Память в компьютерах и гаджетах много лет делится на два направления. DRAM — быстрая, но требует постоянного питания. NAND-флеш — надежная и долговечная, зато ощутимо медленнее. Инженеры десятилетиями мечтали о «золотой середине», которая объединит лучшее из обоих подходов.

И похоже, такая технология наконец появилась. UltraRAM обещает скорость на уровне DRAM, энергонезависимость и долговечность, в разы превосходящую NAND, причем с расчетным сроком хранения данных до тысячи лет. Давайте разбираться, как она устроена, какие возможности открывает и почему способна перевернуть рынок вычислений.

Как работает UltraRAM: технология и материалы

Новый тип памяти придумали в Ланкастерском университете, а продвигает ее на рынок стартап Quinas Technology, созданный этими же учеными. Так вот, UltraRAM использует гетероструктуру на основе антимонидов галлия (GaSb) и алюминия (AlSb). Эти материалы выращиваются методом молекулярно-пучковой эпитаксии — процесса, при котором кристаллические слои формируются на кремниевой подложке с атомарной точностью. Это дает совместимость с существующими производственными линиями. И, конечно, отличает UltraRAM от многих экспериментальных технологий, таких как MRAM или Optane. Их внедрение тормозилось из-за использования редких материалов и крайне сложных производственных процессов.

В основе работы UltraRAM лежит квантовое резонансное туннелирование в гетероструктуре с тройным барьером. Электроны проходят через него, удерживаясь в плавающем затворе, что позволяет ячейкам памяти переключаться с высокой скоростью и сохранять данные без питания. Это дает три ключевых преимущества: быстродействие на уровне DRAM, энергонезависимость, устраняющая необходимость постоянного обновления, и выносливость до 10 миллионов циклов записи/стирания — в 4 000 раз больше, чем у NAND. Переключение ячеек требует менее 1 фемтоджоуля энергии, что делает технологию одной из самых энергоэффективных на рынке.

Лабораторные тесты показали, что данные в UltraRAM могут храниться до 1 000 лет, что идеально для задач, где долговечность критична. Совместимость с кремниевыми подложками позволяет интегрировать технологию в существующие чипы без радикальных изменений в производстве.

Вместе с IQE plc разработчики наладили процесс выращивания слоев GaSb/AlSb прямо на кремниевых пластинах. Раньше такие эксперименты делались только на дорогих арсенид-галлиевых подложках, что сразу закрывало дорогу к массовому выпуску. А теперь удалось показать, что технологию можно перенести на привычный для индустрии кремний — и делать это стабильно, в больших масштабах. По сути, это перевод UltraRAM из статуса лабораторного эксперимента в стадию, где можно строить пилотные линии и думать о серийном производстве.

Перспективы и сложности внедрения новой технологии

Сегодняшние чипы памяти разделены по функциям: одни быстрые, другие долговечные. UltraRAM обещает совместить оба свойства, и это значит, что подход к хранению данных может поменяться. Такая память пригодится и в больших серверных фермах, и в обычных ноутбуках. Давайте посмотрим, что там за перспективы у новинки.

Энергоэффективность для дата-центров. ЦОД потребляют до 3% мировой электроэнергии, и значительная ее толика уходит на работу DRAM. Эта память теряет данные без постоянного обновления, поэтому ей нужно питание даже в режиме простоя. UltraRAM решает эту проблему: она сохраняет информацию без внешнего питания, как NAND, но работает с той же скоростью, что и DRAM. Для дата-центров это означает заметное снижение энергозатрат. Компании вроде AWS или Google смогут не только сократить расходы на электроэнергию, но и уменьшить нагрузку на электросети, что особенно важно сегодня.

Потребительские устройства: скорость и надежность. В пользовательской электронике UltraRAM устраняет разрыв между оперативной памятью и накопителями. Представьте смартфон или ноутбук, который включается мгновенно, не теряет данные при отключении питания и обрабатывает информацию с невероятной скоростью. Это позволит создавать устройства с новыми форм-факторами, где загрузка системы или приложений становится практически незаметной, а надежность хранения данных возрастает.

IoT и космос. Для устройств Интернета вещей, которые стоят где-нибудь в поле или на буровой и работают без присмотра, важно, чтобы память не требовала постоянного питания и не ломалась через пару лет. UltraRAM это дает. В космосе требования еще жестче: радиация, перепады температур, никакого ремонта. Здесь особенно ценна память, которая способна хранить данные десятилетиями — будь то спутник или марсоход.

Будущее вычислений. UltraRAM может изменить сам принцип работы вычислительных систем: в ней объединяются свойства оперативной памяти и долговременного хранилища. Это открывает дорогу к новым устройствам — от суперкомпьютеров, которые требуют меньше энергии, до небольших гаджетов, способных работать годами без подзарядки. Такая память сделает вычисления быстрее и надежнее и заметно изменит то, как мы обращаемся с данными.

В общем, перспективы интересные. Но насколько реально внедрение новой технологии в ближайшем обозримом будущем?

Путь к коммерциализации

Главное, что стоит знать — UltraRAM уже прошла самый трудный рубеж: из университетской лаборатории она перешла к процессу, который можно повторять в промышленных условиях. Это серьезный шаг, потому что между «прототипом на столе у ученых» и «чипом на фабрике» обычно огромная пропасть. Совместная работа Quinas Technology и IQE plc позволила оптимизировать эпитаксию GaSb/AlSb прямо на кремнии так, чтобы ее можно было использовать на существующих производственных линиях.

Дальше предстоит этап пилотного выпуска — первые партии чипов на мощностях литейных заводов. Там проверят, насколько процесс устойчив, какая у него реальная себестоимость и как ведут себя микросхемы в серийных условиях. Этот момент станет проверкой на прочность: в истории уже было немало перспективных технологий, вроде ReRAM или PCM, которые показывали отличные результаты в лаборатории, но так и не дошли до рынка из-за проблем с масштабированием и низкой доходностью.

Quinas закрепляет за собой права на UltraRAM через патенты: пять уже получены в разных странах, еще восемь ждут рассмотрения. Это помогает защитить разработку и вести разговор с потенциальными партнерами на равных. Дополнительный вес дают и награды — от премии Всемирной организации интеллектуальной собственности до признания на Flash Memory Summit. Но впереди жесткая конкуренция: без сильного партнера или фокусировки на нишах вроде IoT и космоса выйти в большой рынок будет сложно. 

Конечно, путь UltraRAM к вендорам и пользователям не будет простым. Индустрия памяти, доминируемая Samsung, SK hynix и Micron, консервативна. Переход на новую технологию потребует адаптации процессоров, операционных систем и софта. История с Intel Optane показала, что высокие затраты и сложности интеграции могут затормозить даже перспективные разработки. Однако совместимость UltraRAM с кремнием и ее энергоэффективность снижают риски масштабирования, давая преимущество перед конкурентами. Quinas Technology должна доказать, что технология может быть произведена с высокой доходностью и доступной стоимостью.