Сделано в IBM Labs: Ученые IBM совершили прорыв в технологии компьютерной памяти

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.

Благодаря сочетанию быстродействия, износостойкости, энергонезависимости и плотности записи, память PCM способна внести коренные изменения в технологии хранения данных. 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 (см. диаграмму).

«Сегодня, как никогда, необходимы все более мощные, эффективные и, в то же время, экономически доступные технологии хранения данных, поскольку организации и потребители все чаще выбирают модели поставки и сервисы на базе облачных вычислений, в результате чего большая часть данных хранится и обрабатывается в cloud-средах, — подчеркнул доктор Харрис Позидис (Haris Pozidis), руководитель отдела Memory and Probe Technologies в научно-исследовательском центре IBM Research – Zurich. Демонстрируя технологию многоразрядной памяти с изменением фазового состояния, которая впервые обеспечивает уровни надежности, близкие к тому, что требуется для задач корпоративного класса, мы делаем огромный шаг вперед на пути практического применения модулей памяти на базе технологии многоразрядной PCM».

Большой успех в развитии многоуровневой памяти с изменением фазового состояния

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.

История инноваций в области компьютерной памяти

IBM обладает давним и богатым опытом создания прорывных технологий компьютерной памяти. В 1966 году обладатель звания IBM Fellow (Почетный сотрудник IBM) доктор Роберт Деннард (Robert Dennard) изобрел динамическую оперативную память с произвольной выборкой (Dynamic Random Access Memory, DRAM), которая вместе с первыми недорогими микропроцессорами открыла дверь в мир небольших персональных компьютеров. Сегодня каждый настольный компьютер, ноутбук, игровая приставка и другие компьютеризированные устройства оснащены модулями оперативной памяти DRAM. Память DRAM также используется в мэйнфреймах, серверах центров обработки данных и машинах, которые обеспечивают выполнение порталов, сайтов и сервисов Интернета. В 1988 году доктор Деннард в честь изобретения памяти DRAM был награжден Национальной медалью США за технологические достижения (US National Medal of Technology). IBM, которая в этом году отмечает свой столетний юбилей, включила память DRAM в список ста своих самых значительных инноваций – «100 символов прогресса».