Энергонезависимая память (PMEM/NVDIMM)
Термином Persistent Memory (PMEM) охватывается большое семейство энергонезависимой памяти, куда входят продукты на базе технологий NVDIMM, SCM (storage class memory), NRAM, FRAM, ReRAM, MRAM, HPE Memristor и др. (рис. 1).
Рис. 1. Сравнение технологий памяти [1].
PMEM — это энергонезависимая, побайтно-адресуемая память с низкой задержкой и плотностью, большей или равной динамической оперативной памяти (DRAM). Это выгодно, поскольку может значительно повысить производительность системы и обеспечить фундаментальные изменения в вычислительной архитектуре. Приложения, промежуточное ПО и операционные системы больше не связаны накладными расходами файловой системы для выполнения постоянных транзакций.
Энергонезависимая память сегодня используется в базах данных, хранилищах, виртуализации, больших данных, облачных вычислениях/Интернете вещей и приложениях искусственного интеллекта. Энергонезависимая память поддерживается общеотраслевым оборудованием, программным обеспечением, стандартами и экосистемой платформ (https://www.snia.org/education/what-is-persistent-memory).
В SNIA для координации работ по стандартизации этого направления создана специальная группа – Persistent Memory Special Interest Group (PM SIG). PM SIG является членом сообщества SNIA и Compute, Memory, and Storage Initiative (https://www.snia.org/cmsi), которое обеспечивает логистическую и рекламную поддержку PM SIG (https://www.snia.org/forums/cmsi/NVDIMM).
Сопредседателями PM SIG являются представители из SMART Modular Technologies, Intel Corporation. В PM SIG также входят: AMD, ARM, Calypso Systems, Dell, Futurewei Technologies, HPE, IBM, Intel, Kioxia, Micron, Nyriad, Samsung, Silicon Motion, SK hynix, SMART Modular Technologies, Western Digital и Xilinx.
NVDIMM
NVDIMM (Non-Volatile Dual In-line Memory Module, энергонезависимый двухрядный модуль памяти) — это тип модуля памяти, который имеет как энергозависимую DRAM, так и энергонезависимую NAND. В случае сбоя питания или аппаратного сбоя конденсатор большой емкости может подавать питание на DRAM, передавать данные в NAND и возвращать их в DRAM после восстановления. NVDIMM обычно объединяет энергонезависимую флэш-память NAND с DRAM и объединяет выделенный резервный источник питания в одной подсистеме памяти. Модуль памяти с двойным расположением вывода (DIMM) — это тип оперативной памяти (ОЗУ), основными областями применения которой являются высокопроизводительные рабочие станции, корпоративные системы хранения данных, серверы и другие. Среди них коммерческие хранилища и серверы составляют наибольшую долю рынка: 72% в 2020 году, и эта доля продолжает расти [4].
NVDIMM использует пакет DIMM, который совместим со стандартными слотами DIMM и обменивается данными через стандартную шину DDR. Учитывая ее энергонезависимость и совместимость с традиционными интерфейсами DRAM, ее еще называют постоянной памятью. Включение второй памяти для обеспечения энергонезависимости (и встроенного резервного источника питания) увеличивает стоимость продукта по сравнению с энергозависимой памятью.
Объем мирового рынка энергонезависимых модулей памяти с двойным расположением вывода (NVDIMM) в 2022 году оценивался в $105,7 млн, а к 2029 году прогнозируется его скорректированный размер в $215,5 млн с среднегодовым темпом роста 10,7% в течение отчетного периода. Для сравнения — объем мирового рынка динамической памяти произвольного доступа (DRAM, Dynamic Random Access Memory) оценивается в $101,45 млрд в 2023 году [5].
Основными производителями на текущем рынке являются:
– Viking Technology (Sanmina) (https://www.vikingtechnology.com/);
– SK Hynix;
– Micron Technology;
– Xi’an UniIC Semiconductors Co., Ltd.,
– Netlist;
– AgigA Tech (Cypress);
– SMART Modular Technologiesy и др.
Северная Америка является основным производственным регионом в мире, занимая почти 2/3 доли мирового рынка.
JEDEC (https://www.jedec.org/) предлагает три типа реализации NVDIMM: NVDIMM-N, NVDIMM-F и NVDIMM-P (большую часть рынка занимает NVDIMM-N. Был еще один тип NVDIMM – NVDIMM-X, который развивался компанией Xitore, Inc., но в настоящее время у нее нет финансирования).
Типы NVDIMM:
– NVDIMM-N: DIMM с флэш-памятью и традиционной DRAM на одном модуле. Компьютер обращается к традиционной памяти DRAM непосредственно во время работы системы. В случае сбоя питания модуль копирует данные из энергозависимой традиционной DRAM в постоянную флэш-память и копирует их обратно при восстановлении питания. Он использует небольшой резервный источник питания для модуля, пока данные из DRAM копируются во флэш-память. Это самый “старый” тип;
– NVDIMM-F: DIMM с флэш-накопителем (буква F). Пользователям системы потребуется соединить модули памяти DIMM вместе с традиционными модулями DRAM DIMM. Хотя официального стандарта нет, модули типа NVDIMM-F доступны с 2014 года. Это самый медленный тип NVDIMM;
– NVDIMM-P: спецификация, полностью выпущенная JEDEC в феврале 2021 года. Буква P означает persistent (memory). Он позволяет основной памяти компьютера быть постоянной, используя технологию постоянной памяти, и может совместно использовать межсоединение DIMM DDR4 или DDR5 с модулями DIMM DRAM (https://en.wikipedia.org/wiki/NVDIMM) Может стать одним из лучших типов NVDIMM.
Рассматривая технологии памяти с акцентом на низкую задержку и пропускную способность, нельзя не отметить более высокопроизводительные технологии, чем стандартные DRAM, которые активно используются в ускорителях и GPU. Это, прежде всего – GDDR и HBM.
Стандарт GDDR был разработан на основе стандарта DDR компанией NVIDIA в 2000 г. Технически GDDR и DDR похожи, только GDDR разработан для видеокарт и предназначен для передачи очень больших объемов данных. GDDR (Graphics Double Data Rate) расшифровывается как двойная скорость передачи графических данных.
Главным отличием GDDR от DDR является более высокая пропускная способность, а также другие требования к рабочему напряжению. Впервые она была опробована на видеокарте GeForce FX 5800 Ultra.
GDDR6 (Graphics Double Data Rate) — 6-е поколение памяти DDR SDRAM, предназначенной для обработки графических данных (видеопамять) и для приложений, требующих высокой производительности. GDDR6 является графическим решением следующего поколения среди стандартов памяти JEDEC и может работать до двух раз быстрее, чем GDDR5, при этом её рабочее напряжение снижено на 10%. Также одной из отличительных особенностей новой памяти является работа каждой микросхемы в двухканальном режиме (https://ru.wikipedia.org/wiki/GDDR6).
Микросхемы GDDR6 используются в видеоускорителях NVidia серий GeForce 20 (Turing), продажа которых началась осенью 2018 года, также в серии GeForce 16 (за исключением GTX 1660 и некоторых GTX 1650 — они используют GDDR5) и Quadro RTX.
Видеоускорители AMD используют GDDR6 в моделях Radeon RX 5700 и 5700 XT, в серии Radeon RX 5000, а также в серии Radeon RX 6000 (RDNA 2).
Компания Micron разработала GDDR6X в тесном сотрудничестве с Nvidia. GDDR6X SGRAM всё еще не была стандартизирована JEDEC. Nvidia является единственным партнером Micron по запуску GDDR6X. GDDR6X предлагает увеличенную пропускную способность на вывод между 19–21 Гбит/с с PAM4, позволяя передавать два бита на символ и заменяя более раннее кодирование NRZ (PAM2), которое обеспечивало только один бит на символ, тем самым ограничивая пропускная способность GDDR6 на вывод до 16 Гбит/с. На данный момент эта память используется в видеокартах Nvidia GeForce RTX 30xx серии (начиная с 3070 Ti) и 40xx серии (начиная с 4070).
Компания Samsung объявила о разработке GDDR6W 29 ноября 2022 года. Её улучшения по сравнению с GDDR6:
- более высокая скорость передачи на контакт 22 Гбит / с;
- удвоение емкости пакета с 16 Гб до 32 Гб;
- удвоенное количество контактов ввода/вывода с 32 до 64;
- на 36% меньше толщина (на 0,7 мм по сравнению с 1,1 мм благодаря использованию разветвленной упаковки на уровне пластины (FOWLP)).
Стандарт GDDR6 оптимизирован для обеспечения максимальной производительности при необходимости и минимального энергопотребления в режиме ожидания (рис. 2, https://blogs.synopsys.com/vip-central/2019/06/25/gddr6-beyond-graphics-memory-for-aivr-and-autonomous-driving/).
Рис. 2. Особенности GDDR6 (https://blogs.synopsys.com/vipcentral/2019/06/25/gddr6-beyond-graphics-memory-for-aivr-and-autonomous-driving/).
GDDR в первую очередь был стандартом для поддержки графической обработки, сейчас он проникает и в другие области. Постепенное повышение производительности памяти GDDR делает ее подходящей для приложений, требующих очень высокой производительности.
Прямым конкурентом в таких приложениях может стать другой стандарт высокопроизводительной памяти — HBM (high bandwidth memory), который следует принципу параллелизма. Однако значительные усилия по разработке и производству, необходимые для производства HBM, приводят к увеличению цены. Более того, HBM — это нишевой стандарт, тогда как GDDR — хорошо зарекомендовавший себя стандарт в индустрии памяти. С точки зрения системной интеграции GDDR имеет преимущество над HBM (по мнению Synopsys).
Между тем, стандарт HBM активно развивается. AMD начала разработку высокопропускной памяти в 2008 году чтобы решить проблему постоянно растущего энергопотребления и уменьшения форм-фактора памяти. Партнеры: SK Hynix, UMC, Amkor Technology и ASE были также вовлечены в разработку. Массовое производство началось на заводах Hynix в Ичхоне в 2015 году.
HBM обеспечивает более высокую пропускную способность при меньшем расходе энергии и существенно меньших размерах по сравнению с DDR4 или GDDR5. Это достигается путём объединения в стек до восьми интегральных схем DRAM (включая опциональную базовую схему с контроллером памяти), которые соединены между собой с помощью сквозных кремниевых межсоединений (Through-silicon via) и микроконтактных выводов (microbumps).
19 января 2016 года Samsung объявила о начале массового производства HBM2 с емкостью до 8 ГБ на стек. SK Hynix также объявила о выпуске стеков по 4 ГБ в августе 2016 года.
20 марта 2019 года Samsung объявила о выпуске Flashbolt HBM2E с восемью кристаллами на стек, скоростью передачи 3,2 ГТ/с, что в сумме обеспечивает 16 ГБ и 410 ГБ/с на стек. 12 августа 2019 года SK Hynix анонсировала свой HBM2E с восемью кристаллами на стек, скоростью передачи 3,6 ГТ/с, что в сумме обеспечивает 16 ГБ и 460 ГБ/с на стек. 2 июля 2020 года SK Hynix объявила о начале серийного производства.
В конце 2020 года Micron объявила, что стандарт HBM2E будет обновлен, а также представила следующий стандарт, известный как HBMnext (позже переименованный в HBM3). Это должно было стать большим скачком поколений по сравнению с HBM2 и заменой HBM2E. Эта новая видеопамять должна была появиться на рынке в четвёртом квартале 2022 года. Скорее всего, она представит новую архитектуру, как следует из названия.
В феврале 2021 года Samsung объявила о разработке HBM с обработкой в памяти (HBM-PIM). Эта новая память обеспечивает вычислительные возможности искусственного интеллекта внутри памяти, чтобы увеличить масштабную обработку данных. Оптимизированный для DRAM механизм искусственного интеллекта размещается внутри каждого банка памяти, чтобы обеспечить параллельную обработку и свести к минимуму перемещение данных. Samsung утверждает, что это удвоит производительность системы и снизит энергопотребление более чем на 70%, при этом не потребуются какие-либо аппаратные или программные изменения в остальной части системы.
30 мая 2023 года SK Hynix представила свою память HBM3E со скоростью обработки данных до1,15 Tбайт/с (на 25% быстрее, чем у HBM3), которая должна выйти в производство в первой половине 2024 года.
Micron анонсировала первую в мире память HBM3 Gen2 с ёмкостью 24 Гбайт на стек и пропускной способностью 1,2 Тбайт/с. Кроме того, был обещан рост ёмкости в 2,5 раза и производительности — в 1,7 раза к 2026 году (https://ru.wikipedia.org/wiki/Высокопропускная_память).
Решения и технологии PMEM/SCM
KIOXIA Europe GmbH
XL-FLASH™ – высокопроизводительное решение памяти класса SCM с малой задержкой
2 августа 2022 г. компания KIOXIA (до 1 октября 2019 г. – Toshiba Memory Holdings) объявила о выпуске второго поколения XL-FLASH™, решения Storage Class Memory (SCM), основанного на технологии флэш-памяти BiCS FLASH™ 3D, которое значительно снижает стоимость битов и одновременно обеспечивает высокую производительность и низкую задержку (серийное производство в 2023 году).
Второе поколение XL-FLASH™ обеспечивает значительное снижение стоимости битов в результате добавления новой функции многоуровневой ячейки (MLC) с 2 битами на ячейку в дополнение к одноуровневой ячейке (SLC) существующей модели. Максимальное количество плоскостей (planes), которые могут работать одновременно, также увеличилось по сравнению с предыдущей моделью, что позволит повысить пропускную способность. Новый XL-FLASH™ имеет объем памяти 256 гигабит.
“Решение памяти XL-FLASH™ второго поколения от Kioxia разработано для обеспечения более высокой производительности и снижения затрат для центров обработки данных, корпоративных серверов и систем хранения данных. В будущем возможно также будет возможность применять продукт с помощью CXL (Compute Express Link). Kioxia продолжит разработку передовых технологий и продуктов для удовлетворения потребностей растущего рынка SCM”, – говорится в пресс-релизе (https://www.kioxia.com/en-jp/business/news/2022/20220802-1.html).
XL-FLASH разработан для устранения разрыва в производительности, который в настоящее время существует между энергозависимыми запоминающими устройствами, такими как DRAM, и современной флэш-памятью (рис. 3). Как и любая флэш-память, XL-FLASH способна сохранять данные при отключении от источника питания. KIOXIA объявила о выпуске второго поколения XL-FLASH с функцией MLC (https://europe.kioxia.com/en-europe/business/memory/xlflash.html).
Рис. 3. Особенности чипов XL-FLASH (https://europe.kioxia.com/en-europe/business/memory/xlflash.html).
XL-FLASH, созданная на основе технологии флэш-памяти KIOXIA BiCS FLASH™ 3D, была разработана, чтобы помочь центрам обработки данных, поставщикам облачных услуг и предприятиям удовлетворить потребности все более требовательных приложений. Простая в управлении и масштабировании, XL-FLASH оснащена кристаллом 128 гигабит (Гбит) для SLC и кристаллом 256 гигабит (Гбит) для MLC (в корпусе с 2, 4 и 8 кристаллами), размером страницы 4 КБ для более эффективного чтения/записи операционной системой, быстрого чтения страниц. XL-FLASH имеет задержку чтения менее 5 мкс для режима SLC и 10 мкс для режима MLC.
Основные характеристики памяти класса хранения данных KIOXIA XL-FLASH:
– 16-плоскостная (16-plane) архитектура для уменьшения задержки;
– совместимость с flash memory protocol/package;
– быстрое чтение страниц и program time;
– высокая надежность ячейки;
– масштабируемость технологии BiCS FLASH™ 3D;
– размер страницы 4 КБ для более эффективного выполнения операций чтения и записи операционной системой;
– кристалл 128 ГБ (SLC) / кристалл 256 ГБ (MLC) (корпус с 2, 4 и 8 кристаллами — доступен уже сейчас).
Среди ключевых применений XL-FLASH: в качестве корпоративного хранилища (серверы хранения), хранение данных в центре обработки данных (облачные/edge серверы), использование в промышленности (автоматизация /цифровое здравоохранение / транспорт / видеонаблюдение / робототехника / дроны / безопасность / цифровые вывески / сеть 5G / PoS – точка продаж).
SCM SSD – KIOXIA FL-6
FL6-серия от KIOXIA – это двухпортовые SSD-накопители PCIe® 4.0 / NVMe™ (рис. 4), обеспечивающие отличную производительность систем с низкой задержкой для приложений, в которых время отклика является критически важным. Эта серия идеально подходит для применения в корпоративном сегменте и гиперштабируемых центрах обработки данных, например, для кэширования сервера, ведения журнала записи и кэширования данных чтения/записи в многоуровневых средах хранения (https://europe.kioxia.com/ru-ru/business/ssd/enterprise-ssd/fl6.html).
Рис. 4. KIOXIA SCM SSD FL-6 (https://europe.kioxia.com/ru-ru/business/ssd/enterprise-ssd/fl6.html).
В серии FL6 используются твердотельные устройства хранения данных (SCM) XL-FLASH от KIOXIA, которые устраняют разрыв в показателях производительности между DRAM и NAND флэш-памятью. Она предлагает долговечность DWPD (количество записей диска в день), равную 60, и производительность до 1,5 млн IOPS при произвольном чтении, 400 тыс. IOPS при произвольной записи, с задержкой чтения 29 мкс и задержкой записи 8 мкс.
Ключевые особенности:
– PCIe® 4.0, соответствие спецификации NVMe™ 1.4;
– 60 DWPD и емкость от 800 ГБ до 3200 ГБ;
– форм-фактор: 2,5-дюйма, толщина 15 мм;
– KIOXIA XL-FLASH — это 96-слойная 3D флэш-память BiCS FLASH™ и технология 1 бит на ячейку памяти (SLC) для высокоскоростного чтения и записи;
– соответствие SFF-TA-1001 (U.3), работает с Tri-mode контроллерами и объединительными платами;
– конструкция с двумя портами для приложений высокой доступности;
– высокая производительность с низкими задержками 29 мкс (задержка чтения) и 8 мкс (задержка записи);
– восстановление после сбоя флэш-памяти 6-го поколения и защита двойной контрольной суммой;
– защита от отказов системы электропитания (PLP) и сквозная защита передачи данных;
– подходит для корпоративных рабочих круглосуточных нагрузок;
– параметры безопасности данных: SIE, SED (TCG Opal/Ruby), FIPS 140-2.
Ключевые области применения:
– кэширование сервера и ведение журнала записи для корпоративного сегмента и крупных центров обработки данных;
– кэширование данных чтения/записи в многоуровневых хранилищах
MRAM/STT-MRAM /SOT-MRAM/ReRAM
В настоящее время число компаний, занимающихся исследованиями и разработкой продуктов на базе технологии и оборудования для MRAM более 50. Среди них – Crocus Nanoelectronics (завод в Москве), Intel, IBM, Fujitsu, Samsung, Seagate, SK Hynix и др. (https://www.mram-info.com/companies): Antaios (France), Applied Materials, Atomistix, Avalanche Technology, California Memory Technologies – MEMTECH, Canon ANELVA (ANalysis ELectronics VAcuum), Capres A/S (Danish), Cobham, Crocus Nanoelectronics (CNE, http://crocusnano.com/; была образована в 2011 г. РОСНАНО в кооперации с Crocus Technology; в настоящее время находится в стадии реорганизации), Crocus Technology (Grenoble/France), Cypress, Despatch Industries, eVaderis, EverSpin, Fujitsu, HFC Semiconductor, Honeywell, Hprobe, SK Hynix Semiconductor (Hynix has an active MRAM research program, in collaboration with Grandis, Samsung and Toshiba), IBM, Imec (Belgium), Infineon, Integral Solutions Int’l (ISI), Intel, Leuven Instruments (Belgium), Magnetic Solutions, MagOasis, MagSil, Micromem, MicroSense, Mountain Scientifics, NEC Group, Northern Lights Semiconductor Corporation (parallel and serial standalone EMRAM devices), Numem, NVE Corporation, Qaulcomm, QuantumWise, Rambus (IP on DDR-SDRAM), Rangduru, Renesas, Samsung, Seagate, Silicon Laude, Spin Memory, Spin-Ion Technologies, Spingate, Tegal Corporation (“non-volatile” ferroelectric (FeRAM) and magnetic (MRAM) devices), Tokyo Electron (TEL), Toshiba, Veeco.
MRAM (Magnetic RAM) — это технология памяти, которая использует вращение электронов для хранения информации (устройство MRAM — это устройство Spintronics). У MRAM есть потенциал стать универсальной памятью, способной сочетать плотность памяти со скоростью SRAM, при этом будучи энергонезависимой и энергоэффективной.
SRAM – Static random-access memory (static RAM или SRAM) — это тип RAM, в которой для хранения каждого бита используется схема с фиксацией (триггер). SRAM — энергозависимая память; данные теряются при отключении питания (https://en.wikipedia.org/wiki/Static_random-access_memory).
SRAM не следует путать с синхронной динамической оперативной памятью (synchronous dynamic random-access memory, SDRAM).
Термин статический отличает SRAM от DRAM (dynamic random-access memory) — SRAM будет хранить свои данные постоянно при наличии питания, тогда как данные в DRAM разрушаются за секунды и, следовательно, должны периодически обновляться. SRAM быстрее, чем DRAM, но дороже с точки зрения площади кремния и стоимости; он обычно используется для кэша и внутренних регистров ЦП, а DRAM используется для основной памяти компьютера.
Хотя SRAM можно охарактеризовать как энергозависимую память, в ней сохраняется остаточная память данных.
SRAM предлагает простую модель доступа к данным и не требует схемы обновления. Производительность и надежность хорошие, а энергопотребление в режиме ожидания низкое.
Поскольку для реализации SRAM требуется больше транзисторов на бит, она менее плотная и более дорогая, чем DRAM, а также имеет более высокое энергопотребление во время доступа к чтению или записи. Потребляемая мощность SRAM широко варьируется в зависимости от частоты обращения к ней.
SRAM также используется в персональных компьютерах, рабочих станциях, маршрутизаторах и периферийном оборудовании: файлы регистров ЦП, внутренние кэши ЦП, внутренние кэши графического процессора и внешние кэши SRAM пакетного режима, буферы жесткого диска, буферы маршрутизатора и т.д. ЖК-экраны и принтеры также обычно используют SRAM. для сохранения изображения на дисплее (или для печати). SRAM использовалась в качестве основной памяти многих ранних персональных компьютеров.
nvSRAM – энергонезависимая SRAM (Non-volatile SRAM) имеет стандартную функциональность SRAM, но сохраняет данные при потере питания, обеспечивая сохранность критической информации. nvSRAM используются в самых разных ситуациях – в сетевых, аэрокосмических и медицинских, среди многих других – где сохранение данных имеет решающее значение и где батареи нецелесообразны.
nvSRAM — это тип энергонезависимой оперативной памяти (NVRAM). nvSRAM расширяет функциональность базовой SRAM за счет добавления к чипу SRAM энергонезависимого хранилища, такого как EEPROM. В процессе работы данные записываются и считываются из части SRAM с высокоскоростным доступом; данные в SRAM затем могут быть сохранены в энергонезависимом хранилище или извлечены из него на более низких скоростях, когда это необходимо.
nvSRAM — одно из расширений технологий NVRAM, которая быстро заменяет статическую оперативную память с батарейным питанием (BBSRAM, battery-backed static random-access memory), особенно для приложений, которым требуются решения без батареи и долгосрочное хранение на скоростях SRAM. nvSRAM используются в самых разных ситуациях: в сетевых, аэрокосмических и медицинских, среди многих других, где сохранение данных имеет решающее значение и где батареи нецелесообразны. nvSRAM работает быстрее, чем решения EPROM и EEPROM (https://en.wikipedia.org/wiki/NvSRAM).
MRAM может противостоять высокому излучению, работать в экстремальных температурных условиях и быть устойчивым к несанкционированному вмешательству. Это делает MRAM подходящим для автомобильного, промышленного, военного и космического применения, а это важные сегменты для разработчиков MRAM.
Первые реализованные устройства MRAM использовали тумблерное переключение памяти, при котором магнитное поле используется для изменения спина электрона. Toggle MRAM было проще разработать, и чипы Toggle MRAM начали поставляться в 2006 г.
Однако Toggle MRAM было сложно масштабировать (текущие чипы ограничены 32 МБ), а устройства MRAM второго поколения используют другую архитектуру, которая использует спин-поляризованный ток для переключения вращения электронов. Так называемые устройства STT-MRAM быстрее, эффективнее и их легче масштабировать по сравнению с переключаемыми MRAM. Чипы STT-MRAM сейчас поставляются на рынок с плотностью до 1 Гб.
STT-MRAM (также называемый STT-RAM или иногда ST-MRAM и ST-RAM) представляет собой усовершенствованный тип устройств MRAM. STT-MRAM обеспечивает более высокую плотность, низкое энергопотребление и снижение стоимости по сравнению с обычными (так называемыми Toggle MRAM) устройствами. Основным преимуществом STT-MRAM перед Toggle MRAM является возможность масштабирования чипов STT-MRAM для достижения более высокой плотности при меньших затратах.
STT-MRAM имеет потенциал стать ведущей технологией хранения данных, поскольку это высокопроизводительная память (которая может конкурировать с DRAM и SRAM), которая может масштабироваться значительно ниже 10 нм и бросать вызов низкой стоимости флэш-памяти (https://www.mram-info.com/stt-mram).
STT (Spin-Transfer Torque) означает крутящий момент передачи вращения. В устройстве STT-MRAM спин электронов переворачивается с помощью спин-поляризованного тока. Этот эффект достигается в магнитном туннельном переходе (MTJ) или спиновом клапане, а в устройствах STT-MRAM используются туннельные переходы STT (STT-MTJ). Спин-поляризованный ток создается путем пропускания тока через тонкий магнитный слой. Затем этот ток направляется в более тонкий магнитный слой, который передает угловой момент тонкому слою, который меняет его спин (рис. 5).
Рис. 5. Физические принципы реализации STT-MRAM (https://www.mram-info.com/stt-mram).
«Обычная» структура STT-MRAM (похожая на ту, которую вы видите выше) использует плоскостной MTJ (iMTJ). В некоторых устройствах STT-MRAM используется более оптимизированная структура, называемая перпендикулярным MTJ (pMTJ), в которой магнитные моменты перпендикулярны поверхности кремниевой подложки.
Перпендикулярная STT-MRAM более масштабируема по сравнению с iMTJ STT-MRAM, а также более конкурентоспособна по цене. Таким образом, перпендикулярная STT-MRAM является более перспективной технологией для замены DRAM и других технологий памяти.
Несколько компаний, в том числе IBM и Samsung, Everspin, Avalanche Technologies, Spin Transfer Technologies и Crocus, разрабатывают чипы STT-MRAM.
SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM) может бросить вызов STT-MRAM, поскольку это более быстрая, плотная и гораздо более эффективная технология памяти (рис. 6).
Рис. 6. Сравнение работы STT-MRAM и SOT-RAM (https://www.mram-info.com/sot-mram)
В устройствах SOT-MRAM переключение свободного магнитного слоя осуществляется путем подачи плоскостного тока в соседний слой SOT, в отличие от STT-MRAM, где ток вводится перпендикулярно в магнитный туннельный переход, а операции чтения и записи выполняются через тот же путь.
В июне 2018 года исследователи из Imec впервые изготовили устройства SOT-MRAM на пластинах диаметром 300 мм с использованием процессов, совместимых с CMOS (https://www.mram-info.com/sot-mram).
Среди производителей ReRAM: Crossbar (https://www.crossbar-inc.com/), HP/HPE, Weebit Nano (https://www.weebit-nano.com/technology/resources/), NEO Semiconductor (https://neosemic.com/, https://neosemic.com/neo-semiconductor-launches-ground-breaking-3d-x-dram-technology-a-game-changer-in-the-memory-industry/), Micron (CBRAM), The Industrial Technology Research Institute (ITRI, Taiwan), Infineon Technologies (CBRAM), NEC (CBRAM), Quantum, 4DS Memory Limited.
Yole Group в июле 2023 г. выпустила исследование Market and Technology Trends. Status of the Memory Industry 2023, в котором приводятся основные тенденции на глобальном рынке памяти и делаются прогнозы по отдельным секторам рынка (https://www.yolegroup.com/product/report/status-of-the-memory-industry-2023/).
Everspin Technologies – STT-MRAM
2 ноября 2022 г. Everspin Technologies объявила (https://www.everspin.com/news/everspin-announces-commercial-availability-its-emxxlx-stt-mram-devices) о выпуске своего новейшего семейства продуктов STT-MRAM высокой плотности. EMxxLX теперь коммерчески доступен. Технология EMxxLX, анонсированная ранее в этом году, является самой высокопроизводительной энергонезависимой памятью, доступной сегодня. Она идеально подходит для использования в электронных системах, где постоянство и целостность данных, низкое энергопотребление, низкая задержка и безопасность имеют первостепенное значение, таких как промышленный Интернет вещей, сетевая/корпоративная инфраструктура, автоматизация и контроль процессов, авиация/авионика, медицина, игры и FPGA-конфигурации.
EMxxLX предлагает первый в отрасли последовательный интерфейс xSPI, основанный на уникальной технологии STT-MRAM компании Everspin. Это единственная коммерчески доступная энергонезависимая память с полной пропускной способностью чтения и записи 400 мегабайт в секунду через восемь сигналов ввода-вывода с тактовой частотой 200 МГц. Семейство устройств с низким энергопотреблением обеспечивает высочайшее сочетание производительности, долговечности и надежности хранения данных и предлагается с плотностью передачи данных от 8 до 64 мегабит. Семейство EMxxLX может заменить альтернативные решения, такие как флэш-устройства SRAM, BBSRAM, FRAM, NVSRAM и NOR.
Технология STT-MRAM менее подвержена воздействию радиации, чем другие постоянные запоминающие устройства. Семейство продуктов EMxxLX подходит для применения в аэрокосмической и авиационной промышленности благодаря своей высокой надежности, превосходному сроку службы и высокой скорости записи.
Технология MRAM Spin-Transfer Torque (STT) компании Everspin использует свойство спин-переноса крутящего момента, которое представляет собой манипулирование спином электронов с помощью поляризационного тока, чтобы установить желаемое магнитное состояние магнитного туннельного перехода (MTJ, magnetic tunnel junction).
STT-MRAM обеспечивает значительное снижение энергии переключения по сравнению с технологией Toggle MRAM. Она обладает высокой масштабируемостью, что позволяет создавать продукты с памятью более высокой плотности. Everspin STT-MRAM использует перпендикулярный MTJ с высокой перпендикулярной магнитной анизотропией, обеспечивающий длительное хранение данных, небольшой размер ячейки, большую плотность, высокую долговечность и низкое энергопотребление. При операции записи направление поляризующего тока, проходящего через MTJ, будет определять магнитное состояние свободного слоя. Когда MTJ находится параллельно фиксированному слою, он находится в состоянии с низким сопротивлением, а когда антипараллельно, он находится в состоянии с высоким сопротивлением, эффективно обеспечивая эквивалент битовой ячейки в состоянии логической единицы или нуля (рис. 7).
Рис. 7. Таксономия технологий памяти и хранения данных по циклам записи и времени доступа (https://www.everspin.com/spin-transfer-torque-mram-technology).
Everspin разработала продукты STT-MRAM, оптимизированные для различных рабочих нагрузок и вариантов использования памяти. Для центров обработки данных и корпоративных систем хранения Everspin предлагает устройство с плотностью 1 Гб, имеющее интерфейс типа DDR4 и работающее как энергонезависимая память DRAM.
Технология STT была усовершенствована, чтобы она могла работать в более широком диапазоне температур с увеличенной стойкостью к записи и сохранением данных, чтобы предоставлять продукты для промышленного Интернета вещей и более широких приложений для встраиваемых систем. В этих продуктах используется новый интерфейс xSPI стандарта JEDEC, обеспечивающий беспрецедентную пропускную способность для чтения и записи в стандартных корпусах с малым количеством контактов, низкой задержкой и высокой скоростью передачи данных.
Устройства Spin-transfer Torque MRAM (STT-MRAM) компании Everspin (https://www.everspin.com/family/emd4e001g?npath=3557, рис. 8) позволяют поставщикам корпоративной инфраструктуры и центров обработки данных повысить надежность и производительность систем, где высокая производительность сохранения данных имеет решающее значение, обеспечивая защиту от потери питания без использования суперконденсаторов или батарей:
– разработаны с использованием интерфейса DDRx, подобного JEDEC, со специальными модификациями для функциональности STT-MRAM;
– имеют высокую пропускную способность (1333 МТ/с на контакт) с истинной побайтовой адресацией и чрезвычайно низкой задержкой;
– обладают очень высокой надежностью, что упрощает проектирование системы даже при высоких нагрузках на память.
Рис. 8. 1 Gb STT-MRAM (ST-DDR4)
NETSOL
NETSOL (https://netsol.co.kr/company-profile/) — лидер в области решений памяти следующего поколения, особенно STT-MRAM (штаб-квартира находится в Кёнгидо, Корея). Компания основана в 2010 году. Производит 2 типа STT-MRAM: Serial STT-MRAM и Parallel STT-MRAM.
В августе 2023 г.NETSOL выпустила новые продукты STT-MRAM емкостью от 1 до 32 МБ и параллельные STT-MRAM от 1 МБ до 64 МБ через Samsung Electronics Foundry. Продукты STT-MRAM разработаны по 28-нм техпроцессу FDSOI Samsung Foundry. NETSOL планирует использовать 14-нм техпроцесс Samsung Foundry FinFET для увеличения плотности памяти и производительности. MRAM — это очень дорогое решение для использования памяти, несмотря на множество преимуществ, таких как высокая долговечность, длительное время хранения и высокая надежность.
Эти продукты NETSOL подходят для приложений, которым необходимо быстро и часто сохранять, и извлекать данные и программы благодаря энергонезависимости, практически неограниченному сроку службы и характеристикам быстрой записи STT-MRAM.
Они подходят для хранения кода, регистрации данных, резервной памяти и рабочей памяти в промышленных образцах и могут заменить Flash, FeRAM или nvSRAM с той же функциональностью и энергонезависимостью.
Ключевые особенности Serial STT-MRAM (https://netsol.co.kr/serial-products/):
– 1Mb, 2Mb, 4Mb, 8Mb, 16Mb, 32Mb Density;
– Power Supply: 1.8V (1.71V ~ 1.98V) or 3.3V (2.7V ~ 3.6V);
– Single, Dual and Quad SPI with SDR and DDR Serial interface Compatible;
– Data Retention: 10 years;
– Read Endurance: unlimited;
– Write Endurance: 1014;
– No external ECC required;
– Industry Standard Pin-out and Packages: 8WSON, 8SOP.
Ключевые особенности Parallel STT-MRAM (https://netsol.co.kr/parallel-products/):
– 1Mb, 2Mb, 4Mb, 8Mb, 16Mb, 32Mb, 64Mb Density;
– Power Supply: 1.8V (1.71V ~ 1.98V) or 3.3V (2.7V ~ 3.6V);
– Parallel asynchronous interface x16/x8 I/O;
– Page read/write function for high performance;
– Data Retention: 10 years;
– Read Endurance: unlimited;
– Write Endurance: 1014;
– No external ECC required;
– Package Type: 48FBGA, 44TSOP2, 54TSOP2.
Использование STT-MRAM для памяти журнала RAID
В памяти журнала на карте RAID-контроллера хранятся журналы и важные данные, такие как завершение записи данных, запись четности, журнал сбоев и т. д. При сбое питания контроллер обращается к памяти журнала и определяет, с чего начать восстановление, поэтому данные сохраняются в памяти. память журнала должна сохраняться даже при отключении питания. SRAM с батарейным питанием или nvSRAM используется в качестве журнальной памяти.
Поскольку MRAM является энергонезависимой памятью и обеспечивает быструю запись и хранение данных в реальном времени, она является идеальной памятью для RAID-системы.
MRAM обеспечивает следующие основные преимущества:
– устраняет контроллер напряжения, батарею и гнездо батареи, необходимые для SRAM;
– конденсатор для nvSRAM не требуется;
– защита от внезапного сбоя питания, короткое время восстановления;
– длительный срок хранения (retention) – 10 лет;
– практически нет ограничений по выносливости (100 триллионов циклов записи);
– высокая скорость записи (https://netsol.co.kr/wp-content/uploads/2023/08/S3R6416x1M_Preliminary_rev0.1.pdf):
- Page Mode Read Access (Interpage read access – 70ns; Intrapage read access – 15ns);
- Page Mode Write Access (Interpage write access – 320ns; Intrapage write access – 15ns).
Crossbar
CrossBar (https://www.crossbar-inc.com/) была основана в 2010 г. CrossBar ReRAM — уникальная технология памяти, которую можно интегрировать в систему на кристалле или производить в виде отдельного чипа памяти. Она играет важную роль в создании этого нового мира. ReRAM делает возможной тесно интегрированные подсистемы вычислений и хранения данных, освобождая проектировщиков от традиционных шинных архитектур хранения данных.
Резистивная память (ReRAM) – одна из разновидностей энергонезависимой памяти (позволяет сохранять данные при отсутствии питания). «Крокус Наноэлектроника» является единственным в России предприятием, способным серийно выпускать энергонезависимую память нового поколения.
Одним из дополнительных преимуществ технологии ReRAM является устойчивость чипов к воздействию неблагоприятных условий, в том числе высоких температур. Это создает дополнительные перспективы ее применения в высоконадёжной электронике, включая медицинскую технику.
Резистивная память с произвольным доступом (Resistive random-access memory, ReRAM или RRAM) — это тип энергонезависимой (NV) компьютерной памяти с произвольным доступом (RAM), которая работает путем изменения сопротивления диэлектрического твердотельного материала, часто называемого мемристором (https://en.wikipedia.org/wiki/Resistive_random-access_memory).
ReRAM имеет некоторое сходство с памятью с проводящим мостом (conductive-bridging RAM, CBRAM) и с памятью с фазовым переходом (phase-change memory, PCM). CBRAM включает в себя один электрод, обеспечивающий ионы, которые легко растворяются в материале электролита, тогда как PCM включает в себя генерацию достаточного джоулевого нагрева, чтобы вызвать фазовые изменения из аморфного в кристаллическое или из кристаллического в аморфное. Напротив, ReRAM предполагает создание дефектов в тонком оксидном слое, известных как кислородные вакансии (места оксидных связей, из которых был удален кислород), которые впоследствии могут заряжаться и дрейфовать под действием электрического поля. Движение ионов кислорода и вакансий в оксиде было бы аналогично движению электронов и дырок в полупроводнике.
Хотя ReRAM изначально рассматривалась как технология замены флэш-памяти, преимущества ReRAM по стоимости и производительности оказались недостаточными для того, чтобы компании приступили к замене. Судя по всему, для ReRAM можно использовать широкий спектр материалов. Однако открытие того, что популярный диэлектрик затвора с высоким к HfO2 может использоваться в качестве низковольтного ReRAM, побудило исследователей исследовать больше возможностей.
IP-ядра CrossBar ReRAM готовы к лицензированию по техпроцессу 2x нм и 1x нм, что позволяет использовать совершенно новые подсистемы — от «вычислений в памяти» до «вычислений в памяти». CrossBar активно расширяет свою экосистему партнеров по аппаратному и программному обеспечению, чтобы помочь переосмыслить, как новые архитектуры, ориентированные на ReRAM, могут положить начало следующей волне мировой трансформации.
Технология резистивного ОЗУ CrossBar имеет множество применений для высокопроизводительной и высокой плотности многократно программируемой памяти (MTP, multiple-time programmable), а также энергонезависимой памяти с кратковременным программированием (FTP, few-time programmable) и одноразовым программированием (OTP, one-time programmable). Кроме того, в настоящее время компания использует преимущества своей уникальной технологии ReRAM для ключей безопасности с физически неклонируемыми функциями (PUF, physically unclonable function), обеспечивая превосходные характеристики безопасности, более простые реализации, более высокую скорость обработки и синергию производства полупроводников со встроенной памятью ReRAM.
В январе 2017 года Crossbar Inc. начала производство ReRAM на мощностях своего партнера Semiconductor Manufacturing International Corp. (https://www.techtarget.com/searchstorage/definition/RRAM-or-ReRAM-resistive-RAM).
Crossbar производит несколько типов IP-ядер, в частности, для высокопроизводительной памяти и для памяти высокой плотности.
CrossBar Resistive RAM (ReRAM) IP-ядра памяти высокой плотности — идеальный выбор для приложений памяти с высокой плотностью и малой задержкой, таких как системы хранения данных в центрах обработки данных, мобильные компьютеры, бытовая электроника и искусственный интеллект. Они предлагают высокую плотность, низкую задержку, высокую производительность и низкое энергопотребление в энергонезависимой памяти (https://www.crossbar-inc.com/products/high-density-memory/).
CrossBar предлагает новый класс решений энергонезависимой памяти для приложений с интенсивным чтением, которые извлекают выгоду из превосходных характеристик технологий CrossBar 3D ReRAM.
Поддерживаемая плотность — от 64 Гбит (8 ГБ) или нестандартные размеры, что позволяет использовать от 128 ГБ NVDIMM до 1 ТБ NV-DIMM с 8 чипами в каждом корпусе. На системном уровне производительность чтения NV-DIMM достигает 25,6 ГБ/с – 64 операций ввода-вывода – задержка произвольного чтения 250 нс при потреблении активного чтения менее 1 Вт (рис. 9).
Рис. 9. Характеристики памяти высокой плотности CrossBar Resistive RAM (ReRAM) (https://www.crossbar-inc.com/products/high-density-memory/).
В дополнение к приложениям с энергонезависимой памятью высокой плотности, CrossBar также предлагает свою технологию ReRAM высокой плотности для использования в приложениях безопасности, где ячейка ReRAM используется для защиты ключей физических неклонируемых функций (PUF), встроенных в полупроводники.
В зависимости от бизнес-модели IP-ядра могут предоставляться клиентам в виде жестких макросов, которые можно интегрировать в устройства SoC или FPGA, или использовать в качестве автономных микросхем памяти.
Samsung
Компания Samsung Electronics, мировой лидер в области передовых полупроводниковых технологий, объявила (https://news.samsung.com/global/samsung-demonstrates-the-worlds-first-mram-based-in-memory-computing) о демонстрации первых в мире вычислений в оперативной памяти на основе MRAM (магниторезистивной оперативной памяти). Статья была опубликована on-line в журнале Nature 12 января и будет опубликована в ближайшем печатном издании Nature. Эта статья, озаглавленная «Перекрестная матрица магниторезистивных устройств памяти для вычислений в памяти» (“A crossbar array of magnetoresistive memory devices for in-memory computing”, https://www.nature.com/articles/s41586-021-04196-6), демонстрирует лидерство Samsung в области технологий памяти и ее усилия по объединению памяти и системных полупроводников для чипов искусственного интеллекта (ИИ) следующего поколения.
Исследование было проведено Институтом передовых технологий Samsung (SAIT) в тесном сотрудничестве с Центром исследований и разработок литейного бизнеса и полупроводников Samsung Electronics. Первый автор статьи, д-р Сынчул Юнг (Seungchul Jung), научный сотрудник SAIT, а также соавторы д-р Донхи Хэм (Donhee Ham), научный сотрудник SAIT и профессор Гарвардского университета, и д-р Сан Джун Ким (Sang Joon Kim), вице-президент по технологиям SAIT, возглавил исследования.
Новые разработки
NEO Semiconductor 3D X-DRAM
NEO Semiconductor, ведущий разработчик инновационных технологий для флэш-памяти 3D NAND и памяти DRAM, в мае 2023 г. объявила (https://neosemic.com/neo-semiconductor-launches-ground-breaking-3d-x-dram-technology-a-game-changer-in-the-memory-industry/)о выпуске своей революционной технологии 3D X-DRAM™. Эта разработка представляет собой первый в мире массив ячеек DRAM, подобный 3D NAND, который призван устранить узкое место в емкости DRAM и заменить весь рынок 2D DRAM. Соответствующие патентные заявки были опубликованы в публикации патентных заявок США 6 апреля 2023 г.
“3D X-DRAM™ станет абсолютным драйвером будущего роста полупроводниковой промышленности», — сказал Энди Сюй (Andy Hsu), основатель и генеральный директор NEO Semiconductor и опытный изобретатель технологий, имеющий более 120 патентов в США. – Сегодня я могу с уверенностью сказать, что Neo становится явным лидером на рынке 3D DRAM. Наше изобретение, по сравнению с другими решениями, представленными сегодня на рынке, очень простое и менее затратное в производстве и масштабировании. Отрасль может рассчитывать на восьмикратное увеличение плотности и емкости за десятилетие с помощью нашей 3D X-DRAM™”.
3D X-DRAM™ от NEO Semiconductor — это первая в своем роде структура массива ячеек DRAM, подобная 3D NAND, основанная на технологии плавающих ячеек без конденсаторов. Его можно изготовить с использованием современного процесса, подобного 3D NAND, и требуется только одна маска для определения отверстий битовых линий и формирования структуры ячеек внутри отверстий. Такая ячеистая структура упрощает этапы процесса и обеспечивает высокоскоростное, плотное, недорогое и высокопроизводительное решение. По оценкам Neo, технология 3D X-DRAM™ может обеспечить плотность 128 Гб с 230 слоями, что в 8 раз превышает сегодняшнюю плотность DRAM.
В настоящее время в рамках всей отрасли предпринимаются усилия по внедрению 3D в DRAM. Внедрение 3D X-DRAM™ предполагает использование только существующего зрелого процесса 3D NAND, в отличие от многих альтернатив перевода DRAM в 3D, предложенных в научных статьях и исследованных индустрией памяти. Без 3D X-DRAM™ отрасли придется ждать десятилетия, преодолевая неизбежные сбои в производстве и смягчая неприемлемые проблемы с производительностью и затратами. 3D X-DRAM™ — это необходимое решение для удовлетворения растущего спроса на высокопроизводительные и емкие полупроводниковые устройства памяти, вызванного новой волной приложений искусственного интеллекта (ИИ), таких как ChatGPT.
Новая технология была представлена на FMS’2023 (8-10 авг. 2023 г.) (https://neosemic.com/neo-semiconductor-to-present-its-ground-breaking-3d-nand-and-3d-dram-architectures-in-keynote-address-at-flash-memory-summit-2023/), где представители NEO Semiconductor рассказали о преимуществах своей «многоэтажной» архитектуры для таких перспективных заменителей флеш-конструкций, как 3D NOR, 3D Ferroelectric RAM (FFRAM), 3D Resistive RAM (RRAM), 3D Magnetoresistive RAM (MRAM) и 3D Phase Change Memory (PCM). Доклад назывался “New Architectures which will Drive Future 3D NAND and 3D DRAM Solutions”.
На саммите FMS’2023 NEO Semiconductor 3D X-DRAM™ была удостоена награды «Best of Show» за самую инновационную технологию памяти (https://neosemic.com/neo-semiconductor-3d-x-dramtm-awarded-best-of-show-for-most-innovative-memory-technology/).
Nantero – NRAM
Nano-RAM (NRAM) — это запатентованная технология компьютерной памяти от компании Nantero. Это тип энергонезависимой памяти с произвольным доступом (nonvolatile random-access memory), основанный на положении углеродных нанотрубок, нанесенных на подложку. Теоретически небольшой размер нанотрубок обеспечивает очень высокую плотность памяти (https://en.wikipedia.org/wiki/Nano-RAM).
Nantero NRAM — это NVRAM, созданная с использованием углеродных нанотрубок для реализации устройства памяти с резистивным переключением. Его можно спроектировать с использованием традиционной структуры 1T1R, но для более высоких плотностей предпочтительнее использовать внутреннюю структуру точки пересечения. Внутренние схемы преобразуют физический интерфейс ввода-вывода точки пересечения в банки, строки и столбцы стандартного интерфейса DRAM [11].
Nantero NRAM — идеальная NVRAM. Первоначальная версия NRAM использует интерфейс, совместимый с DDR5, и в настоящее время ведется разработка интерфейса, совместимого с DDR6. NRAM работает на полной скорости DRAM, обеспечивая бесконечное сохранение данных после записи в ячейки памяти, даже в таких ситуациях, как сбой питания и экстремальные температурные условия. При отсутствии механизмов износа никогда не возникает необходимости в недетерминированных задержках, таких как выравнивание износа.
Nantero также называет свою технологию – хранилище класса памяти (MCS, Memory class storage) — это новая энергонезависимая технология, призванная заменить DRAM в качестве основного хранилища для приложений и данных. MCS имеет скорость DRAM в сочетании с возможностью сохранения данных для сохранения всех данных в случае сбоя питания или других сбоев системы (рис. 10).
Рис. 10. Сравнение NRAM с другими технологиями [12].
Одно из ключевых особенностей NRAM – отсутствие динамических ячеек, таких как у DRAM, поэтому NRAM не требуется их обновление. Поэтому системы могут либо снизить энергопотребление на 15% при использовании существующего протокола, либо воспользоваться преимуществами исключения интервалов обновления, чтобы добиться увеличения производительности передачи данных на 15% при той же тактовой частоте и мощности по сравнению с DRAM. Сочетая эти преимущества, NRAM обеспечивает на 34% улучшение по сравнению с DRAM по количеству обработанных гигабайт на каждый сожженный ватт.
Может ли NRAM конкурировать по цене?
Успех DRAM и Flash как доминирующих решений в области памяти заключается в их способности предлагать низкую цену за бит хранимых данных. Чтобы хранилище класса памяти могло конкурировать с DRAM, оно также должно предлагать конкурентоспособную цену. NRAM имеет хорошие возможности предложить конкурентоспособные цены. Основными факторами, способствующими конкурентоспособности NRAM, являются геометрия процесса и трехмерная масштабируемость, этапы обработки и сырье.
NRAM достигает верхнего предела адресуемости DDR5, 32 ГБ на чип, при использовании 24-нм логического процесса. Это достигается за счет сочетания небольших размеров ячеек памяти (8 ГБ на слой) и создания четырех слоев ячеек друг над другом. Чтобы достичь эквивалентной плотности устройств, DRAM должна иметь все ячейки емкостью 32 ГБ на одном слое, что требует процессов точной геометрии, таких как 1Y или 1Z. Стоимость NRAM по своей сути ниже, чем эквивалентная DRAM, как из-за простоты изготовления, так и из-за более высокой плотности на единицу площади из-за нескольких 3D-слоев.
Углерод является вторым по распространенности элементом на Земле, что значительно упрощает цепочку поставок памяти на основе углеродных нанотрубок и сохраняет производственные затраты на низком и предсказуемом уровне. Это весьма выгодно отличается от других технологий энергонезависимой памяти, таких как MRAM, для которых требуется ряд экзотических соединений. Среди многих технологий, конкурирующих за звание хранилища класса памяти, Nantero NRAM предлагает самый дешевый путь к высокопроизводительной энергонезависимой памяти высокой плотности.
Дорожная карта NRAM
Традиционно плотность DRAM удваивалась примерно каждые 2 года. Эта тенденция может замедляться, о чем свидетельствует отсутствие поддержки DRAM объемом более 32 ГБ в спецификации DDR5 SDRAM. Это связано с растущими трудностями при масштабировании двумерной архитектуры крошечных конденсаторов до производственных размеров размером 10 нм или меньше.
NRAM по своей сути является масштабируемым решением. Он способен конкурировать с DRAM, используя кремниевые процессы на одно или два поколения старше, чем эквивалентные DRAM, например, 14-нм для создания 32-ГБ NRAM против 10-нм для создания 32-ГБ DRAM. Старые фабрики частично амортизированы, что делает их использование менее дорогим. Однако анализ показывает, что NRAM можно успешно масштабировать и для новых процессов, достигая увеличения плотности с каждым сжатием по мере того, как на каждый чип помещается больше ячеек памяти. NRAM, созданная по 10-нм техпроцессу, аналогичному тому, который используется для изготовления 32-гигабайтных DRAM, обеспечит плотность NRAM от 64 до 128 ГБ на кристалл.
Энергонезависимая подсистема основной памяти кардинально меняет архитектуру сервера. Системам больше не нужно использовать канал ввода-вывода для выполнения контрольных точек приложения, что включает в себя избежание задержек производительности, вызванных переключением контекста на драйверы ввода-вывода. Для некоторых систем больше не потребуется даже наличие подсистемы хранения. Если все данные помещаются в основную память, необходимость во внешнем хранилище отпадает. Вычисления в памяти в сочетании с постоянным хранением данных обеспечивают высокую производительность, высокую надежность и автономную подсистему обработки.
NVRAM также можно комбинировать с такими усовершенствованиями, как коммутационные шины, такие как Compute Express Link (CXL), для обеспечения постоянного расширения пространства системной памяти, где узлы хранения классов памяти могут отвечать на запросы полностью детерминированным образом. Размещение расширения системы в области памяти вместо области ввода-вывода позволяет избежать снижения производительности, вызванного накладными расходами операционной системы.
Устройства искусственного интеллекта, в том числе варианты глубокого обучения или гиперпространственных вычислений, могут использовать технологию NRAM для обеспечения обратного распространения данных во внутренние ячейки без необходимости предоставления путей доступа для проверки контрольных точек промежуточных данных. Это приводит к значительно более высокой плотности и более высокой производительности решений искусственного интеллекта, использующих NRAM, поскольку они могут избежать узких мест фон Неймана и применять NRAM в качестве высокопроизводительного встроенного хранилища.
Источники, доп. ресурсы
[1] SDC2022 – Persistent Memories: Without Optane, Where Would We Be? September 12-15, 2022. Presented by Jim Handy, Objective Analysis and Thomas Coughlin, Coughlin Associates – https://www.youtube.com/watch?v=UpgXOhZSgYU; SDC Website: https://storagedeveloper.org/; SNIA Educational Library: https://snia.org/library.
[2] Migration from Direct-Attached Intel® Optane™ Persistent Memory to CXL™ – Attached Memory, Dec. 2022 – https://semiconductor.samsung.com/us/news-events/tech-blog/what-hyperscalers-need-to-know-about-flexible-data-placement-fdp/.
[3] Path to CXL™ ”Maximizing Business Value for Data Centers. January 2023 (Intel-Optane-Usage-Models-CXL-2023.pptx) – https://www.intel.com/content/www/us/en/content-details/757387/path-to-cxl-maximizing-business-value-for-data-centers.html.
[4] Global Non-Volatile Dual In-Line Memory Module (NVDIMM) Market 2023 by Manufacturers, Regions, Type and Application, Forecast to 2029 – https://www.marketresearchreports.com/gir/global-non-volatile-dual-line-memory-module-nvdimm-market-2023-manufacturers-regions-type-and.
[5] GLOBAL DYNAMIC RANDOM ACCESS MEMORY (DRAM) MARKET SIZE & SHARE ANALYSIS – GROWTH TRENDS & FORECASTS (2023 – 2028) – https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/dynamic-random-access-memory-market.
[6] Persistent Memory in New Forms and Architectures With CXL. Presented by : Pekon Gupta, SMART Modular Technologies. September 12-15, 2022. SDC2022 – https://www.snia.org/sites/default/files/SDC/2022/SNIA-SDC22-Gupta-Persistent-Memory-New-Forms-and-Architecture-With-CXL.pdf.
[7] SMART Modular Technologies Launches its First Compute Express Link™ Memory Module. Avg. 02 2022 – https://www.smartm.com/media/press-releases/SMART_Modular_Technologies_Launches_its_First_Compute_Express_Link_Memory_Module.
[8] Scaling NVDIMM-N Architecture for System Acceleration in DDR5 and CXL™ – Enabled Systems. Presented by; Arthur Sainio and Pekon Gupta. Persistent Memory + Computational Summit 2022, May 24-25, 2022 – https://www.snia.org/sites/default/files/PM-Summit/2022/PMCS22-Sainio-Gupta-Scaling-NVDIMM-N-Architecture.pdf.
[9] Compute Express Link™ 2.0 White Paper. Nov. 2020 – https://b373eaf2-67af-4a29-b28c-3aae9e644f30.filesusr.com/ugd/0c1418_14c5283e7f3e40f9b2955c7d0f60bebe.pdf.
[10] Micron’s Perspective on Impact of CXL on DRAM Bit Growth Rate. 20.03.2023 – https://media-www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/white-paper/cxl_impact_dram_bit_growth_white_paper.pdf.
[11] Memory Class Storage is Permanently Changing Server Architectures. 30 sept. 2022 – https://www.nantero.com/wp-content/uploads/NRAM-White-Paper-4-1.pdf.
[12] Persistent Memory for Artificial Intelligence. Bill Gervasi, Principal Systems Architect, 2018 – https://www.nantero.com/wp-content/Documents/20180803_nantero_ai_persistent_memory.pdf.
[13] Insight into CXL 2.0 Security Features and Benefits. Updated: Nov 10, 2022. By Sandeep Dattaprasad, Astera Labs – https://www.computeexpresslink.org/post/insight-into-cxl-2-0-security-features-and-benefits.
[14]Emerging Memory Technology on CXL™. WSOS 2023, Andy Rudoff, Intel Labs – https://www.betriebssysteme.org/wp-content/uploads/2023/05/WSOS_2023_Rudoff.pdf.
Авторы: Гантимуров А.П., Калашник А.Г.
Отслеживать