IBM нашла, как улучшить эксплуатационные характеристики PRAM

    На симпозиуме International Reliability Physics Symposium, прошедшем в конце апреля 2015 в Монтерей, Калифорния, исследователи из IBM представили разработку, позволяющую нивелировать два основных тормозящих PRAM явления - дрейф сопротивления и влияние температуры.

    Указанные два явления препятствовали строительству энергонезависимой памяти (NVM) с многоуровневым хранением (MLC) на базе технологии с изменением фазы (PCM, она же PRAM, она же C-RAM. Различные обозначения одной и той же технологии).

    PCM характеризуется низкой латентностью чтения / записи, высокой пропускной способностью и высокой стойкостью в сочетании с отличной масштабируемостью. Скоростные характеристики PCM располагаются между динамической памятью (DRAM) и флеш-памятью. В потенциале, PCM разделит рынок хранения с другим перспективным типом памяти - магниторезистивной памятью с произвольным доступом (MRAM). MRAM намного быстрее - ее характеристики на уровне SRAM, но зато PCM позволяет строить многоуровневые ячейки, что резко увеличивает плотность размещения и в некоторой степени снижает стоимость хранения. Под многоуровневостью подразумевается наличие промежуточных состояний помимо 0 и 1, которые можно надежно идентифицировать, а не 3D многослойность.
    Теперь ложка дегтя. Точнее - две. Первая - самопроизвольное изменение уровня хранения ячейкой со временем - дрейф (или дрифт?). Он ограничивает количество уровней, с которыми можно работать в ячейке. Понятно - что "разнос" уровней должен в несколько раз превосходить уровень дрифта за период времени гарантированного хранения. Вторая - существенное колебание уровней с изменением температуры.

Crossbar: 1 терабайт энергонезависимой памяти на один чип - не мечта, а почти уже реальность

    Компания Crossbar на митинге IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) в Сан-Франциско представила доклад об успехах в разработке резистивной памяти с произвольным доступом ( RRAM ).

    Технология на картинке выглядит очень просто. Эксплуатируется способность некоторых материалов изменять (и хранить это состояние) сопротивление под внешним воздействием. В данном случае, в электрическом поле. Создаем поле между электродами. В теле материала образуются и фиксируются нити проводимости.
    В исполнении Crossbar верхний электрод металлический, нижний - неметаллический, а рабочий слой на основе аморфного кремния.

    Преимущества:
    По сравнению с традиционной флэш-памятью, RRAM быстрее и менее прожорлива.
    RRAM требует меньших токов программирования, чем PCM или MRAM с сопоставимыми характеристиками с точки зрения сохранения и выносливости.
    Простая клеточная структура RRAM имеет отличный потенциал с точки зрения

Первая ласточка - HGST демонстрирует PCM (Phase Change Memory, память с изменением фазового состояния) SSD

   4 августа 2014 на Flash Memory Summit, компания HGST продемонстрировала SSD на основе памяти с изменением фазового состояния.

    Начало заката NAND. При практически безальтернативности (пока!) , в качестве энергонезависимой памяти, NAND имеет ряд существенных недостатков. Всевозможные улучшенные технологии (eMLC) не решают в корне проблему. Отсюда - активные поиски альтернативной основы. Одной из очень перспективных технологий в области энергонезависимой памяти как раз и является память с изменением фазового состояния - PCM, Phase Change Memory.
    Что мы имеем в потенциале? Сравнение PCM (PRAM) и NAND.
Цитата из Wiki:
    "PRAM может предложить существенно более высокую производительность в областях, требующих быстрой записи, за счет того, что элементы памяти могут быстрее переключаться, а также благодаря тому, что значение отдельных битов можно изменить на 1 или 0 без предварительного стирания целого блока ячеек.
    Кроме того, каждое применение напряжения вызывает необратимую деградацию ячеек флеш-памяти. Большинство флеш-устройств обладают порядка 10,000 — 100,000 циклов записи на сектор
...
    PRAM-устройства также деградируют по мере использования, но по другим причинам нежели флеш-память (от воздействия температуры), причем деградация происходит гораздо медленнее. PRAM-устройство может выдержать порядка 100 миллионов циклов записи."
    Себестоимость производства PRAM выше, чем NAND.

    Производством PRAM чипов на протяжении нескольких лет занимается Micron, скорее всего они и легли в основу накопителя HGST. Есть указание на использование 1GB чипов, произведенных по 45нм технологии.
    Прототип накопителя, демонстрируемый на конференции выполнен в виде PCIe платы и показывает 3 миллиона операций ввода/вывода в секунду (IOPS) при задержке доступа 1,5 мкс. на операциях с блоками 512 байт. Хорошая производительность. Достигнуты столь малые задержки, помимо прочего, благодаря использованию нового протокола Usenix, разработанного совместно с University of California, San Diego.

http://www.hgst.com/press-room/press-releases/HGST-Research-Demonstrates-World-Fastest-SSD-at-Flash-Memory-Summit
http://www.theregister.co.uk/2014/08/05/hgst_changes_phase_for_3_million_iops/

PRAM, она же PSM (Phase Change Memory) готова поспорить за лидерство

    Еще не упомянутый здесь тип энегонезависимой памяти, активно исследуемый в последнее время - память с изменением фазового состояния. Синонимы - PRAM, PSM. Физика основана на способности некоторых материалов (ха́лькогени́дов, в частности) находиться в двух стабильных состояниях - аморфном и кристаллическом. При этом, электрическое сопротивление материала в этих состояниях изменяется примерно в 10 раз. Переход из одной фазы в другую происходит при локальном нагреве. Таким образом, она термо-ассистируемая. Но не путать с Heat-assisted magnetic recording (HAMR) - она относится к магнитной записи.

    Существующие технологии позволяют формировать ячейку памяти PSM с приемлемыми уровнями надежности записи и долговечности. Размер ячейки может составлять менее 16нм. При этом ячейка гарантированно выдерживает миллион циклов записи.

   По производительности PCM занимает место между динамической оперативной памятью (DRAM) и флэш (NAND). Сдерживающим фактором для использования этого типа памяти были большие задержки при записи - это обуславливается процессом (нагрел - дождался равномерного прогрева рабочего слоя - изменил фазу - подождал, пока тепло рассосется). Порядок цифр примерно такой: Запись - 10...150 миллисекунд; Чтение - 100...300 наносекунд.
    Исследования проводились Ioannis Koltsidas со товарищи в Цюрихской лаборатории IBM. Для удобства, они совместили PCM и NAND в одной гибридной плате, названной ими Prototype Storage Subsystem (PSS). В основе лежат чипы PCM P5Q 128 Mbit, производящиеся промышленно Micron с 2012 года по 90 нм технологии.


    Испытания PCM микросхем дали следующие результаты:

• время записи 1.15 миллисекунд;
• время чтения 75.24 микросекунд

Соотношение 15:1.
Неэстетично асимметрично! Можно ли с этим что-то сделать? Ускорить микросхемы памяти нельзя. Если поспешим с изменением фазы - ячейка может некачественно записаться. Если после изменения фазы не выждем - она может "испортиться" не зафиксировав четко своего состояния. То есть, уменьшение задержек приведет к ненадежной записи.
    Но мы можем использовать преобразование время-пространство, прямое и обратное! :) Располагаем микросхемы памяти в 2D сетке. Контроллер многоканальный. Микросхемы, управляемые одним каналом - в колонке, образуют Под-канал (Sub-channel, голубым на рисунке). Объединение микросхем по горизонтали - в строке, образует Под-банк (Sub-bank, желтым на рисунке). Если за один цикл, время которого фиксировано, записать более длинное слово - в пересчете на 1 бит информации, время записи сократится. При этом несколько

усложняется чтение, но оно а) итак намного быстрее записи, б) может быть ускорено увеличением количества подканалов. Итак, больше подбанков - быстрее запись; больше подканалов - быстрее чтение. Рассчитав необходимую размерность по вертикали и горизонтали, можно подобрать оптимальное соотношение для некоторого выравнивания времен записи и чтения (можно попробовать самостоятельно найти оптимум, формулы для расчета приводятся).

    В лаборатории остановились на следующей схеме модуля: 2 PCM канала (он двухсторонний, с каждой стороны по независимому каналу), в каждом 2 банка из 3х3 микросхем. В результате получили следующие скоростные характеристики системы:

• скорость передачи 49,5 МБ/с
• время чтения сектора  13,8 мкс
• скорость чтения  61,6 тысяч секторов/с
• время записи сектора  133,8 мкс
• скорость записи  14,8 тысяч секторов/с

Соотношение скоростей записи и чтения несколько выровнено.

Помимо прочего, в модуль может быть добавлено 512МБ RAM в качестве кэш прямой или отложенной записи, но это - как рекомендация для производителей, в лабораторном решении не было реализовано.

    Теория теорией, но она мертва без практики! (В.И.Ленин, если кто забыл) Испытуемый образец (PSS PCI-e Card) сравнился с тремя аналогичными продуктами - два PCI-e SSD ускорителя разных производителей (MLC Flash PCI-e SSD 1 и MLC Flash PCI-e SSD 2) и TLC Flash SATA SSD. Запись велась блоками 4к.
    Некоторые диаграммы испытаний приведены в слайдшоу.

Выводы по результатам:
1. PSS показал хорошие результаты в производительности:
65k IOPS , задержка 35 мкс на чтение
15k IOPS , задержка 61 мкс на запись
2. Задержка при записи, несмотря на ограничения, присущая технологии PSM , вполне приемлемая и не уступает современным MLC решениям:
99,9 процентов запросов завершены в течение 240 мкс - что в 12x и 275x ниже, чем MLC и TLC флэш накопителей соответственно
Самая высокая наблюдаемая задержка была 2 мс - это в 7x и 61x ниже, чем MLC и TLC флэш накопителей, соответственно
   

http://www.slideshare.net/IBMZRL/theseus-pss-nvmw2014
http://www.theregister.co.uk/2014/05/08/big_blue_rings_the_phase_changes/