Память с изменением фазы

Введение

Несколько лет назад я написал статью под названием Memory Storage о будущих технологиях памяти. В этой статье обсуждались молекулярная память, память с фазовым переходом, голографическая память и магниторезистивная RAM. В этой статье я решил вернуться к этой статье и немного расширить раздел, посвященный памяти с изменением фазы. Это также даст мне возможность представить некоторые достижения в технологии, недавно объявленной IBM.

Фон

Чтобы понять новые достижения, сделанные исследователями IBM, вам необходимо знать основы науки о памяти с фазовым переходом и проблемы, связанные с ней. Память с фазовым переходом действительно очень похожа на технологию, используемую в технологиях CD-R и DVD-R.

При записи оптических дисков лазер изменяет непрозрачность небольших областей на диске. Лазер может сделать небольшую область более непрозрачной или менее непрозрачной. Он делает это, изменяя материал из аморфного состояния в кристаллическое состояние или из кристаллического состояния в аморфное состояние. Когда считыватель дисков затем считывает отражение с диска, считыватель сможет определить, находится ли область в аморфном или кристаллическом состоянии, таким образом считывая либо логическую «1», либо логический «0».

Точно так же память фазового перехода также изменяет небольшую область из аморфного состояния в кристаллическое состояние и обратно. Однако в реализациях памяти с фазовым переходом это изменение осуществляется с помощью электрического тока, а не лазера. Точнее, это тепло может изменить состояние оптического диска, а реализации памяти с фазовым переходом просто изменяют то, как это тепло создается/распределяется. В моей предыдущей статье «Хранилище памяти» я подчеркнул научное сходство удельного сопротивления с непрозрачностью, которое включает даже отражение!

Системы памяти с изменением фазы могут определить, находится ли область, часто называемая ячейкой, в аморфном или кристаллическом состоянии, путем измерения ее электрического сопротивления. Это приводит к одному из основных преимуществ системы памяти с фазовым переходом; уровни удельного сопротивления аморфного и кристаллического состояний резко различаются. Это позволяет нам реализовать разные уровни кристаллизации, чтобы каждая область могла иметь не просто два состояния, а потенциально несколько состояний. Этот тип хранилища, в котором одна область может иметь несколько состояний, называется хранилищем многоуровневых ячеек (MLC).

Преимущества

Поскольку производство памяти с фазовым переходом довольно дорого, считается, что значительная реализация хранилища MLC позволит использовать очень большие объемы памяти и оправдает высокую цену технологии на конкурентном рынке. Конечно, память MLC не уникальна для реализаций памяти с фазовым переходом; это также наблюдается во флэш-памяти. В решениях для хранения данных на основе флэш-памяти обычно поддерживаются четыре состояния для каждой ячейки. Это обеспечивает два бита памяти для каждой ячейки — в отличие от одного бита на продажу для хранилища одноуровневых ячеек (SLC).

Рис. 1. Характеристики памяти с фазовым переходом (PCM) по сравнению с другими типами (любезно предоставлено hothardware.com)

Помимо MLC, каковы другие преимущества решений памяти с фазовым переходом? Как и в случае со вспышкой, здесь нет движущихся частей, что увеличивает срок службы и удобство использования. Кроме того, поскольку состояния ячеек изменяются под воздействием тепла посредством электрического импульса, нет опасности иметь маленькие магниты в непосредственной близости от памяти. Кроме того, эти электрические импульсы могут очень быстро изменять состояния, что может привести к значительному сокращению времени записи по сравнению с флэш-памятью.

Проблемы

У хранилища MLC есть некоторые недостатки. Поскольку в одной ячейке хранится больше состояний, разница между этими состояниями меньше, что может привести к более высокому коэффициенту ошибок по битам (BER). В решениях для хранения данных на основе флэш-памяти с этим можно справиться, увеличив роль модулей исправления ошибок. Усиленное исправление ошибок может потенциально замедлить работу приложения, но это компромисс за то, что вы фактически удваиваете объем хранилища в физической области.

В памяти с фазовым переходом эффект наличия четырех состояний на ячейку даже более драматичен, чем в реализациях на основе флэш-памяти. Это происходит из-за того, что клетки имеют так называемый дрейф сопротивления. Дрейф сопротивления описывает эффект изменения или дрейфа уровня сопротивления различных состояний с течением времени.

Итак, вы можете спросить – что такого особенного в этом дрейфе сопротивления? Разве мы не можем просто сохранить известное значение в некоторых ячейках и измерить дрейф во времени, а затем компенсировать дрейф при чтении из других ячеек? Да, могли бы, если бы дрейф был равномерным по ячейкам. Это не. Дрейф сопротивления является несколько неустойчивым и не может быть компенсирован таким образом.

Новая техника

Ученые IBM недавно разработали новый метод противодействия дрейфу сопротивления, наблюдаемому в системах памяти с фазовым переходом. Их система основана на их выводах о том, что, хотя уровень сопротивления для каждого состояния дрейфует, порядок сопротивления состояний остается прежним — по большей части. Например, если состояние 1 менее активно, чем состояние 2, оно останется менее резистивным, чем состояние 2, даже после возникновения значительного дрейфа.

Это позволяет кодировать данные не в запрограммированном состоянии, а в относительном порядке состояний в небольшой группе ячеек. При использовании этого типа схемы кодирования ошибки будут видны только при пересечении уровней удельного сопротивления состояний. Например, если состояние 1 становится более резистивным, чем состояние 2. Такой эффект действительно имеет место, но случается относительно редко — особенно для небольших групп клеток. Если ошибки обнаруживаются при использовании такой схемы кодирования, могут быть эффективно применены типичные методологии исправления ошибок на основе программного обеспечения. Использование этого метода происходит за счет уменьшения емкости хранилища. В то время как четырехуровневая реализация MLC может позволить хранить два бита на ячейку, метод, реализованный учеными IBM, использовал только 1,57 бита на ячейку. Хотя это значительное сокращение по сравнению с полными возможностями MLC, это все же значительное улучшение емкости хранилища по сравнению с реализациями SLC.

Статья ученых IBM, которую можно найти здесь, содержит очень впечатляющие результаты. Например, используя этот метод и сравнивая его с методом эталонной ячейки, подобным тому, что я описал ранее, они наблюдали значительное улучшение обнаружения BER. Через 30 дней их метод показал BER около 1/100000, что значительно меньше, чем BER, полученный с использованием метода эталонной ячейки, который составлял около 1/1000.

Этот прорыв, разработанный IBM, имеет большое значение. Я уверен, что с увеличением количества ученых, работающих с этой техникой и применяющих свои собственные теории и реализации, BER таких методов будет продолжать улучшаться. В сочетании с достижениями в области производственных процессов память с фазовым переходом скоро станет конкурентоспособным решением для высокопроизводительных реализаций.

Еще одна проблема реализации памяти с фазовым переходом — это точность, необходимая при установке состояния ячейки. Поскольку состояние изменяется за счет тепла, создаваемого электрическим импульсом, существует риск того, что тепло передастся соседним ячейкам и изменит их состояние, что приведет к более высокому значению BER. Это можно смягчить с помощью надлежащих производственных технологий, но это пример проблем, с которыми сталкивается эта технология.