Широко о мемристоре заговорили уже в 2010 году, когда компания HP заявила о возможности выпускать массивы памяти на мемристорах промышленным способом. Ранее мемристор считался гипотетически возможным четвёртым электротехническим элементом в дополнение к конденсатору, резистору и катушке индуктивности.
Фактически мемристор ― это резистор с электронным образом управляемым и даже обратимым сопротивлением. Ещё проще ― это резистивная память. В каком-то смысле память 3D XPoint компании Intel ― это тоже мемристор. Это мы к тому, что мемристор не является чем-то исключительным. Обычно это два электрода, один из которых зачастую состоит из серебра, между которыми заключён слой аморфного кремния. При подаче напряжения на электроды между ними устанавливается проводящий ток канал (происходит насыщение ионами). Снятие напряжения не снижает насыщенность канала ионами, что ведёт к эффекту памяти. И таких состояний может быть множество, а не два, как 0 или 1 в случае обычных транзисторов.
Компании Intel и Micron совместными усилиями создали новый тип системы хранения данных, который в одну тысячу раз быстрее самой передовой памяти NAND Flash. Новый тип памяти, получивший название 3D XPoint, показывает скорости чтения и записи в тысячу раз превышающие скорость обычной памяти NAND, а также обладает высокой степенью прочности и плотности. Новостное агентство CNET сообщает, что новая память в 10 раз плотнее чипов NAND и позволяет на той же физической площади сохранять больше данных и при этом потребляет меньше питания. Кроме того, указывается, что новый тип памяти очень даже «доступен», хотя вопросы о возможной конечной цене продукта на базе такого типа памяти по-прежнему остаются открытыми.
Intel и Micron заявляют, что их новый тип памяти может использоваться как в качестве системной, так и в качестве энергозависимой памяти, то есть, другими словами, ее можно использовать в качестве замены как оперативной RAM-памяти, так и SSD. В настоящий момент компьютеры могут взаимодействовать с новым типом памяти через интерфейс PCI Express, однако Intel говорит, что такой тип подключения не сможет раскрыть весь потенциал скоростей новой памяти, поэтому для максимальной эффективности памяти XPoint придется разработать новую архитектуру материнской платы.
Благодаря новой технологии 3DXpoint (кросс-поинт) ячейка памяти меняет сопротивление для различения между нулем и единицей. Поскольку ячейка памяти Optane не одержит транзистора, плотность хранения данных в памяти Optane превышает в 10 раз показатели NAND Flash. Доступ к индивидуальной ячейке обеспечивает сочетание определенных напряжений на пересекающихся линиях проводников. Аббревиатура 3D введена поскольку ячейки в памяти расположены в несколько слоев.
Уже в 2016 году технология получила широкое применение и стала использоваться как в аналогах флеш-карт, так и в модулях оперативной памяти и жестких дисках. Благодаря новой техноголии, компьютерные игры получили мощнейшее развитие, ведь сложные по объему памяти локации и карты будут загружаться мгновенно. Intel заявляет о 1000-кратном превосходстве нового типа памяти, по сравнению с привычными нам флеш-картами и жесткими дисками.
Устройства под брендом Optane начала производить компания Micron с использованием 20-нм техпроцесса. В первую очередь был произведен выпуск 2.5 дюймовых твердотельных накопителей SSD, но также вышли диски SSD с другими типоразмерами, дополнительно компания выпустила модули оперативной памяти Оптейн DDR4 для серверных платформ Интел.
Компания Intel начала прием заявок на поставки модулей NVDIMM Optane DC Persistent Memory, разработанных на базе 3D Xpoint в 2018 году. Новые модули по сравнению с обычными SSD-накопителями обладают имеют более высокую производительность, что позволяет многократно увеличить скорость работы различных приложений, таких как БД.
Накопители NVDIMM Optane DC Persistent Memory работают по протоколу памяти DDR4 и подходят для установки в слоты оперативной памяти, что позволяет добиться максимальной производительности накопителя данных, находящегося рядом с микропроцессором. Заказчики, которые уже начали использование модулей NVDIMM Optane DC Persistent Memory, отмечали, что им удалось добиться рекордных показателей производительности.
Intel поставила первые накопители Optane DC Persistent Memory компаниям Google, Microsoft и Alibaba и получила от них положительные отзывы. Так, Microsoft сообщила о достижении производительности на рекордном уровне - 13,7 млн IOPS. Таких показатели не удавалось добиться до настоящего времени ни на одной другой платформе.
Семейство модулей Optane DC Persistent Memory включали в себя три модели накопителей различной емкости - 128, 256 и 512 Гбайт. Модель Optane DC Persistent Memory 512 состоит из 10 многослойных микросхем памяти 3D XPoint, задействуя до 640 Гбайт памяти и обладает количеством «избыточной памяти», которая вдвое превышает модули DDR4 SDRAM с ECC. В открытой информации достаточно сведений, чтобы судить о их рекордной производительности в случайных операциях записи и чтения. К примеру, скорость стандартного серверного SSD с шиной PCI Express находится на уровне в 550–750 тысяч IOPS, следовательно, несколько накопителей Optane DC Persistent Memory обеспечивают аналогичную скорость выше, чем серверные SSD, обеспечивая при этом более высокий уровень надежности.
Существуют и другие аналогичные технологии, например, HP и SanDisk работают над энергонезависимой памятью Storage Class Memory (SCM). В ее основу легла технология ReRAM на основе мемристоров. Преимущества SCM все те же: скорость и надежность в 1000 раз больше, чем у флеш-памяти NAND.
Структура 3D XPoint весьма проста. Пары из селектора и ячейки памяти располагаются на пересечении перпендикулярных рядов проводников — wordline и bitline. Отсюда и название: XPoint — читается как crosspoint, пересечение. При подаче определенного напряжения активируется селектор и происходит считывание или запись. При этом, в отличие от памяти DRAM, к каждой ячейке не прилагается по сравнительно сложному (и дорогому) транзистору.
Вторая часть в названии — аббревиатура 3D — означает, что ячейки на кристалле расположены в несколько слоев. Первое поколение 3D XPoint получило двуслойную структуру и выполнялось по 20-нанометровому техпроцессу. С последующим применением EUV-литографии и усложнением технологии производства до 10 нанометров структура 3D XPoint будет расти во всех измерениях. Micron уже работает над вторым поколением. Плотность упаковки ячеек у 3D XPoint выше в 8-10 раз, чем у NAND. В теории ячейка 3D XPoint способна хранить несколько бит, но представители Intel и Micron подчеркивают, что сейчас задачи по созданию подобного типа памяти не стоит.
Принципиальное отличие нового типа памяти в сравнении с NAND заключается и в том, что к каждой ячейке 3D XPoint предусмотрен индивидуальный доступ. Такой подход упрощает операции по сбору мусора, экономит энергию и не требует разработки сложного управляющего контроллера.
Мемристор удобно использовать и в качестве искусственного синапса. Он может передавать данные от одного искусственного нейрона к другому и запоминает не только сам факт передачи данных (служит памятью в двоичной системе), но также передаёт широкий диапазон значений сигнала, для чего в классической схемотехнике потребовалось бы несколько транзисторов. Исследователи уже подобрали альтернативу популярному среди разработчиков мемристоров серебру. Вместо чистого серебра предложено использовать сплав меди и серебра. Медь легко «цепляется» к кремниевой подложке и даёт возможность улавливать даже слабейший поток ионов серебра от одного электрода ячейки мемристора к другому. Проведенные опыты с массивом из десятков тысяч искусственных синапсов на кусочке кремния со сторонами 1 мм показали, что мемристоры запоминают и могут многократно и с большей чёткостью воспроизводить изображения, которые на них записываются. Это открывает путь к карманной электронике с зачатками интеллекта, напоминающего человеческий.
Версия сайта для слабовидящих