Помимо перечисленных выше типов памяти, существует еще как минимум три заслуживающих упоминания совершенно новых типа энергонезависимой памяти. Резистивная память (Resistive Random Access Memory, RRAM) разрабатывается совместно большой группой компаний, среди них Sharp, Samsung и Fujitsu. Ее логика наиболее проста: запоминающая ячейка состоит из фрагмента материала, который может быть диэлектриком или проводником в зависимости от поданного на него напряжения. Нанопамятью (Nano-RAM) занимается единственная компания Nantero. Здесь запоминание 0 или 1 осуществляется посредством ориентации нескольких нанотрубок под поверхностью электродов. Еще в одной разновидности памяти, SONOS (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon), компания Cypress Semiconductor развивает идеи флэш-памяти.
Однако на данный момент самые большие надежды связывают не с перечисленными выше типами памяти, а с памятью PCM — памятью, построенной на материалах с изменяющимся фазовым состоянием (Phase Change Memory), такие полупроводники могут переходить из кристаллического состояния в аморфное и обратно. Описывая эту память, нельзя не представить ее изобретателя, как и в случае с флэш-памятью. Ее появлением мы обязаны одному человеку. Биография Стэнфорда Овшинского, чьи труды привели к появлению технологии PCM, история его успеха — сюжет для типичного американского фильма. Сын нищих еврейских иммигрантов из польской части Литвы не смог в свое время получить ни регулярного школьного, ни тем более высшего образования и на всю жизнь остался самоучкой. Помимо бедности на такой поворот событий повлияла история. Он родился в 1923 году, его школьные годы пришлись на период Великой депрессии, было не до учебы. В начале пути Стэнфорд, а по-польски Станислав, был токарем, затем стал инженером-механиком, но свое первое изобретение он сделал раньше. Во время Второй мировой войны Овшинский предложил актуальное в той ситуации усовершенствование к токарному станку, позволявшее точить два снаряда одновременно. Позже, в 50-е годы, его интересы изменились, он увлекся химией и электротехникой, стал одним из самых известных инженеров и изобретателей США. Показателен список из 250 принадлежащих ему патентов, среди которых тонкопленочные солнечные батареи, экологически чистые никельметаллгидридные аккумуляторы, а также батареи на так называемом твердом водородном топливе. Этого оказалось достаточно, чтобы стать знаменитым, и его не слишком фотогеничное лицо украсило собой обложки буквально всех ведущих газет и журналов. Что же касается систем хранения данных, то для них наибольшее значение имеют работы Овшинского с халькогенидами. Именно эти соединения позволяют создать компьютерную память на основе материалов с изменяемыми фазовыми состояниями, известную под аббревиатурами PCM, PRAM или PCRAM. Полупроводник халькогенид является сплавом серы, селена и теллура, он обладает способностью изменять свою физическую структуру (то есть расположение атомов) и переходить при нагревании из кристаллического состояния в аморфное и обратно. Для создания PRAM могут быть использованы и такие материалы, как сурьмид германия GeSb, называемый также халькогенидным стеклом. С точки зрения памяти критически важно то, что в этих двух фазовых состояниях вещество имеет разную электропроводность, это дает возможность записать и считать 0 или 1. Нечто подобное происходит в перезаписываемых дисках CD-RW и DVD-RW, там лучом лазера нагревается поверхность внутреннего слоя диска, происходит переупорядочение структуры атомов, что изменяет коэффициент отражения, его значение можно зарегистрировать, таким способом осуществляется запись и чтение. В PCM происходит то же самое, но нагрев выполняется электрическим зарядом, прикладываемым к нужной точке всего на несколько наносекунд, потом при снятии заряда температура резко падает и атомы застывают, не успевая вернуться в кристаллическое состояние. Допустим, сопротивление в точке будет высоким, так записывают, положим, 0. При записи 1 ту же самую точку нагревают менее интенсивно, но дольше, этой процедуры достаточно для перевода в кристаллическое состояние, отличающееся пониженным сопротивлением. Считывание данных в такой схеме можно считать несложной задачей. Процедура похожа на millipede, но лишена подвижных частей.
Однако на серьезные разработки уходят годы, а иногда десятилетия. Работы, связанные с халькенидами, Овшинский начал в 1960 году, когда создал собственную компанию Energy Conversion Laboratories, позже переименованную в Energy Conversion Devices (ECD). Успех компании был феноменален, исследовательскую лабораторию, созданную человеком без образования, посещали серьезные ученые, — среди них нобелевские лауреаты Уильям Шотки, Исаак Рабби, Невилл Мотт. Она стала одним из ведущих научных центров разработки полупроводниковых материалов. Однако до создания работающей PCM было далеко, а параллельно Овшинскому удалось изобрести столько, что он был признан национальным гением. Его имя ставят в один ряд с Томасом Эдисоном.
В 1966 году Овшинский получил первый патент на материал с изменяющимся фазовым состоянием, а в 1969-м — патент на компьютерную память, построенную на этом материале, о чем Гордон Мур, известный всем своим законом, написал статью в популярном тогда журнале Electronics Magazine. И только 30 лет спустя это изобретение удалось коммерциализовать, под него в 1999 году была создана компания Ovonyx. Последующие события развивались с калейдоскопической быстротой. В 2000 году корпорация Intel инвестировала в Ovonyx и лицензировала технологию, в том же году лицензию приобрел европейский производитель полупроводниковых приборов ST Microelectronics. За последующие пять лет по этому пути прошли практически все крупнейшие полупроводниковые вендоры, за редким исключением. Наибольших практических успехов удалось достичь Samsung и Intel в сотрудничестве с STMicroelectronics.
Концептуальный накопитель.
Компания IBM на компьютерной выставке CeBIT 2005 в Ганновере (Германия) продемонстрировала экспериментальный образец концептуального накопителя Millipede.
Суть технологии Millipede сводится к следующему. Данные "записываются" на небольшой микрочип, покрытый полимерной пленкой специального состава. Ключевым элементом конструкции является массив крошечных кронштейнов, на конце каждого из которых размещена игла. При соприкосновении нагретой до 400° Цельсия илы с носителем происходит локальное расплавление полимерной пленки, в результате чего остается микроскопическое углубление. Это углубление и соответствует биту информации.
В процессе считывания игла разогревается до 300° Цельсия. При такой температуре не происходит повреждения пленки, зато при попадании иглы в углубление наблюдается резкое увеличение интенсивности отвода тепла, что, в свою очередь, провоцирует скачкообразное изменение сопротивления, соответствующее биту данных. Примечательно, что накопители Millipede могут быть стерты и перезаписаны: для этого нужно лишь выровнять поверхность носителя при помощи разогрева выше 400° Цельсия.
В целом, технология сильно напоминает перфокарты, правда, все элементы в Millipede реализованы на микроскопическом уровне. В ходе демонстрации на CeBIT, как сообщает New Scientist, компания IBM показала образец Millipede емкостью 10 Гб. Теоретически же квадратный чип с длиной стороны 2,4 см может хранить до 125 Гб данных, что эквивалентно емкости 25 дисков формата DVD. Не исключено, что накопители Millipede в перспективе смогут вытеснить флэш-память. Впрочем, для этого IBM еще предстоит проделать немалый объем работы, добившись скорости чтения/записи информации в 20-30 Мбит/с (сейчас она существенно ниже). К тому же могут возникнуть серьезные трудности в процессе производства миниатюрных электронно-механических запоминающих устройств.
Технология, которая спасет закон.
Технология флэш-памяти нового рода с большей емкостью и более длительным сроком службы, с меньшей потребностью в электроэнергии уже вскоре может прийти на смену современным твердотельным накопителям.
Компания Nanochip объявила, что ее сотрудникам в рамках исследований, посвященных созданию перспективных устройств памяти, удалось сделать открытие, благодаря которому уже в 2009 году она сможет предоставить потенциальным производителям работающие прототипы. Три инвестиционных фонда, в том числе Intel Capital, недавно выделили компании 14 млн. долл. В Nanochip работают над этой технологией с момента основания компании в 1996 году.
«Эта технология спасет закон Мура, - уверен директор Nanochip Гордон Найт. - Она должна пережить, по крайней мере, десять поколений микросхем». В соответствии с действующим десятилетиями эмпирическим законом число транзисторов, размещаемых на интегральной схеме, удваивается примерно каждые полтора года. Считается, что флэш-память может достигнуть физического предела миниатюризации при норме проектирования примерно 32 нм.
И в этой ситуации, по словам Стивена Лея, наступает расцвет технологий, подобных технологии Nanochip. «Закон Мура напрямую связан с использованием методов литографии, - считает Лей, член технического консультативного совета Nanochip, вице-президент по бизнес-разработкам компании Ovonyx и бывший вице-президент группы флэш-памяти Intel. - Каждые полтора года производителям приходится покупать новую машину, которая позволяет печатать все меньшие по размеру платы». Устройства памяти, построенные по принципу массивов (array-based memory), используют наборы микроскопических «игл» для считывания и записи данных. Плотность хранения при этом определяется не возможностями литографии, а точностью перемещения игл. «Если Nanochip может перемещать иглы, скажем, на одну десятую расстояния, определяемого нормой проектирования, тогда можно получить в 100 раз большую плотность, не меняя литографической матрицы, - пояснил Лей. - И больше не придется покупать все новое и новое оборудование». Лей заметил, что, в принципе, Nanochip может добиться того, что за один шаг игла будет перемещаться на расстояние в один атом. В компании утверждают, что современное поколение игл имеет радиус действия менее 25 нм, но она планирует в конечном итоге создать иглы, радиус действия которых можно уменьшить до двух-трех нанометров. Такой масштаб, как подчеркнул Найт, позволит за 10 - 12 лет разработать модуль памяти емкостью более 1 Тбайт. Он рассчитывает, что модели первого поколения, появление которых ожидается в 2010 году, будут иметь емкость более 100 Гбайт, но более реалистичное число - это «десятки гигабайт» на один чип, то есть емкость, сравнимая с емкостью современного поколения устройств флэш-памяти. Найт уверен, что технология Nanochip найдет свое применение в USB-картах памяти, твердотельных накопителях и даже в серверных системах хранения корпоративного класса. В каждом случае, как он считает, новая память дает свои преимущества. Как отметила Марлен Бурне, глава аналитической компании Bourne Report, в отличие от флэш-памяти типа NAND, для которой частые модернизации методов литографии требуют создания все более дорогостоящего производства, Nanochip может изготавливать свои микросхемы на уже существующем недорогом оборудовании.
«Можно использовать уже имеющееся оборудование и адаптировать его к своим требованиям, - подчеркнула она. - Те же самые инструменты, оборудование, материалы, основные этапы обработки. Вы попросту создаете трехмерные объекты вместо плоских интегральных схем».
Это может дать преимущество в цене перед твердотельными носителями, которые сейчас, как правило, стоят 15–18 долл. в расчете на гигабайт. Как и твердотельные носители, память на базе массивов в незначительной степени задействует механические элементы, что снижает уровень энергопотребления и уровень выделяемого тепла. Механизм, используемый для движения игл, по словам Лея, очень низкоэнергоемкий. Так как устройства памяти, основанные на технологии Nanochip, просты и не включают сотен компонентов, в отличие от жестких дисков, они отличаются большей надежностью. В отличие от традиционных серверных систем хранения на базе жестких дисков, как заметил Найт, технология компании предотвращает проблемы с очередностью обработки запросов, которые возникают, когда несколько пользователей одновременно пытаются получить доступ к данным. «Когда у вас есть такое устройство памяти - у вас есть множество точек доступа», - сказал он. Внутренний контроллер в Nanochip «опускает» в устройство массив игл, и считывает массив данных.
Технология на базе массивов не является чем-то новым или уникальным, отметила Бурне, однако в Nanochip применяют ее несколько необычным образом: «Иглы, которые формируют основу ее технологии хранения, совсем не те, что применяются в атомно-силовых микроскопах».
В конце 90-х годов сотрудники лаборатории IBM Zurich Research Laboratory первыми продемонстрировали схожую технологию. В проекте Millipede («многоножка») использовались микроэлектро-механические системы (MicroElectro-Mechanical System, MEMS). Проект Millipede опирался на исследования в области нанотехнологий, в рамках которых отдельные атомы железа помещались с особой точностью на специальным образом подготовленную медную поверхность. Данное исследование в свое время даже принесло Нобелевскую премию по физике двум ученым из корпорации IBM. В устройстве Millipede с помощью микроскопической иглы делается выемка на полимерном материале. Каждая такая выемка соответствует одному биту; именно из таких действий и состоит операция записи. Эти углубления затем могут быть удалены с поверхности материала; это соответствует операции удаления.
За счет использования целого набора игл система хранения на базе массивов поддерживает высокую скорость передачи данных, причем каждая игла может независимо писать, читать и удалять данные в своем собственном поле хранения. Если Millipede делает выемки на пластике, то в Nanochip, по словам Найта, нашли лучший материал для процесса чтения и записи (он отказался назвать этот материал). Полтора года назад, как сообщил Найт, компания создала новый тип носителя, который выдерживает неограниченное число операций записи: «Этот носитель абсолютно не изнашивается». Аналитик компании In-Stat Стив Куллен уверен, что Nanochip лицензирует материал на базе халькогенидного стекла, созданного в Ovonyx. Лей, который работает и в Ovonyx, отказался дать комментарий по поводу того, какой материал применяет Nanochip, отметив, что работы по материалам с изменением фазового состояния, выполненные в Ovonyx, связаны с сокращением нормы проектирования в современных полупроводниковых технологиях.
«Потенциальное препятствие на пути совершенствования технологии Nanochip, - подчеркнул он, - состоит в том, что иглы, имеющие радиус действия менее 25 нм, могут очень быстро изнашиваться».
Покрытие игл станет особенно важным, если запоминающие устройства, построенные по принципу массива, будут использоваться в системах хранения данных в серверах. Лей согласен с ним. Он тоже считает, что иглы - это серьезная проблема, поскольку они находятся в механическом контакте с поверхностью материала. Найт, отказавшийся уточнить, как именно Nanochip разрешила проблему с покрытием игл, настаивает, что его компания добилась прорыва в своих исследованиях в ее решении.
Куллен из In-Stat утверждает, что новая технология найдет свое применение как альтернатива жестким дискам в мобильных компьютерах. «Думать о емкости в 100 Гбайт меня заставляет мысль о том, что в этом случае мы получаем прекрасное решение, которым можно заменить жесткий диск в ноутбуке, - заметил он. - Нужно приблизиться по цене к дискам, а затем предложить и другие преимущества. Так, новое решение обеспечивает меньшее энергопотребление. Оно может быть более надежным».
В Nanochip уверены и в том, что смогут выпустить продукт в том же форм-факторе, что и существующие диски. «Мы сделаем интерфейс, который позволит поддерживать ‘горячее подключение’, - добавил Найт. - Это новая технология, но мы хотим, чтобы она хорошо подходила для тех систем, в которых будет применяться». Нерешенным для Nanochip остается серьезный вопрос - удастся ли компании создать работающие прототипы с теми преимуществами в цене, которые, как предполагается, сможет обеспечить технология на базе массивов, по сравнению с традиционными видами памяти. Тот факт, что в IBM, по-видимому, отказались от исследований в рамках проекта Millipede, не смущает Бурне. Фактически, как отметила она, несколько человек из числа исследователей IBM в настоящее время консультируют Nanochip. По словам Найта, 50 инженеров и ученых работают над прототипами в разных странах либо как сотрудники Nanochip, либо в организациях, с которыми его компания сотрудничает.
Между тем, в IBM продолжают участвовать в еще одном совместном исследовательском проекте ProTeM, цель которого - создание «терабитной» системы хранения на базе зондов (probe-based memory).
По словам Эванжелоса Элефтериоу, менеджера группы технологий хранения IBM Labs, корпорация создала прототип, имеющий плотность хранения 1 терабайт на квадратный дюйм. Результаты исследования будут опубликованы в статье, запланированной к публикации в IBM Journal of Research and Development. Однако группа не планирует создавать никаких коммерческих продуктов, а оставит это другим компаниям, которые захотят лицензировать результаты этого исследования.
Трудности с внедрением любого нового вида памяти, как заметил Элефтериоу, состоят в том, что флэш-память пока еще имеет неплохие перспективы развития: «К 2010 году появятся модули стоимостью 1 долл. за гигабайт, поэтому будем надеяться, что удельная стоимость памяти на базе зондов будет ниже».