Ученые из IBM совершили прорыв в создании компьютерной памяти
22-11-2011
Замена нынешней флэш-памяти с теоретически ограниченным ресурсом циклов перезаписи на какой-нибудь другой тип быстрой и надежной памяти является давней мечтой многих специалистов. Ученые из исследовательского центра IBM в Цюрихе уверены, что их новый способ кодирования данных существенно приблизит этот давно ожидаемый момент.
Эффект фазового перехода построен на интересной группе материалов, носящей название халькогенидные композиты – их используют, например, в перезаписываемых оптических дисках CD, DVD и Blu-Ray. Эти халькогенидные композиты могут находиться как в поликристаллическом, так и в аморфном состоянии, причем этим состоянием можно управлять с помощью лазерного луча или электрического тока.
Суть изменения фазового состояния вещества заключается в точечном нагреве – состояние материала в каждой точке кодирует либо 0, либо 1 в двоичной системе счисления.
Об особенностях халькогенидных композитов рассказал Харрис Позидис (Haris Pozidis), который до прихода в IBM в 2001 г. работал в исследовательском подразделении компании Philips Research над технологиями кодирования для перезаписываемых оптических дисков. Дело в том, что эти композиты отличаются необычно высоким контрастом между состояниями – на два или три порядка – то есть сопротивление участком с разными состояниями меняется от десятков кило-Ом до десятков мега-Ом. Такой разброс сопротивлений, теоретически, позволяет хранить данные в точках с разными фазовыми состояниями таким же образом, как в MLC-ячейках современной флэш-памяти. Здесь есть одна проблема – в сопротивлении таких участков со временем наблюдается дрейф (постепенное изменение), причем изменения происходят случайным образом, а это очень и очень плохо для хранения информации на протяжении хоть сколько-нибудь значимого времени. Еще более осложняет ситуацию то, что дрейф аморфных участков по сопротивлению оказался сильнее, чем у кристаллических, поскольку аморфные точки стремятся вернуться в кристаллическое состояние. Таким образом, вы получаете два набора дрейфов, с которыми нужно как-то справиться, чтобы получить многоуровневую PCM-память (Phase Change Memory – память на фазовом переходе).
Как можно узнать из статьи, которую опубликовали ученые из IBM по результатам своей работы (PDF), несмотря на случайный характер дрейфа по сопротивлению в PCM-кристаллах, направление дрейфа одинаково для всех элементов PCM-модуля – состояние отдельных участков халькогенидного композита влияет на состояние соседних участков, как погода идет по атмосфере. Открытие исследователей из IBM Research заключается в хитроумном алгоритме, который позволяет кодировать данные в халькогенидном композите, а затем считывать эти данные почти такими же блоками, как в современной флэш-памяти.
По словам Позидиса, «абсолютные уровни сопротивления в халькогениде могут сильно отличаться от заданных при кодировании уровней сопротивления для конкретных участков кристалла», но данные при этом все еще не потеряны. Уровень ошибки по битам информации составляет менее 1 ошибки на 10’000 бит – это при использовании PCM-модулей с двухуровневыми ячейками. Такой довольно низкий уровень ошибок оказывается вполне подходящим, если применить алгоритмы выявления и коррекции ошибок. Что еще более важно, разница сопротивления между кристаллическими и аморфными участками в халькогениде остается настолько большой, что представители IBM надеются реализовать до трех или четырех уровней состояния на ячейку.
Нынешние модели флэш-памяти на MLC-ячейках кодируют по три бита на ячейку, что обеспечивает относительно недорогое энергонезависимое хранение данных. В то же время, потребительские образцы флэш-памяти начинают деградировать после 3-5 тысяч циклов, так что память изнашивается экспоненциально с каждым новым циклом перезаписи. Даже промышленная флэш-память сохраняет свойства лишь на 30’000 или около того, как говорит Позидис, а чтобы добиться такой долговечности, приходится жертвовать производительностью. Память на фазовых переходах, в свою очередь, способна выдержать сотни миллионов циклов и должна стать на два порядка быстрее, чем флэш-память.
Конечно, для серийного выпуска PCM-памяти предстоит еще немало исследований. Тем не менее, успешный эксперимент ученых из IBM показал полноценную работу двухуровневой PCM-памяти при комнатной температуре. Возможность считывания данных сохранилась через 156 дней после записи. Главным фактором успеха в этом эксперименте авторы считают алгоритм, который стал на два порядка надежнее, чем прежние методы кодирования. Судя по всему, этот эксперимент является важным шагом в правильном направлении на пути к более быстрой и экономичной памяти.
По материалам сайтов The Register и CNET.
