Ученые IBM заявили о прорыве в области хранения информации

В настоящее время гамма запоминающих устройств включает в себя оперативную DRAM-память, жесткие диски и используемую практически повсеместно флэш-память. Однако последние несколько лет внимание специалистов отрасли привлекает PCM в качестве потенциальной универсальной технологии памяти, которая сочетает в себе высокие параметры скорости считывания/записи, износостойкости, устойчивости и плотности. Например, в отличие от DRAM, PCM сохранит данные даже при отключении источника питания. Кроме того, новая технология памяти сможет выдержать по меньшей мере 10 миллионов циклов перезаписи, в то время как флэшка USB – максимум 3000.

Этот исследовательский прорыв обеспечивает быстрое и простое хранение информации и способен справиться с экспоненциальным ростом объемов данных от мобильных устройств и Интернета вещей. 

Приложения

Ученые IBM ожидают применения PCM самостоятельно или в составе гибридных приложений, сочетающих PCM и флэш-память. В последнем случае PCM выступает в роли высокоскоростного кэша. Применение PCM позволит запускать ОС мобильного телефона за пару секунд. На предприятиях память PCM может использоваться для хранения целых баз данных, давая возможность быстро обрабатывать срочные запросы в онлайн-приложениях, например, проводить финансовые транзакции.

Алгоритмы машинного обучения, использующие обширные наборы данных, также получат быстрое распространение, благодаря значительному уменьшению времени задержки в процессе считывания данных между циклами. 

Как работает PCM

Материалы PCM демонстрируют два устойчивых состояния: аморфную (без четко определенной структуры) и кристаллическую (имеющую структуру) фазы, с низкими и высокими показателями электропроводимости, соответственно.

Для записи 0 и 1 на ячейке PCM на материал воздействуют высоким или средним током. Значение 0 может быть записано в аморфной фазе, а 1 – в кристаллической фазе или наоборот. Для того, чтобы затем прочитать записанный бит, используется низкое напряжение. Подобным образом сохраняются видео на перезаписываемых Blu-ray дисках.*

Ранее исследователи IBM и других институтов успешно продемонстрировали возможность хранения 1 бита информации в одной ячейке памяти PCM. Теперь же на конференции IEEE International Memory Workshop в Париже ученые компании впервые представили надежное хранение трех битов данных в одной ячейке в массиве 64К при повышенных температурах и после 1 миллиона циклов. 

«Память с изменением фазового состояния – это первый элемент универсальной памяти, обладающий свойствами DRAM и флэш-памяти, и потому способный решить одну из важнейших задач нашей отрасли, – сказал доктор Гарис Позидис, автор доклада и руководитель исследования памяти длительного хранения подразделения IBM Research в Цюрихе. – Добившись хранения трех битов информации в одной ячейке, мы совершили настоящий прорыв, поскольку при такой плотности стоимость PCM-памяти значительно ниже, чем DRAM и почти равна стоимости флэш-памяти».  

Чтобы достичь многобитового хранения, исследователи IBM разработали две инновационные технологии: защищенную от дрейфа систему измерения состояния ячейки, и невосприимчивые к дрейфу схемы кодирования и обнаружения.

Говоря более конкретно, новая система измерения защищена от дрейфа электропроводимости, так как регистрирует физическое свойство ячейки PCM, остающееся неизменным с течением времени. Чтобы обеспечить дополнительную устойчивость записанных данных, используется новая схема кодирования и обнаружения. Она адаптивно модифицирует пороги обнаружения, подстраиваясь под температурные изменения характеристик ячейки. В результате запись в ячейке может быть надежно считана в течение длительного времени после того, как память была запрограммирована.

«Сочетание новых улучшений помогает решить ключевые вопросы мультибитной памяти PCM, а именно защищает от таких явлений, как внутренний шум ячеек, температурная зависимость и дрейф сопротивления и обеспечивает устойчивую работу», – сказал доктор Эвангелос Элефтериу, почетный сотрудник IBM.

Используемый учеными IBM экспериментальный мультибитный чип PCM подключен к стандартной интегрированной плате. Он состоит из массива M-ячеек 2 × 2 на базе 4-банковой архитектуры с чередованием. Размер массива памяти – 2 × 1000 × 800 микрометров. Ячейки PCM основаны на легированном халькогенидном элементе и были интегрированы в прототип чипа, служившем в качестве средства определения характеристик и изготовленном по 90-нм КМОП-технологии. 

Об OpenPOWER

На саммите OpenPOWER, состоявшемся в апреле 2016 года в Сан-Хосе, штат Калифорния, ученые IBM впервые продемонстрировали память с изменением фазового состояния, прикрепленную к серверам на базе POWER8 (разработанных IBM и TYAN® Computer Corp.) через протокол CAPI (Coherent Accelerator Processor Interface). Эта технология обеспечивает малую задержку и небольшую гранулярность доступа PCM, а также эффективность архитектуры OpenPOWER и протокола CAPI. На демонстрации ученые зафиксировали очень низкие устойчивые показатели задержки при 128-байтовом считывании/записи между чипами PCM и процессором POWER8.