Crossbar ReRAM: recepta na niedostatki technologii NAND Flash

Z pewnością ten wynalazek, jeśli tak można określić wersję pamięci ReRAM opracowaną przez startup Crossbar z Santa-Clara, w magiczny sposób nie rozwiąże wszelkich problemów, które trapią konstruktorów pamięci Flash. Jednak relatywnie wysoka trwałość, jak i wydajność pamięci, przy znacznie większej gęstości zapisu niż w pamięciach NAND Flash (pojedynczy chip może mieć nawet 1 TB pojemności), każe nam upatrywać w nich ciekawą alternatywę dla tradycyjnych dysków SSD i pamięci Flash stosowanych w urządzeniach mobilnych.

Walka o upowszechnienie technologii Flash w branży komputerowej zmusiła producentów pamięci masowej do sięgania po coraz pojemniejsze i tańsze technologie. I tak drogie pamięci wykorzystujące pojedynczą komórkę NAND (SLC) zastąpiły pamięci MLC, a teraz zagraża nam widmo technologii TLC. Widmo, bo każdy wie, co wiąże się ze wzrostem liczby komórek w pamięci NAND Flash. Spadek jej żywotności do poziomu, który zaczyna niepokoić. Również zmniejszający się stale proces produkcyjny negatywnie wpływa na trwałość tych nośników.

Czym kusi Crossbar ReRAM? Duża pojemność, niska cena, 20 razy większa wydajność, tyle samo mniejsze zużycie energii. Pojemność chipów sięgająca nawet 1 TB.

Technologia ReRAM jest upatrywana na następcę technologii NAND Flash już od dawna. Pojawiły się też propozycje połączenia obu technologii. Dotychczas szumne zapowiedzi nie przekładały się na realne efekty.

Czy dzięki Crossbar ReRAM ta technologia pokona barierę niechęci producentów, a przede wszystkim stanie się faktycznie opłacalna w produkcji? George Minassian (CEO Crossbar) jest tego pewien. Zapowiada, że pamięć Crossbar ReRAM jest „łatwa w produkcji i tania w komercjalizacji” podobnie jak łatwa jest „jej integracja z procesem produkcyjnym układów SOC”. Tylko czy tego przypadkiem już nie przerabialiśmy?

Pamięć Crossbar RRAM wykorzystuje nanotechnologię. W amorficznym krzemie pomiędzy elektrodami (formuła kanapki), po przyłożeniu  napięcia powstają przewodzące włókna (następuje przełączenie). Technologia może być rozszerzona na struktury wielowarstwowe. Bardzo pożądaną cechą jest duża różnica rezystancji dla komórek w stanie włączonym i wyłączonym (R_on/R_off > 1000).  

Technologia Crossbar ReRAM osiągnęła fazę działającego prototypu. W przeciwieństwie do NAND, w takiej pamięci nie trzeba wymazywać zawartości komórki przed zapisaniem nowych danych, co oszczędza cenne cykle zapis/kasowanie.

Wytrzymałość pamięci Crossbar ReRAM nawet bez powyższej korzyści jest bardzo duża. Milion cykli zapis/kasowanie to wartość porównywalna z najdroższymi obecnie nośnikami NAND SLC. Nowy typ pamięci ma tu jednak przewagę, gdyż nawet w przypadku konfiguracji NAND MLC nie mamy uszczerbku na trwałości nośnika. Na dodatek technologię MLC można w Crossbar ReRAM stosować wielowarstwowo.

Crossbar zakłada, że w ten sposób możliwe będzie upchanie aż 1 TB danych w chipie o powierzchni 200 mm² (technologia może się skalować do 5 nm). A to oznacza, że specyfikacja kart SDXC, która przewiduje do 2 TB pojemności, byłaby w zasięgu producentów. To jednak, podobnie jak specyfikacja, teoretyczne założenia.

Prototyp na razie podwaja gęstość zapisu w porównaniu z pamięcią NAND Flash (technologia 25 nm). To już spory zysk, zważywszy na inne zalety Crossbar ReRAM.

W czym ReRAM jest lepszy on NAND? Praktycznie we wszystkim. Szybkości odczytu, zapisu, trwałości zapisu i odporności na wysokie temperatury. Jest energooszczędny, pozwala na losowy odczyt, zapewnia bezpieczeństwo, gwarantuje wysoką wytrzymałość komórek i pojemność.

Ich lista budzi optymizm. Oby jednak nie złudny. Dla racjonalnie myślącego obserwatora rynku IT to zbyt wiele, aby uwierzyć firmie Crossbar jedynie na słowo. Nawet gdy stoją za nim realne wyniki badań naukowych. Zanim odtrąbimy sukces trzeba jeszcze poczekać. Crossbar nie musi zresztą być pierwszym, który doprowadzi wszystko do szczęśliwego końca. Bo kto powiedział, że technologia NAND ma tylko jedno życie? Zaprzeczeniem tej tezy jest rozpoczęta przez Samsunga produkcja pamięci 3D Vertical NAND (V-NAND), które wykorzystują wielowarstwową strukturę.

Pierwszy chip 3D V-NAND mieści 128 gigabitów danych.

Zastosowano w nich technologię 3D Charge Trap Flash. Zamiast pływającej bramki zastosowano komorę z nieprzewodzącą warstwą składającą się z azotku krzemu. Poprawiona została stabilność zapisu (od 2 do 10 razy) i szybkość zapisu (2 razy). Pamięci są już masowo produkowane. Czyżby metoda małych kroczków znów zatriumfowała?

Źródło: Crossbar, Samsung