Objevy, které přinášejí čipy jako Optane či další odporové paměťové technologie, mohou zajistit, že paměti v úložištích budou schopné v mnoha případech nahradit drahé DRAM. Nebude to ale ještě na dlouho žádná levná záležitost. A to ponechává otevřené dveře pro pokračování dalšího vývoje technologie NAND Flash.
V současnosti vstupujeme do světa technologií 3D NAND Flash, kde Samsung, Intel/Micron, Toshiba a další věří, že budou i nadále pokračovat růst kapacity a pokles cen. 3D NAND možná dokonce přesvědčí spotřebitele, že mohou být SSD stejně levné jako pevné disky.
„Technologie Flash bude velmi brzy levnější než rotační média,“ tvrdí Siva Sivaram, výkonný viceprezident pro paměti v SanDisku.
Seagate mezitím představil už konkrétní možnosti technologie HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording, tepelně podporovaný magnetický záznam) pro pevné disky. Umožní mimo jiné dosáhnout hustotu dat více než deset terabitů na čtvereční palec. To je mnohonásobně více než plošná hustota v dnešních nejmodernějších pevných discích.
Seagate očekává, že bude v roce 2017 spolupracovat s výrobci zařízení na demonstraci produktů HAMR pro datová centra a v roce 2018 tato společnost podle všeho zahájí dodávky disků HAMR na běžné trhy.
Tyto nedávné technologické pokroky jsou ale jen poslední kapitolou v dlouhém příběhu stále rostoucí potřeby ukládání dat, která vynucuje inovace schopné splnit nové nároky.
Boj s limity
Když firmy vyrábějící pevné disky řešily překonání limitů v první dekádě nového tisíciletí, otočily společnosti Toshiba a Seagate směr magnetizace ze směru v ploše do směru kolmo k ploše. Změna z podélného na kolmý magnetický záznam zvýšila kapacitu pevných disků až desetkrát.
Když průmysl pevných disků opět čelil kapacitním limitům v roce 2013, použil Seagate technologii překrytí datových stop jako u střešních šindelů, což zvýšilo kapacitu o 25 procent. A v roce 2014 představila společnost HGST (Hitachi Global Storage Technologies, dnes vlastněná formou WD) pevné disky plněné héliem, což přineslo zvýšení kapacity o dalších 50 procent.
V oboru pamětí s trvalým ukládáním se podobně objevily inovace, které překonaly kapacitní limity. Technologie SLC (jednoúrovňové buňky) NAND Flash se změnila na MLC (víceúrovňové buňky) NAND, kde namísto jednoho bitu na každý tranzistor dochází k ukládání dvou až tří bitů.
Když narazila na své limity technologie MLC NAND v důsledku 10nm litografického výrobního procesu, představil Samsung technologii 3D NAND Flash a rychle ji následovaly další firmy jako Intel/Micron nebo Toshiba, takže nakonec jsou buňky NAND ve sloupcích vysokých desítky vrstev.
Výrobci pamětí Flash věří, že v dohledu není žádný limit, který by je zastavil v cestě vzhůru.
Mrakodrapy NAND Flash
Od první iterace nabídla technologie 3D NAND Flash dvakrát až desetkrát vyšší spolehlivost a dvakrát větší výkon zápisu než klasická plošná technologie NAND.
Nejdůležitější však je, že 3D NAND odstranila litografickou planární bariéru (jedné vrstvy), která vznikala, když výrobci zmenšovali tranzistory pod velikost 15 nanometrů. Proces menší litografie vedl k chybám v datech, protože bity (elektrony) unikaly přes tenké stěny buněk.
„Mimořádné je, že se tyto mrakodrapy 3D NAND nestavějí po jednotlivých patrech. Víme, jak přejít ze 24 vrstev na 36 vrstev, na 48 vrstev, 64 vrstev a tak dále,“ popisuje Sivaram. „Neexistují v tom žádné fyzické limity. Nyní máme v technologii 3D NAND předvídatelné škálování pro tři až čtyři generace, tedy něco, co jsme nikdy předtím neměli.“
V současné době dokážou výrobci vytvořit 3D NAND s podporou až 64 vrstev a schopné ukládat 512 Gb (64 GB) v jediném čipu. Sivaram uvádí, že SanDisk již plánuje 3D NAND čipy s více než 100 vrstvami.
„Nevidíme fyzický limit toho, jak vysoko můžeme jít. Při dotazu na maximální výšku vám výrobci NAND neřeknou, že je maximem 96 až 126 vrstev a potom je tam fyzický limit,“ prohlašuje Sivaram. „O tom jsme dlouho snili.“
Přestože jsou továrny na výrobu 3D NAND mnohem dražší než výroba produkující plošné NAND nebo pevné disky (jedna továrna může stát deset miliard), Sivaram prohlašuje, že se časem náklady sníží s tím, jak vzroste přijetí nové technologie.
Klíčem je cena
Přestože podniky a spotřebitelé milují kapacitu – větší je lepší –, určuje přijetí většinou konečná cena. Jednou z možností je využít rezistivní RAM (ReRAM, Resistive RAM), která dokáže vykonávat operace čtení a zápisu s pomocí 50krát až 100krát menšího množství energie než paměti NOR Flash, takže je ideální pro mobilní zařízení včetně nositelné elektroniky.
ReRAM je založena na konceptu „paměťového rezistoru“, který se také nazývá memristor. Pojem memristor vymyslel počátkem sedmdesátých let vědecký pracovník Leon Chua na Kalifornské univerzitě v Berkeley.
Až do memristoru znali vědci jen tři základní obvodové prvky – rezistor (odpor), kapacitor (kondenzátor) a induktor (cívku). Memristor, který spotřebovává mnohem méně energie a nabídl mnohem větší výkon než předchozí technologie, byl čtvrtý.
Jednou z klíčových společností dodávajících produkty ReRAM je firma Adesto Technologies. Nedávno představila nový paměťový čip CBRAM (Conductive Bridging RAM) pro elektroniku pracující na baterie nebo získávající energii z okolí (energy harvesting), používanou na trhu IoT (internetu věcí).
Nedávno oznámily společnosti Hewlett-Packard a SanDisk dohodu o společném vývoji paměti SCM (Storage Class Memory) ReRAM, která by dokázala nahradit paměti DRAM a byla tisíckrát rychlejší než NAND Flash.
Společnost Knowm je zase start-upovou firmou, která také pracuje na produkci technologie memristorů. Memristory firmy Knowm jsou navržené tak, aby napodobovaly lidský mozek, ve kterém synapse spojují dva neurony.
Čím častěji mezi těmito neurony prochází signál, tím silnější jsou. Podobně také učení a uchovávání informací v memristorových obvodech Knowm je dáno charakteristikami datového toku a proudu.
IBM a Samsung zase v létě 2016 oznámily řešení STT MRAM (Spin-Transfer Torque Magnetoresistive RAM), která především v zápisu překonává až desetitisícinásobně klasická NAND (u čtení je zlepšení asi jen desetinásobné), takže je schopná nahradit i současné velmi rychlé paměti DRAM.
Technologie využívá desetinanosekundové pulzy s proudem 7,5 mikroampéry, což z ní činí velice výkonnou a energeticky účinnou technologii vhodnou do mobilních řešení nebo systémů IoT. Navíc při přepisu dat nemusí na rozdíl od NAND předem vymazávat příslušný bit, což zjednodušuje design čipů a redukuje možnosti přehřívání.
Také firma EverSpin se angažuje na poli MRAM – konkrétně navrhla už v roce 2012 řešení ST (Spin-Torque) MRAM, které v létě 2016 vylepšila už ve třetí generaci. Plány má na 1Gb čipy, které by měly být k dispozici s rozhraními DDR3 a DDR4. Jak ale poznamenává výrobce, jejich čipy primárně nejsou určené jako náhrada NAND v SSD.
Intel i jeho vývojový partner Micron zase pracují na čipech Optane – interně známých jako 3D XPoint, Micron je ale označuje jako QuantX. Podle Intelu ale tyto čipy nejsou založené na memristoru ani na technologii označované jako phase-change memory, nýbrž na, citujeme: „bulk material properties.“
Sám Intel plánuje dodávat své disky Optane v průběhu roku 2017. Nové disky Optane vyvinuté společně s firmou Micron mají mít čtyřikrát větší hustotu než DRAM a oproti řešením SSD založeným na NAND Flash nabídnou až desetkrát větší propustnost a čtyřikrát nižší latenci. První vzorky těchto disků představil Intel už na konferenci IDF v létě 2016, a to s kapacitou 140 GB.
„Nejsou tak rychlé jako paměti DRAM, takže je nenahradí tam, kde nejvíce záleží na minimální latenci, ale mají mnohem větší hustotu a mnohem nižší latenci než technologie NAND,“ uvedl Russ Meyer, ředitel integrace procesů v Micronu.
„Pokud porovnáte, o kolik rychlejší jsou SSD oproti pevným diskům a o kolik je rychlejší technologie 3D XPoint než konvenční NAND, jde vlastně o stejný typ vylepšení,“ uvedl Meyer.
Alan Chen, hlavní manažer výzkumu v DRAMeXchange, tvrdí, že i když technologie 3D XPoint pronikne na trh spotřebitelských počítačů, bude v důsledku relativně vysoké ceny její používání omezené na špičkové produkty.
„Vliv disků řady Optane na trh SSD bude daný jejich cenami. Dá se předpokládat, že Optane budou dražší než ekvivalenty hlavního proudu, založené na technologii NAND. Proto zpočátku ovlivní jen trh špičkových SSD,“ uvádí Chen.
HDD s 20 TB
Jak ceny SSD nadále klesají po přijetí technologie pamětí Flash s vyšší hustotou (3D NAND), také výrobci pevných disků (HDD) plánují upgrade svých technologií. Příklad: HAMR – využívá laser na hlavě disku pro čtení a zápis pro přesnější umístění bitů na rotující plotně disku. Na discích s technologií HAMR pracují Western Digital, Toshiba a Seagate.
HAMR využívá na rozdíl od tradičního kolmého magnetického záznamu laser na hlavě disku pro čtení a zápis pro přesnější umístění bitů na rotující plotně disku.
„HAMR je naše příští technologie, která zachová naši křivku růstu plošné hustoty,“ uvedl Mark Re, technologický ředitel Seagatu. „Vypadá to, že takové přechody máme přibližně každých deset let.“
Jak roste hustota disků, zvyšuje se také...
Tento příspěvek vyšel v tištěném Computerworldu 1/2017. Oproti tomuto příspěvku je podstatně obsáhlejší a přináší spoustu dalších tipů, jak vylepšit firemní IT.
Časopis (starší čísla i předplatné těch nadcházejících) si můžete objednat na adrese našeho vydavatelství.
PŘEDPLATNÉ
ČLÁNKY DO MAILU