый тип — NOR — имеет относительно большие размеры ячеек и быстрый произвольный доступ (порядка 70 нс), что позволяет выполнять программы непосредственно из такой памяти. У второго типа — NAND — меньшие размеры ячеек и быстрый последовательный доступ со скоростью передачи до 16 Мбайт/с, что гораздо удобнее для построения устройств блочного типа, которые используются для хранения больших объемов информации.
Флэш-памяти типа NOR по-прежнему отдается предпочтение во многих портативных устройствах (таких, например, как мобильные телефоны), однако рост популярности карт памяти и накопителей с интерфейсом USB, где применяется флэш-память типа NAND, постепенно выводит в лидеры именно ее. Скажем, если в 2000 году на долю NOR-памяти приходился 91% от всех продаж и она была безоговорочным лидером, то к 2006-му в лидеры вышла NAND-память, на долю которой приходится около 60% продаж, а к 2009 году, по прогнозам аналитиков, ее доля вырастет еще на 10%, оставив памяти типа NOR чуть более четверти рынка.
Сегодня на рынке NAND-микросхем флэш-памяти лидируют компании Samsung и Toshiba, которые занимают там 58,5 и 24,2% соответственно. Однако такие компании, как Hynix, Infineon, Micron и STMicroelectronics, пришедшие в NAND-сегмент чуть позже лидеров, также показали достаточно быстрые темпы роста. Что касается рынка NOR, то здесь лидирующую позицию удерживает компания Intel, однако Spansion (совместное предприятие AMD и Fujitsu) уже буквально наступает ей на пятки.
Проблема надежности твердотельных накопителей
Первые серийные образцы флэш-носителей не радовали пользователей скоростью обмена информацией, однако сегодня скорость считывания и записи данных на флэш-память позволяет даже смотреть полноформатный фильм или запускать операционную систему. Некоторые производители уже представили компьютеры, в которых вместо жесткого диска используется флэш-память, и чересчур оптимистичные пользователи поторопились отказаться не только от флоппи-дисков, но и от винчестеров.
Однако у флэш-памяти есть один очень неприятный недостаток, препятствующий тому, чтобы этот тип носителя заменил все существующие оптические и магнитные накопители: ненадежность и недолговечность. Дело в том, что в силу своего устройства флэш-память допускает ограниченное количество циклов стирания и записи, вполне достижимое даже для владельцев цифровых фотоаппаратов и USB-брелоков, используемых для переноса информации, не говоря уже о более «тяжелых» способах применения типа загрузки с подобного носителя операционной системы или использования ее в качестве рабочего твердотельного диска.
Дело в том, что флэш-накопители построены на свойстве полевых транзисторов хранить электрический заряд в «плавающем» затворе. Наличие или отсутствие заряда в транзисторе рассматривается как логический ноль или логическая единица в двоичной системе счисления. Для записи и стирания данных в NAND-памяти используется туннелирование электронов методом Фаулера — Нордхейма через диэлектрик (FN-туннелирование), что не требует высокого напряжения и позволяет сделать ячейки минимального размера. Однако именно процесс туннелирования заряда физически изнашивает эти ячейки, поскольку при помощи электрического тока заставляет электроны проникать в затвор, проходя сквозь барьеры из диэлектрика. Собственно, срок хранения информации в такой памяти декларируется достаточно длительный — 10 лет, но изнашивает микросхему памяти не чтение информации, а процессы стирания и записи, ведь для чтения через канал просто пропускается электрический ток, не изменяющий его структуры.
Причем по мере роста емкости чипов и удешевления процесса производства заявленный ресурс заметно снижался: от примерно 1 млн циклов записи в один блок, что декларировалось еще несколько лет назад, до 50-100 тыс. в новых моделях. А в дешевой памяти MLC (Multi-Level Cell) ограничение на количество циклов записи еще меньше — до 10 тыс.
Разумеется, производители памяти принимают меры для увеличения срока службы твердотельных накопителей этого типа: в первую очередь они стремятся обеспечить равномерность процессов записи/стирания по всем ячейкам массива, чтобы какие-то из них не подвергались большему износу, чем другие. Равномерность нагрузки обеспечивается различными путями, причем в основном программными. Например, для борьбы с этим явлением применяется технология «выравнивания износа» (wear leveling) — часто изменяемые данные перемещаются по адресному пространству флэш-памяти, так что запись производится по разным физическим адресам. В каждый контроллер заложен свой алгоритм выравнивания, и сравнивать их эффективность у тех или иных моделей затруднительно, поскольку подробности реализации не разглашаются.
Одним из таких путей является резервирование некоторого объема памяти, за счет которого при интенсивной работе с флэшкой обеспечивается равномерная нагрузка и коррекция возникающих ошибок при помощи специальных алгоритмов «подмены» физических блоков в логической адресации. А в целях предотвращения потери информации вышедшие из строя ячейки выводятся из работы — заменяются на «резервные» или блокируются. В результате подобного программного распределения блоков и обеспечения равномерности нагрузки количество циклов удается поднять в 3-5 раз, но этого все равно недостаточно.
Отметим также, что в служебную область любого накопителя записывается таблица файловой системы, чтобы предотвратить сбои чтения данных на логическом уровне, возможные, к примеру, при некорректном отключении накопителя или при внезапном отключении электроэнергии. А поскольку в случае применения сменных устройств система не использует кэширования записи (на случай, если пользователь решит выдернуть флэшку сразу после обращения к ней), то от частой перезаписи особенно страдают области оглавления каталогов и таблицы размещения файлов. Например, если пользователь при однократном обращении переписал тысячу файлов и вроде бы всего лишь по разу использовал на запись те блоки, где они размещаются, то служебные области переписывались при каждом обновлении любого из файлов, то есть таблицы размещения файлов переписывались тысячу раз, а следовательно, занимаемые ими блоки выйдут из строя в первую очередь. Технология «выравнивания износа», конечно, работает и с такими блоками, но ее эффективность ограниченна.
К сожалению, с увеличением емкости микросхем флэш-памяти снижается и общее количество циклов записи, поскольку ячейки становятся все более миниатюрными и для рассеивания оксидных перегородок, изолирующих «плавающий» затвор, требуется все меньшее напряжение. Поэтому с увеличением емкости используемых флэш-накопителей проблема надежности только усугубляется.
Причем надежность работы флэш-памяти определяется не только техническими особенностями ее конструкции, но и ситуацией на рынке. Жесткая конкуренция вынуждает производителей любыми путями снижать себестоимость продукции, в том числе за счет упрощения конструкции, перехода на более дешевые комплектующие, ослабления контроля при производстве и т.д. Все это однозначно отражается на надежности. Проблемы при эксплуатации возникают даже у модулей от известных компаний-производителей, что уж говорить об изделиях категории no name, которых с ростом популярности этого типа носителей развелось великое множество.
Практика показывает, что гигабайтная флэш-карточка при интенсивном ежедневном использовании в цифровом фотоаппарате может начать выходить из строя уже через год-два после начала применения.
Миниатюрные флэшки (особенно это касается дешевых моделей) нередко страдают и от грубого обращения. Брелоки зачастую имеют непрочный корпус, тонкую плату и слабое крепление разъема USB, а карты памяти выходят из строя из-за деформации: у них может расслаиваться корпус, выпадать задвижка разрешения записи, смещаться или истираться разделители контактов или сами контакты. Нагрузки на корпус вызывают микротрещины на плате, приводят к нарушению контактов и растрескиванию деталей. От ударов и падений страдает кварцевый резонатор. Большинство устройств имеют негерметичный корпус, допускающий попадание влаги, а некоторые — ненадежную пайку элементов. Карты с открытыми контактами часто страдают от повреждения статическим разрядом в процессе вставки или извлечения из слота.
Поэтому реальный ресурс по записи для каждого конкретного модуля памяти зависит не только от технологии, но и от качества его изготовления, а также от условий эксплуатации, так что на практике ресурс может быть гораздо ниже заявленного. В то же время, как мы уже упоминали, число считываний ничем не ограничено и гарантируется хранение единожды записанных данных в течение 10 лет. Так что если обычные карточки флэш-памяти и USB-брелоки не использовать в качестве постоянного накопителя, не редактировать на них документы и изображения, не держать на них базы данных и не работать с операционной системой, записанной непосредственно на карточку памяти, то они будут служить вам достаточно долго и безотказно.
Современный этап и перспективы развития
Итак, несмотря на очевидные достоинства, современная флэш-память имеет серьезные недостатки, препятствующие дальнейшему расширению области ее применения. Поэтому разработчики пытаются найти альтернативные решения в рассматриваемой области. Конечно, их взоры в первую очередь обращены на так называемые наследуемые технологии, то есть на усовершенствование существующих разработок, что не потребует значительных изменений в технологическом процессе производства готовой продукции. Так что можно не сомневаться в том, что фирмы, выпускающие флэш-память, будут стараться использовать весь потенциал этого типа носителей перед переходом на накопители другого типа и продолжат совершенствовать традиционную флэш-технологию.
Однако сегодня на пороге промышленной реализации стоит уже целый ряд альтернативных технологий хранения данных, многие из которых готовы к внедрению и ожидают только благоприятной рыночной ситуации.
Ferroelectric RAM (FRAM)
Для наращивания скоростного потенциала энергонезависимой памяти предлагается технология ферроэлектрического принципа хранения информации (Ferroelectric RAM, FRAM).
Считается, что механизм действия существующих технологий, который заключается в перезаписи данных в процессе считывания при любых видоизменениях базовых компонентов, будет сдерживать скоростной потенциал устройств. А у FRAM-памяти будет та же простота, скорость и надежность в эксплуатации, которая свойственна нынешней энергозависимой оперативной памяти (DRAM), но добавятся также энергонезависимость и возможность длительного хранения информации, присущие флэш-памяти. Кроме того, к достоинствам FRAM-технологии относят стойкость к радиации и другим проникающим излучениям, что может быть востребовано в специальных приборах, предназначенных для работы в условиях высокой радиоактивности или в космических исследованиях. Память FRAM для реализации механизма хранения данных использует сегнетоэлектрический эффект — возможность материала сохранять электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. Ячейка памяти FRAM создается размещением сверхтонкой пленки сегнетоэлектрического материала в кристаллическом виде между двумя плоскими металлическими электродами, образующими конденсатор. Конструктивно последний очень похож на конденсатор, используемый при построении ячейки DRAM, однако вместо того, чтобы хранить данные как заряд в конденсаторе, подобно DRAM, сегнетоэлектрическая ячейка памяти хранит данные внутри кристаллической структуры, что предотвращает эффект утечки заряда, приводящий к потере информации, а потому FRAM не нуждается в периодической регенерации данных, как DRAM. Более того, при отключении напряжения питания данные во FRAM-памяти сохраняются.
|
Над таким типом памяти давно и успешно работает компания Hynix Semiconductor, которая уже представила образцы ферроэлектрических чипов, которые, однако, имеют более высокое, по сравнению с флэш-памятью, энергопотребление. Помимо Hynix Semiconductor усовершенствованием технологии разработки FRAM-чипов занимается компания Matsushita Electric, производящая чипы по 0,18-мк техпроцессу — самому миниатюрному на данный момент, который применяется для создания ячейки ферроэлектрической памяти (Hynix, например, использует для этих целей 0,25-мк технологию).
Кстати, благодаря переходу на более высокую степень интеграции Matsushita смогла снизить энергопотребление своей памяти и в пять раз увеличить скорость записи данных в ячейки по сравнению с конкурентами. Компания Infineon совместно с Toshiba исправила другой недостаток технологии FRAM, предложив необычный подход к созданию памяти — трехмерную архитектуру, в которой конденсаторы расположены вертикально. Благодаря этому открываются новые перспективы к устранению одного из основных недочетов FRAM — большого размера ячейки. И наконец, компания Ramtron International Corporation реализовала в своих FRAM-чипах технологию NoDelay (без задержек).
Как и у нынешней флэш-памяти, во FRAM-чипах декларируется длительное время хранения данных без источника питания — до 10 лет. Однако они характеризуются еще и неограниченным количеством циклов перезаписи.
В технологическом плане память FRAM является потомком современных типов памяти и воплощает их лучшие черты — энергонезависимость и высокую скорость работы, поэтому ее можно считать реальным претендентом на роль базовой технологии для создания постоянных запоминающих устройств нового поколения.
Однако несмотря на то, что большая часть проблем, присущих данной памяти, уже преодолена (например, проблема старения материала), некоторые вопросы использования данной технологии до сих пор остаются открытыми.
Magnetic RAM (MRAM)
Другим типом памяти, перспективность которого тоже оценивают сегодня довольно высоко, является магниторезистивная память (Magnetic RAM, MRAM), которая также энергонезависима и имеет сравнительно высокие скоростные показатели. В качестве элементарной ячейки в устройствах mram применяется тонкая магнитная пленка на кремниевой подложке. MRAM — это статическая память, она не требует периодической перезаписи и при выключении питания записанная информация не теряется.
Сегодня многие специалисты называют MRAM технологией памяти следующего поколения, поскольку скоростные показатели существующих прототипов очень высоки: по данным компании IBM, время записи в MRAM не превышает 2,3 нс, что более чем в тысячу раз меньше, нежели время записи во флэш-память, и в 20 раз больше скорости обращения к FRAM. Время чтения произвольного бита не превышает 3 нс, что в 20 раз меньше, чем для DRAM, а потребляемый ток составляет около 2 мА, то есть меньше тока потребления DRAM в сто раз. Кроме того, MRAM, в отличие от SDRAM, устойчива к внешним электромагнитным воздействиям.
У MRAM есть и другое несомненное достоинство — невысокая стоимость чипов на ее основе. В отличие от флэш-памяти, которая производится по специализированному КМОП-процессу, микросхемы MRAM можно выпускать по стандартному техническому процессу, а кроме того, можно использовать материалы, применяемые в традиционных магнитных носителях, в частности в ферромагнитных пленках. В результате изготовление больших партий таких микросхем обойдется дешевле. Важным свойством MRAM-памяти является также возможность мгновенного включения, что особенно ценится в мобильных устройствах, так как значение ячейки в этом типе памяти определяется магнитным, а не электрическим зарядом, как в обычной флэш-памяти.
В разработке этого направления активно участвуют такие компании, как Infineon Technologies и IBM (последняя начала исследования в этой области еще в 70-х годах прошлого столетия).
Успешную работу в области создания устройств MRAM-памяти ведет и компания NEC, инженерам которой удалось добиться заметного повышения надежности работы чипов MRAM-памяти и уменьшения их размеров. Коммерческие разработки MRAM есть и у фирмы Honeywell International. Свои средства в развитие MRAM-технологии инвестировали также такие компании, как Toshiba и Freescale Semiconductor, поэтому есть все основания полагать, что и этот тип памяти появится на рынке в качестве серийной продукции.
Ovonic Unified Memory (OUM)
На ту же роль, что и MRAM, претендует новый тип энергонезависимой памяти, которым уже несколько лет занимается компания Intel. Над подобной технологией работает также компания Royal Philips Electronics. Речь идет о разработке твердотельной памяти на аморфных полупроводниках (Ovonic Unified Memory, OUM).
В основу работы такой памяти положена технология фазового перехода, аналогичная принципу записи на перезаписываемые диски CD-RW или DVD-RW, при котором в электрическом поле фазовое состояние вещества изменяется из кристаллического в аморфное, причем изменение структуры сохраняется при отключении тока. Принципиальное отличие OUM-памяти от традиционной оптической записи заключается в том, что если в оптических носителях применяется нагрев лазером, то в OUM нагрев осуществляется непосредственно электрическим током. Процесс считывания, в свою очередь, основан на разнице отражающей способности вещества в разных состояниях, воспринимаемой датчиком дисковода. По аналогичному принципу действует и память Philips, в которой используется смесь иридия с сурьмой. В предложенной компанией технологии участок материала, выполняющий роль ячейки памяти, окружен слоем диоксида кремния, который, во-первых, обладает малой теплопроводностью, а во-вторых, позволяет предотвратить химические реакции на поверхностях соприкосновения и предоставляет таким образом дополнительную свободу в выборе вещества электродов. Изменение фазового состояния происходит очень быстро — так, в прототипах, изготовленных Philips, для этого требовалось примерно 30 нс. В компании полагают, что благодаря подобным функциональным характеристикам разработка вполне может рассматриваться в качестве альтернативы нынешней DRAM, а в дальнейшем претендовать на роль так называемой унифицированной памяти.
Как заявляют в Intel, в отличие от флэш-памяти, OUM теоретически обладает более высокой надежностью и плотностью хранения данных, а также повышенным быстродействием — до 100-200 нс. Отметим, что максимальное число циклов записи/стирания в OUM-памяти превышает 10 трлн, что на несколько порядков больше, чем у флэш-памяти. Однако несмотря на то, что в Intel заявляют о работах над OUM-памятью уже в течение более пяти лет, промышленное производство таких чипов, по оценкам специалистов, начнется не раньше следующего десятилетия.
Впрочем, магниторезистивная память (MRAM) существенно опережает по быстродействию OUM-память: время доступа этих чипов сегодня составляет не более 10-15 нс. Благодаря этому память типа MRAM может применяться не только для длительного хранения данных, но и в качестве оперативной памяти, а OUM уготована второстепенная роль.
Chalcogenide RAM (CRAM) и Phase Change Memory (PRAM)
Другими перспективными типами энергонезависимой памяти являются такие технологии, как Chalcogenide RAM (CRAM) и Phase Change Memory (PRAM), также основанные на принципе фазовых переходов, при котором в одной фазе вещество носителя является непроводящим аморфным (стеклоподобным) материалом, во второй — кристаллическим проводником. Запоминающие ячейки CRAM-памяти способны переходить из одной фазы в другую под воздействием нагрева и электрических полей. В отличие от динамической оперативной или флэш-памяти, CRAM-чипы устойчивы к воздействию ионизирующего излучения. Разумеется, вряд ли CRAM способна составить серьезную конкуренцию традиционным видам памяти по быстродействию и энергопотреблению (все-таки для перехода из одной фазы в другую приходится задействовать нагревательный элемент, потребляющий большой ток).
Данные технологии разрабатываются компаниями STMicroelectronics и Ovonyx. В отличие от предыдущего типа памяти, также базирующегося на технологии использования фазовых переходов, в описываемых разработках применяется нестандартный подход к кодированию записываемой информации — в виде разных фаз в микроскопических областях полимера халькогенида (chalcogenide).
Разработчики уверены, что производство таких чипов возможно по стандартному КМОП-процессу с помощью технологии uTrench.
Утверждается, что ячейка такой памяти способна выдержать до 10-11 млрд циклов перезаписи и обеспечивает хранение данных сроком до 10 лет.
Компания Intel купила у Ovonyx технологию PRAM и в первой половине текущего года начала отгрузки небольших партий работоспособных чипов такой памяти, а массовое производство памяти нового поколения должно начаться до конца текущего года. Напомним, что в продвижении PRAM заинтересованы и такие крупные производители, как Fujitsu, Samsung, Renesas, Hitachi и др.
Intel намерена выпускать чипы PRAM с соблюдением 90-нм норм. Их плотность составит 128 Мбит. Гарантируется, что новая память сможет выдерживать до 100 млн циклов чтения/записи и срок ее эксплуатации составит, как минимум, 10 лет.
Напомним, что осенью прошлого года компании Intel и STMicroelectronics представили 250-мм подложку с образцами PRAM-памяти плотностью 128 Мбит. Тогда Intel обещала начать отгрузку PRAM-чипов в ноябре 2006-го, но потом сроки поставок были перенесены. Скорее всего, и нынешние поставки достигнут необходимых объемов лишь к 2008 году, и только тогда мы увидим первые устройства со встроенной PRAM-памятью.
Information-Multilayered Imprinted CArd (Info-MICA)
Еще один тип принципиально новой технологии энергонезависимой памяти создан инженерами японской корпорации NTT Group. Прототип носителя информации базируется на пластическом материале и размерами не превышает почтовую марку. Носитель, названный Info-MICA (Information-Multilayered Imprinted CArd), состоит из ста слоев пластика и обладает емкостью в 1 Гбайт, а при его работе используется технология тонкопленочной голографии. Запись информации происходит следующим образом: сначала создается двумерный образ, транслируемый в голограмму по технологии CGH (Computer Generated Hologram).
Для считывания информации луч лазера фокусируется на край одного из записываемых слоев, выполняющих функции оптических волноводов. Свет распространяется вдоль оси, проходящей параллельно плоскости слоя, а на выходе формируется изображение, соответствующее записанной ранее информации. Применив алгоритм, обратный кодированию, можно в любой момент получить начальные данные.
|
По сравнению с полупроводниковой памятью, Info-MICA обладает рядом преимуществ: высокой плотностью записи, малым энергопотреблением, малой стоимостью носителя, защищенностью от несанкционированного копирования и экологической безопасностью. Однако пока эта технология не допускает перезаписи содержимого и может стать только альтернативой постоянной долговременной памяти, или заменить бумажные носители, или найти применение при распространении мультимедийного контента (музыки, видео и компьютерных игр) в качестве альтернативы CD/DVD-ROM.
Нанотехнологии и твердотельные накопители
Разработки в области нанотехнологий сегодня очень популярны в различных сегментах ИТ-рынка, и область запоминающих устройств не является для них исключением.
Одной из первых подобных разработок в области энергонезависимой памяти может похвастаться компания Motorola, которой принадлежит идея создания микросхемы памяти, основанной на использовании кремниевых нанокристаллов — образований, напоминающих сферы диаметром порядка 50 ангстрем, размещенных между двумя оксидными слоями и способных сохранять определенный заряд, за счет чего и ведется запись информации. Кстати, подобное решение всерьез рассматривается многими экспертами как наиболее вероятная замена нынешних технологий. Одной из главных проблем, которую удалось преодолеть специалистам Motorola, было получение монодисперсных нанокристаллов оптимального размера. Прототипы массива нанокристаллов были изготовлены на 200-мм кремниевых заготовках с применением 90-нм технологического процесса (одним из несомненных достоинств данной технологии является возможность использования существующего оборудования).
Этот наномассив показал, что скорость функционирования флэш-памяти может быть заметно увеличена, поскольку туннелирование зарядов в нанокристаллы происходит значительно быстрее, чем в стандартные ячейки флэш-памяти, а уменьшение габаритов всего массива хранения информации может самым положительным образом сказаться на скорости работы управляющей микросхемами логики.
Ученые из Института технологий компании Samsung (Samsung Advanced Institute of Technology) совместно со специалистами из Национального университета Чонбук разработали собственный базовый метод для создания энергонезависимой памяти из нанотрубок. На их основе ученые создали транзистор, поверх которого расположен слой нитрида кремния, помещенный между двумя слоями оксида кремния. Такая многослойная структура способна удерживать электрический заряд, а транзистор нужен в качестве стока/истока. При вертикальном размещении, как отмечают специалисты, благодаря таким «носителям» информации можно создавать память с плотностью 200 Гбит/дюйм, что примерно в 200 раз выше плотности чипов, используемых сегодня. Такая память способна хранить данные в течение 10-15 лет.
И наконец, самой многообещающей разработкой устройств хранения на основе нанотехнологий считается энергонезависимая память NRAM (Nanotube-based/Nonvolatile RAM), которую предложили инженеры компании Nantero. Идея состоит в использовании углеродных нанотрубок с толщиной стенок в один атомный слой и диаметром порядка 20 нм, которые на двух кремниевых подложках заключены в массив таким образом, что образуют группу взаимно пересекающихся под прямым углом элементов. В исходном состоянии, соответствующем логическому нулю, нанотрубки не соприкасаются между собой и расстояние между ними составляет несколько нанометров. Однако приложенная к ним разность потенциалов приводит к их соприкосновению, и находятся они в таком положении до тех пор, пока к ним не подадут противоположное напряжение. За счет того что в двух противоположных состояниях эти элементы имеют различное электрическое сопротивление, возможно создание интерпретатора двоичной системы счисления. Причем, по словам специалистов Nantero, с целью достижения избыточности и предотвращения утери данных в одном бите участвует значительное количество таких пар.
О перспективах технологии Nantero говорят такие данные: плотность записи информации в устройствах NRAM может достигать 5 млрд бит на квадратный сантиметр (что в несколько десятков раз больше, чем в нынешних высокоемких микросхемах памяти), а частота обмена данными может составлять 2 ГГц.
Единственной проблемой на пути к широкому коммерческому внедрению этой технологии остается, как и во всех других областях применения нанотехнологий, необходимость получения качественного исходного материала, в котором точно и равномерно размещены нанотрубки на кремниевых подложках. Компания Nantero предлагает располагать на подложках кремния тонкий слой нанотрубок в произвольном направлении, затем методом литографии удалять те из них, что расположены «не по шаблону». Данный метод практически реализуем, однако трудновыполним, а потому довольно дорог. Например, понадобится использование электронного микроскопа, который, считывая информацию о вновь нанесенном слое нанотрубок, сможет создавать шаблон вытравливаемых элементов. И каждый раз шаблон придется делать заново, иначе на подложках, помимо рабочих элементов, окажется много «мусора», образованного остатками удаленных нанотрубок. Остается надеяться, что с развитием других областей применения нанотрубок этот процесс удастся оптимизировать и значительно удешевить.
Тем не менее достигнутые результаты разработчиков NRAM-памяти впечатляют: созданный ими массив позволяет хранить до 10 Гбайт информации. При этом утверждается, что их методика может применяться и для получения массивов большего размера, поскольку определяющим фактором здесь являются возможности литографического оборудования. Специалисты подчеркивают, что данная методика в значительной мере совместима с нынешними технологиями полупроводникового производства и с небольшими затратами может быть внедрена на существующих заводах.
Solid State Drives (SSD)
Компания Microsoft уже сертифицировала на совместимость с Windows Vista и Windows XP 1,8- и 2,5-дюймовые UltraATA- и SATA-накопители на базе твердотельной памяти (Solid State Drives, SSD) от целого ряда производителей. Например, в лаборатории Microsoft Windows Hardware Qualification Lab (WHQL) получили сертификаты твердотельные диски компаний Samsung, SanDisk, Adtron, A-DATA, SimpleTech и др. Теперь подобные устройства придут на смену традиционным дисковым накопителям во многих моделях ноутбуков, предназначенных, в частности, для работы с новой операционной системой Windows Vista. Кроме того, как утверждают производители, их твердотельные накопители демонстрируют высокие результаты в тестах Windows Experience Index и могут эффективно использоваться в различных приложениях Windows Vista. Итак, перспективы SSD-дисков очевидны. После недавнего выхода ОС Vista, в которой активно применяется система ReadyBoost/Superfetch, суть которой сводится к расширению системной памяти посредством использования внешних накопителей, желание пользователей приобрести SSD-накопитель не только для ноутбука, но и для настольного компьютера будет только возрастать. Конечно, малый объем таких накопителей и довольно высокая цена пока отпугивают потенциальных покупателей, но снижение стоимости SSD-дисков — дело времени.
Тем более что такой привод отличается устойчивостью к ударам (по оценкам некоторых производителей, их SSD-диски выдерживают нагрузку более 1000 g).
Что касается традиционных винчестеров, то даже лучшие образцы, специально подготовленные для использования в мобильных устройствах, могут выдерживать не больше 500 g, да и то лишь в нерабочем состоянии.
У SSD-накопителей есть и другие преимущества, например расширенный диапазон рабочих температур. Для большинства жестких дисков рабочая температура находится в диапазоне от 0 до 50 °C, а при работе, в результате трения механических частей, происходит значительное выделение тепла. В SSD-дисках движущихся частей нет, поэтому привод не так сильно нагревается, да и вибрация отсутствует. Рабочий диапазон температур у нынешних SSD-накопителей составляет от –25 до 85 °C, что также весьма полезно для многих сфер применения.
Кроме того, корпорация Intel объявила о своем решении выступить на рынке твердотельных дисков. Ее первенцем стал накопитель Z-U130, изготовленный на базе флэш-памяти типа NAND с интерфейсом USB 2.0/1.1. Компания не отрицает, что новое направление в развитии технологий хранения информации привлекло ее внимание из-за очевидных преимуществ SSD над традиционными жесткими дисками: более высокая скорость чтения, меньшее время поиска, отсутствие шума при работе, меньшее энергопотребление, незначительное тепловыделение, а также малые габариты и вес. Кроме того, SSD-устройства не нуждаются в механических комплектующих, что повышает надежность дисковой подсистемы и безопасность хранения данных. В то же время SSD-накопители пока еще уступают традиционным жестким дискам по некоторым другим важным параметрам, таким как время записи, максимальное количество циклов перезаписи, доступный объем и стоимость.
В прошлом году компания Intel представила четыре варианта SSD-дисков Z-U130 различной емкости: 1, 2, 4 и 8 Гбайт. Сразу же возникает вопрос к Intel о небольшой емкости ее SSD-дисков. Даже топовая модель объемом 8 Гбайт не идет ни в какое сравнение, например, со 160-гигабайтными SSD-дисками от компании Adtron или 128-гигабайтным накопителем от A-DATA. Тем не менее тактика Intel предполагает пропаганду SSD среди обычных пользователей и опирается на нынешнюю стоимость флэш-памяти. Компания разделяет мнение о том, что твердотельные устройства на современном этапе своего развития больше подходят для систем с интенсивным обменом данных относительно небольших объемов. Этими данными могут быть как различные приложения или общие библиотеки, так и сама операционная система.
Весьма перспективным выглядит применение SSD в различных портативных электронных устройствах, игровых консолях, ноутбуках и полнофункциональных специализированных ПК. Более того, особые надежды возлагаются на серверы и различные встраиваемые системы для банкоматов или торговых центров. Рост объемов серийного производства SSD-устройств вызовет сокращение издержек и дальнейшее падение стоимости, так что с течением времени цена SSD-дисков должна оказаться ниже, чем цена HDD формфактора 1,8 дюйма, а в самом ближайшем будущем SSD-накопители перейдут в наступление и на 2,5-дюймовые жесткие диски. Компания Intel надеется на то, что уже к 2009 году стоимость 8-гигабайтной твердотельной модели станет меньше, чем стоимость любого сравнимого винчестера формата 1,8 или 2,5 дюйма.
Производители винчестеров осознают угрозу со стороны SSD-накопителей и предпринимают ответные шаги. Скажем, появились так называемые гибридные жесткие диски, которые совмещают в себе и традиционные магнитные блины, и флэш-память. Конечно, по существу они представляют собой самые обыкновенные жесткие диски, но с огромным кэшем, который дает гибридному винчестеру серьезные преимущества. Во-первых, при использовании кэширования во флэш-память у накопителя резко понижается энергопотребление (чуть ли не вполовину), ускоряется загрузка операционной системы и популярных приложений, продлевается срок службы и т.д. Преимущества новой технологии можно почувствовать при работе с Windows Vista, которая оптимизирована на работу с гибридными дисками. Распоряжается флэш-памятью эта операционная система довольно просто: там хранятся наиболее часто используемые данные, а также копируется информация, необходимая для загрузки системы или выхода из «спящего» режима, что, собственно, и позволяет добиваться всех вышеуказанных преимуществ. Подобный жесткий диск уже давно выпустила компания Seagate — модель Momentus 5400 PSD емкостью 160 Гбайт со 128 или 256 Мбайт NAND-флэша. Кстати, популярности гибридных дисков способствует тот факт, что сборщику компьютеров для получения заветного логотипа Microsoft — Vista Premium Ready — потребуется, помимо соблюдения внушительного списка других обязательных условий, наличие гибридного накопителя, содержащего как минимум 50 Мбайт флэш-памяти. Очевидно, что твердотельным жестким дискам первое время будет чаще отводиться роль внешнего кэша для обычного винчестера, чем самостоятельного накопителя, потому-то компания Intel и не спешит с увеличением объема своих SSD-накопителей.
Перспективы традиционных HDD-накопителей
В ответ на тотальное наступление твердотельных технологий разработчики жестких дисков предпринимают ответные шаги, показывая, что технологию магнитной записи еще рано сбрасывать со счетов. Например, ученым Университета Рэдбауда в голландском городе Неймеген (Radboud University Nijmegen) удалось разработать жесткий диск, в котором запись на пластину осуществляется не магнитной головкой, а лазером. По результатам тестов устройство продемонстрировало стократное превосходство в скорости работы по сравнению с традиционными накопителями на жестких магнитных дисках.
Фотоны, выпущенные пульсирующим лазерным лучом, попадают на элементарные участки магнитной пластины — домены, придавая расположенным в них зарядам механический момент и изменяя полярность. Ключевой момент заключается в изменении полярности самого лазерного луча для того, чтобы он мог формировать на поверхности диска как единицу, так и ноль бинарного кода.
В результате эксперимента ученым удалось записать данные на диск в интервалах около 40 фемтосекунд (40 квадриллионных долей секунды), что, по словам разработчиков, в сто раз превышает скорость передачи данных при помощи традиционного магнитного метода. Основным недостатком технологии является слишком крупное пятно лазера на поверхности пластины. Его ширина составляет 5 мкм, что значительно больше, чем в современных носителях (для примера: не так давно компания Fujitsu уменьшила размер элементарной намагниченной области до 25 нм).
Тем не менее работа над улучшением технологии продолжается и размер лазерного пятна планируется уменьшить до 10 нм.
До настоящего момента все разработчики подобных методов сталкивались с одной и той же проблемой — магнитные пластины изготавливались на базе неподходящего для данных целей сплава металлов. Однако пластина, созданная учеными Университета Рэдбауда из сплава гадолиния, железа и кобальта, наконец-то устраняет это препятствие.
Тем не менее внедрению технологии в массы мешает еще целый ряд преград, и главная из них — это высокая стоимость полученного накопителя.
Вывод
Итак, лед тронулся! Эволюционное развитие наиболее консервативной части персонального компьютера приобретает характер революционного. Вначале старый добрый винчестер обзавелся флэш-памятью, а со временем и окончательно лишится магнитных пластин. Возможно, лет эдак через десять молодое поколение пользователей ПК будет вспоминать о HDD так же, как мы сегодня вспоминаем о 5-дюймовых дисководах.
