NRAM z nanotrubic: rychlá náhrada NAND s neomezenou životností na obzoru?

0

SSD se sice stala masovou záležitostí (v tabletech a mobilech ani jiná úložiště nemáme), ovšem paměť NAND, na níž jsou založená, je hodně problematická technolgie. Jejím ústředním problémem je opotřebovávání buněk zápisem, kvůli níž jsou garantované životnosti omezené. Jak ale ukazuje případ TLC disků Samsungu, v nichž „stárnul záznam“, není to její jediná nectnost. Proto prakticky od počátku rozmachu SSD vyhlížíme nějakou méně choulostivou náhradu, a tento měsíc se na scéně objevil další (snad slibný) kandidát na tuto důležitou roli.

Paměť nazvaná NRAM má proti sobě více konkurentů, kteří by NAND mohli nahradit – například memristorovou ReRAM, magnetorezistivní MRAM, nebo Phase-Change RAM (PRAM). NRAM je proti nim specifická použitím exotického materiálu, uhlíkových nanotrubic. Tuto paměť vyvíjí od roku 2001 firma Nantero, v níž figuruje řada odborníků z oboru, podcházejících z firem jako IBM, Intel, Spansion, Inotera, Sony, Hitachi a dalších.

Paměť Nantero NRAM používající záznam do uhlíkových nanotrubic
Paměť Nantero NRAM používající záznam do uhlíkových nanotrubic

NRAM by měla pocházet z vynálezu Toma Rueckese s Harvardské univerzity. Popis fungování její paměťové buňky lze podle webu Anandtech, z jehož článku zde budeme vycházet, poměrně jednoduše popsat i pro laiky. Je tvořená uhlíkovými nanotrubicemi, která mají kontakt s dvěma skupinami řídících elektrod. Logický stav buněk (tedy uložený bit) je určen tím, zda jsou nanotrubice ležícímezi elektrodami rozpojené (nula) nebo propojené (jednička), čemuž odpovídá vysoký, nebo nízký odpor, jenž je právě nositelem informace. Propojení lze docílit přivedením napětí na první z elektrod, čímž se nanotrubice přiblíží a vytvoří se mezi nimi vazba na základě Van der Waalsových sil. Při přivedení napětí z opačné elektrody se molekuly rozkmitají, vazby se tím přeruší a buňka je tím zase vynulována.

Bit je kódován pomocí odporu rozpojených (0) nebo spojených (1) nanotrubic
Bit je kódován pomocí odporu rozpojených (0) nebo spojených (1) nanotrubic

Programování buňky má být velmi rychlé (údajně otázka pikosekund), což teoreticky otevírá cestu k velkému výkonu, spíše podobnému DRAM, než NAND. NRAM je ale nevolatilní a informaci má držet velmi houževnatě – údajně až deset let i při teplotě 300°C, při pokojové je výdrž prakticky neomezená. Vzorek paměti údajně také udržel data při expozici kosmickému záření na oběžné dráze.

Díky použití uhlíkových trubic, které jsou mechanicky velmi odolné, by navíc buňky skoro neměly podléhat opotřebení. Nantero uvádí údajně nezávislou studii, která jejich životnost vyčíslila na 100 miliard cyklů, což je pro praktické účely téměř nekonečná přepisovatelnost. Nanotrubice mají navíc velmi malé rozměry a umožňují tak údajně výrobu těchto pamětí na 5nm nebo ještě o něco menším procesu. Technologie má ale být snadno rozšiřitelná i do 3D vrstveného uspořádání.

K výrobě stačí běžné CMOS linky, cena nemá být vysoká

Zda se NRAM podaří dotáhnout do reálně používané technologie, bude ovšem záviset na tom, zda se bude dát ekonomicky vyrábět ve velkém množství a za konkurenceschopnou cenu. To je v této chvíli ještě neznámá, použití nanotrubic ale údajně nemá být tak problematické, jak by se zdálo. Výroba probíhá na běžných waferech typu CMOS, na nichž se vytvoří řídící a čtecí/zapisovací obvody, nanotrubice se na wafer aplikují poté. Na ně je poté nanesena druhá vrstva elektrod a optickou litografií se vrstva nanotrubic rozparceluje na buňky.

 Schéma paměŤové buňky NRAM
Schéma paměŤové buňky NRAM 

Na zdokonalení a zlevnění produkce nanotrubic a nanášení na wafer prý Nantero dlouho pracovalo a údajně má vyvinuté postupy, které mají potíže a náklady navíc omezit na únosnou úroveň. Čip NRAM nemá prý být výrazně dražší než jiné čipy a až na přidání kroku aplikujícího fullereny by měla na vše stačit obvyklá výrobní linka. Jak oprávněná nebo naopak nadnesená tato tvrzení jsou, ale asi ukáže až čas. Samozřejmě vám zde nemůžu zaručit, že firma skutečnost nepřikrášluje, aby nalákala investory a zájemce o licence.

Technologie pro výrobu NRAM už ale údajně byla nainstalovana v sedmi továrnách s procesy od 250nm až po 20nm. Už několik let se údajně čipy daří v malých množstvích vyrábět, i když jen v drobných kapacitách v řádu megabitů. Zmiňovaný pokus v kosmu například proběhl už v roce 2009 v rámci mise raketoplánu. Ve vývoji jsou ale už složitější čipy s kapacitami v řádu jednotek gigabitů (pro srovnání – současná NAND se pro potřeby SSD produkuje v kapacitách zejména 64 a 128 Gb, například Intel a Micron připravují 256Gb a 384Gb vrstvenou 3D NAND).

 

 

V praxi asi až příští dekádu

Výroba NRAM by měla probíhat licenčně, to znamená, že Nantero ji hodlá (za úplatu) zpřístupnit dalším firmám a produkci a prodej nechá na ně. Čipy by pak vyráběl klasicky Hynix, Micron, Samsung, Toshiba/Sandisk, případně další dnes menší hráči. Jejich prosazení je ale přinejmenším několik let vzdálené. Ze začátku se budou používat v okrajových aplikacích, kde je stěžejní nevolatilnost a přitom výkon podobný DRAM a nevadí malé kapacity. S rostoucími kapacitami by poté NRAM mohla nabídnout alternativu k DRAM. Až by kapacitou dohnala NAND, mohla by se začít používat také v trvalých úložištích (SSD).

Příprava na produkci prvních 1Gb čipů NRAM má údajně začít někdy za rok a půl, což by znamenalo výrobu až někdy v roce 2017–2018. To bude ovšem jen první krok, aby mohla být nahrazena NAND, bude v té době potřeba také přenos na moderní výrobní procesy a vyvinutí 3D čipů. Nantero údajně také pracuje na použití záznamu MLC, momentálně je ale údajně prioritou vyvinutí vrstvených čipů, které přinášejí lepší škálování kapacity. Příchod těchto pamětí do mainstreamu ale nepochybně nenastane dříve než za několik roků.

NRAM má mít no nejlepší z DRAM i NAND, vysoký výkon, neomezenou životnost a udržení záznamu bez napájení
NRAM má mít no nejlepší z DRAM i NAND, vysoký výkon, neomezenou životnost a udržení záznamu bez napájení

NRAM je tak momentálně hlavně velkým příslibem (za podmínky, že naplní výše popisované vlastností). Zejména pokud skutečně bude mít dostatečnou kapacitu pro nahrazení NAND, ale také výkon DRAM a nebude v praxi mít omezenou životnost, by mohla přinést sjednocení obou typů pamětí v počítačích a odbourat volatilní RAM (je ale třeba říct, že volatilnost má i své výhody). Zatím nemáme informace o tom, že by se Nanteru už upsali nějací velcí producenti pamětí, což by mohlo být ohlášeno, až se technologie přiblíží k masové výrobě. Je také samozřejmě možné, že nakonec na trhu zvítězí paměť na nějakém jiném principu, nebo se NRAM budou výrobci vyhýbat z nějakého jiného důvodu (například kvůli licenčním poplatkům).

Zdroj: AnandTech

Ohodnoťte tento článek!