Классификация типов памяти для вычислений

Память для серверов и систем хранения по функциональному устройству можно разделить на два основных вида: внутреннюю (первичную) и внешнюю (вторичную).

• К первичной памяти относится память, располагающаяся непосредственно на главной плате или навесных платах (картах) внутри устройства.
• Ко вторичной памяти относятся различного вида внешние накопители: серверные накопители на жестких дисках HDD (Hard Disk Drive), серверные накопители SSD (Solid State Drive). Они также расположены внутри системного блока, но выполняют роль внешних носителей информации. А также ко вторичной памяти можно отнести различного рода накопители, подключаемые к компьютеру через разъем, и конструктивно с ним раздельные: компакт-диски (магнитные и оптические), которые в последнее время практически вытеснены USB-флешками. SSD-память также называют часто флэш-памятью (flash).

Вторичная память относится скорее не к памяти, а к системам хранения данных (storage) СХД. СХД с памятью соотносятся примерно так же, как книжный шкаф с рабочим столом, на котором мы держим книги (данные) и с ними работаем (не перевелись еще, слава Богу, любители читать бумажные книги), а закончив работу, убираем их обратно в шкаф.

Часто под словом «память» подразумевают только первичную оперативную память, выполненную на полупроводниковых микросхемах. Она подразделяется на два основных вида: нестираемую (non-volatile) и стираемую (volatile).

• Постоянное запоминающее устройство ПЗУ, нестираемая память или ROM (Read-Only Memory). Она выполняет роль хранилища программ, которые записываются на более-менее длительный период и, в общем, перезаписи не подлежат. Они могут сохранять информацию длительное время, практически на весь срок службы компьютера. Это может быть, например, BIOS (Basic Input/Output System), в которой хранится небольшая программа по запуску основных систем сервера при его включении. Сейчас микросхемы ПЗУ можно «перепрошивать», но подобные операции производятся, нечасто, и выполняются, как правило, квалифицированным персоналом.
• Оперативное запоминающее устройство ОЗУ, стираемая память, RAM (Random Access Memory). Это быстродействующая память, в которую загружаются рабочие программы из внешних накопителей для исполнения процессором. Серверная ОЗУ работает очень быстро, операции чтения-записи не требуют много энергии, но и информация в ней пропадает после отключения питания, и кроме того, ее приходится постоянно обновлять, примерно 100 раз в секунду.

RAM бывают двух основных видов: статические (SRAM) и динамические (DRAM). В серверах сейчас для оперативной памяти используется DRAM различных типов, а SRAM используется для кэширования данных процессора.

Память класса СХД

Правда в последнее время эта стройная иерархия стала немного нарушаться под воздействием процессов разработки новых типов памяти, что привело к постепенному сближению SSD и RAM. Быстродействие SSD повышается и приближается к DRAM, энергопотребление SSD снижается и также приближается к DRAM. Это привело к созданию нового класса памяти: SCM (Storage Class Memory), что можно перевести как «память класса СХД». Хотя можно и наоборот: «СХД-класс памяти».

Такая память занимает промежуточное место между RAM и внешними накопителями SSD/HDD.

Первичная память

Первичная (внутренняя) память подразделяется на два вида: статическую SRAM (Static Random Access Memory) и динамическую DRAM (Dynamic Random Access Memory).

Иногда к первичной памяти относят и SSD (Flash), поскольку как отмечалось выше, она стала выполнять обязанности первичной. Однако эти виды памяти имеют комплиментарные.

характеристики. Поэтому DRAM используется для оперативной памяти сервера, а SSD в большинстве случаев используется для кэширования в системах хранения данных.

Каждая из этих технологически близких видов памяти имеет свои недостатки.

Flash-память обычно создается на полевых МОП-транзисторах (металл-окисел-полупроводник) или MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). Они имеют т. н. плавающий затвор FG (floating gate), в котором на достаточно долгое время сохраняется заряд, количество которого определяет бит информации. Этот затвор изолируется от истока (source) и стока (drain) транзистора слоями окисла металла.

Запись и стирание информации в такой структуре требует приложения высокого напряжения к затвору (до 20 В). Процесс изменения заряда в затворе относительно медленный и связан с возникновением ошибок при передаче через диэлектрик (окисел). Именно этим вызвано ограничение на количество циклов перезаписи в SSD, что является их недостатком перед HDD, где количество циклов перезаписи магнитного диполя практически не ограничено. С другой стороны, чтобы прочитать информацию, высокое напряжение не требуется, нужно только проверить состояние проводимости диффузного канала. Такой метод называется неразрушающим считыванием (non-destructive read), поскольку на заряд в затворе он практически не влияет.

По сравнению с SSD все виды битовых операций в DRAM производятся сравнительно быстро, поэтому такая память используется для загрузки рабочих приложений в сервере и во время работы процессор обращается именно к этой памяти. Однако при считывании данные из ячейки памяти DRAM исчезают. Более того, конденсаторы, хранящие заряд «бита» в ячейках DRAM, быстро разряжаются, и поэтому данные в DRAM нужно «обновлять» примерно 100 раз в секунду, посылая в ячейки «освежающие» импульсы.

SRAM – это наиболее быстрая память, имеющая лучшую сохранность данных, по сравнению с DRAM, однако, в каждой ее ячейке используется шесть транзисторов (в DRAM – один транзистор и один конденсатор). То есть SRAM занимает много места на чипе и по возможному объему она значительно проигрывает DRAM.

Поэтому все время разрабатываются и выпускаются различные вариации технологий памяти: память с ловушкой заряда CTM (Charge trap memory), память с изменением фазового состояния PCM (Phase-change memory) или PRAM, сегнетоэлектрическая память FRAM или FeRAM (ferroelectric RAM), резистивная память RRAM (resistive RAM), память с проводниковым проходом CBRAM (conductive bridge RAM), магниторезистивная память MRAM (magnetoresistive RAM), память с переносом момента спина электрона STT RAM (Spin-transfer torque RAM) и другие. Все эти виды активно разрабатываются и исследуются в ведущих мировых университетах и научных центрах, поскольку создание оптимального варианта памяти, сочетающего в себе достоинства как DRAM, так и SSD, для компьютерной отрасли очень актуально.

Разрыв между RAM и SSD

Между стираемой (volatile) памятью RAM и нестираемой (non-volatile) SSD Flash существует ощутимый разрыв по трем параметрам:

• выносливость, максимально допустимое число циклов стирания-записи в ячейку;
• время доступа, время считывания данных из ячейки;
• площадь, занимаемая ячейкой на чипе микросхемы памяти.

RAM опережает флэш-память по всем этим параметрам на несколько порядков: выдерживает практически неограниченное число циклов перезаписи (особенно SRAM), информация из ячеек RAM считывается гораздо быстрее, чем Flash (хотя и она значительно быстрее, чем жесткие диски HDD), а также занимает немного места на чипе микросхемы.

Поэтому многие исследователи и разработчики поставили себе задачу создать память, которая бы заполняла этот разрыв и сочетала в себе все достоинства как RAM, так и SSD:

• выносливость, то есть число циклов перезаписи достаточно высокое, чтобы использовать эту память в серверах дата-центров, где информация может перезаписываться на всем чипе по нескольку десятков и сотен раз за день;
• небольшое время доступа при неразрушающем считывании;
• небольшое напряжение импульса записи данных, то есть низкие энергозатраты;
• сохранность информации при считывании, то есть принадлежность к классу non-volatile;
• длительный период хранения информации, не короче, чем у SSD;
• высокая плотность размещения ячеек на чипе.

В 2018 году такую память удалось разработать.

Нестираемая память с низковольтным питанием и управлением с ячейкой на основе сохранения заряда

Судя по названию раздела, это память SSD. Однако по своим характеристикам память, разработанная совместными усилиями ученых из Университета Ланкастера, Великобритания, и Университета Кадиза, Испания, приближается к DRAM, то есть заполняет «разрыв» между стираемой и нестираемой памятью.

Структура такой памяти представляет собой чередование зон изоляции (мышьяка арсенида индия InAs) и зон полупроводимости (антимонида алюминия AlSb), которые формируются на подложке антимонида галлия (GaSb). Эти зоны формируют резонансный барьер с туннельным эффектом.

На рисунке 6 (a) показана обобщенная структура ячейки памяти, напоминающая разновидность полевого КМОП-транзистора с управляющим и плавающими затворами.

На рис. 6 (b) показана структура слоев эпитаксии с указанием толщины и выполняемой функции слоев.

На рис. 6 (с) показано фото электронного микроскопа, на котором видны относительные толщины слоев. Три полоски сверху – это многослойная структура резонансно-туннельного барьера, определяющего уникальные свойства такой ячейки памяти.

Как и в памяти SSD-флэш, заряд сохраняется в плавающем затворе FG. Однако изолирующих слоев из окислов металлов, как в МОП-транзисторе, здесь нет. Вместо этого используется т. н. 6.1-ангстремовое семейство (6.1 Å family): InAs, GaSb и AlSb, покрывающее большой диапазон энергетических уровней разрыва и других свойств полупроводников. Поэтому полупроводниковая структура больше напоминает транзистор с мобильными электронами на высоких энергетических уровнях HEMT (high-electron mobility transistor), чем классический МОП-транзистор (MOSFET).

Канал проводимости формируется из арсенида индия, который не содержит легирующих добавок ни для «дырок», ни для дополнительных электронов на высоких орбитах. Однак, канал проводимости антимонида галлия GaSb легирован примесями n-типа для небольшого избытка свободных электронов. Проводимость канала InAs определяется электронами в нем, которые имеют более высокую мобильность и плотность (вследствие легирования), чем «дырки» в подложке GaSb.

Внутренний слой плавающего затвора FG InAs изолирован от канала InAs барьером антимонида алюминия AlSb толщиной 15 нм. Квантовые ямы (quantum wells, QW) с тремя барьерами AlSb дают эффект резонансного туннелирования между плавающим затвором FG и управляющим затвором SG, выполненным из легированного электронами InAs. Поэтому электроны в плавающем затворе FG изолированы несколькими слоями AlSb и могут хранить заряд при комнатной температуре в течение 10¹⁴ лет.

Это дает возможность преодолеть наибольший недостаток SSD перед DRAM – ограниченное число циклов перезаписи ячеек, поскольку заряд в плавающем затворе изолирован очень надежно, и для его изменения не требуется большое напряжение, поскольку изменение заряда происходит за счет резонансного туннелирования.

Кроме свойства сохранения заряда (non-volatility) такая ячейка не требует много энергии для переключения состояния между 0 и 1. По результатам измерений эта энергия примерно в 60 раз меньше, чем для обычных модулей флэш-памяти. И по данному показателю эта память также приближается к DRAM. При размерах плавающего затвора 10×10 мкм для переключения состояния требуется энергии примерно 2×10⁻¹² Дж. Если размеры ячейки уменьшить до размеров 20 нм, что меньше, чем DRAM в 100 раз, потребуется энергия всего лишь 10⁻¹⁷ Дж. Это меньше, чем даже у SRAM.

Однако очевидным недостатком такого типа памяти является сложность высокопрецизионного производства, что скажется на стоимости.

Технология 3D XPoint для SCM

Несколько лет назад компании Intel и Micron решили объединить усилия, чтобы разработать память, которая заполняет разрыв между оперативной и постоянной памятью и обеспечивает сближение их характеристик, и дали возможность использовать последнюю в качестве оперативной. Такая память получила название Storage Class Memory (SCM).

Обычная флэш-память (USB) производится на базе технологии NAND, использующейся в обычных флешках, картах памяти для фотоаппаратов, навигаторах и пр. Затем по такой технологии стали производить твердотельные накопители SSD для компьютеров, объединяя несколько флэш-модулей в массив RAID. Вначале накопители SSD производились по технологии ячеек SLC (Single Level Cell), хранящих 1 бит. Затем появились MLC-накопители (Multiple Level Cell) с хранением 2 битов в ячейке, TLC с тремя битами и, наконец, QLC с четырьмя битами в ячейке памяти.

В 2015 году корпорации Intel и Micron предложили альтернативу NAND – технологию 3D XPoint («Три ди кросс пойнт»). Производство планировалось на совместном предприятии IM Flash Technologies. Накопители Intel производятся по этой технологией под маркой Optane, а накопители Micron – под маркой QuantX («Квант икс»).

Принцип работы 3D XPoint никогда не раскрывался подробно, согласно соглашению между Intel и Micron. Компании ограничивались заявлениями, что уникальные свойства 3D XPoint обусловлены «множеством свойств материалов» (букв. bulk material properties). Из картинок, гуляющих по интернету, видно только, что это многослойная структура.

Однако в июле 2018 года Intel и Micron сообщили о прекращении совместной работы над 3D XPoint. В октябре 2018 года в ходе судебного разбирательства о разделе интеллектуальной и недвижимой собственности Intel предоставила Micron право выкупа СП IM Flash, что она и сделала в начале 2019 года. В начале 2020 года партнеры подписали соглашение о том, что Micron продолжит выпускать память 3D XPoint и поставлять ее Intel.

Однако в 2020 году судебное разбирательство продолжилось и компания Micron была обвинена в незаконном прекращении выплаты лицензионных отчислений за патенты, благодаря которым появилась память 3D XPoint. В октябре 2020 года суд также объявил Intel, что она не имеет прав интеллектуальной собственности на продукт 3D XPoint. Выяснилось, что долго скрываемый принцип работы ячейки 3D XPoint заключается в эффекте обратимого изменения фазового состояния вещества. То есть это память типа PRAM (Phase-change Random Access Memory), разработанная другой компанией. С точки зрения американского суда получается, что Intel и Micron пытались мошеннически завладеть правами на данную разработку.

Суд выяснил, что принцип памяти PRAM, который по его мнению, лег в основу 3D XPoint, был опубликован около 60 лет назад американским ученым Стэнфордом Овшинским (Stanford Ovshinsky), который зарегистрировал патент на ячейку памяти под названием Ovonic от имени компании Ovonyx, наследником которой стала компания Energy Conversion Devices (ECD). Лицензия на память Ovonic приобреталась и другими компаниями, в т. ч. Intel и Micron.

Затем, вследствие ряда причин, компания ECD обанкротилась, и для ее ликвидации в 2012 году была создана трастовая компания ECDL Trust. Однако в том же 2012 году ECD продала акции Ovonyx компании Micron, которая в 2015 году стала ее владельцем. С 2012 года и до анонса памяти 3D XPoint, компаниями Micron и Intel был совершен ряд манипуляций, направленных на то, чтобы прекратить выплачивать компании ECD лицензионные отчисления и стать собственниками технологии под названием 3D XPoint.

Конечно, это решение суда не остановит производство, но и вряд ли приведет к снижению цен на накопители 3D XPoint, которые стоят относительно дорого. Чем закончится эта мутная история, пока не ясно.

Другие перспективные виды памяти (Часть 2)

• CTM (Charge trap memory).
• PCM (Phase-change memory PRAM).
• FRAM, (ferroelectric RAM, FeRAM).
• RRAM (resistive RAM).
• CBRAM (conductive bridge RAM).
• MRAM (magnetoresistive RAM).
• STT RAM (Spin-transfer torque RAM).