Очень меня заинтересовала как именно Intel создали свою память. Я поискал в сети и хочу поделиться с вами возможными вариантами этой технологии.
Одними из первых используемых цифровых типов памяти без утечки, является устаревшая ныне память на магнитных доменах — «Память на магнитных сердечниках».
Эта технология претерпевает множество разветвлений и преобразований. Наиболее часто упоминаемые это MRAM и STTRAM, также разрабатывается MELRAM но, эта технология разрабатывается в более узком, сугубо научном кругу (коммерциализации видимо ещё не получила).
MRAM (magnetoresistive random-access memory) магниторезистивная память прямого (произвольного) доступа использует квантомеханический эффект туннельного магнитосопротивления, состоит из ячейки с двумя ферромагнетиками разделёнными диэлектриком толщиной около 1 нм, транзистора считывающего состояние(проводимость) этой ячейки и разнообразных типов записи состояния этой ячейки. Запись производится электромагнитной индукцией.
Эта технология весьма требовательна к размеру ячейки, поскольку производимое двумя проводниками электромагнитное поле имеет довольно большой размер и при маленьких размерах ячеек будет перекрывать соседние ячейки.
STTRAM — магнитная память произвольного доступа с вращающим моментом (STTRAM — spin-transfer-torque random-access-memory) тоже самое (STT-MRAM — Spin-transfer torque magnetic random access memory).
Технология этой памяти основана на спиновой электронике. Ячейками памяти являются полупроводниковые ферромагнетики изменяющие свою проводимость от приложенных к ним спин-поляризованных электронов. Верхний слой ферромагнетик меняющий свою полярность от спин-поляризованного тока, второй слой — это барьер изменяющий своё сопротивление электрическому току в зависимости от окружающего магнитного поля, нижним слоем является постоянный магнит. При совпадении направленности магнитных полей сопротивление барьера падает, и наоборот растёт если направления полей различаются. Возможно это научно популярное объяснение полупроводникового ферромагнетика, возможно наоборот, не достаточно информации.
Чтение состояния производится посредством измерения сопротивления протекающему току, запись производится подачей спин-поляризованного тока. Функционирующие образцы имеют скорость чтения/записи 20 нс и выполнены по 90 нм технологии. Наименьшая достигнутая скорость чтения/записи 2 нс. Ток записи менее 200 нА. Сопротивление ячейки в состоянии «0» 2 кОм, в состоянии «1» 4 кОм. Технология позволяет многослойное построение. Теоретическая стабильность чтения/записи более 10 в 15 степени, практически достигнутая 10 в 13 степени.
Ток требуемый для записи более чем на порядок ниже чем требуемого в MRAM.
Первые патенты и рабочая ячейка произведены и зарегистрированы Grandis 2002-2009 годах, работа ячейки вкупе с магнитным туннелированием в 2004, в связи с этим ранее 2024 года широкого распространения не ожидается. Но поскольку компания вместе с патентами была приобретена Samsung, Samsung же может первой запустить этот тип памяти в продажу.
Данная память в будущем универсальна и будет способна заменить нынешние оперативную память и флешь. Данных по температурной стабильности нет, имхо ~ -200 до +300 градусов.
зы Спинтроника весьма перспективна и в других областях.
MELRAM ячейки этой магнито-электрической памяти устроены следующим образом, первая часть состоит из пьезоэлектрической подложки, вторая из слоистого магнитоупругого материала.
Первая пьезоэлектрическая часть имеет способность деформироваться если к ним приложить напряжение и генерируют напряжение если их деформировать, вторая часть магнитоупругая и сильно меняет свою намагниченность при деформации. В рабочем состоянии при подаче электрического напряжения к первой части пьезоэлектрик деформируется и воздействует на вторую часть, магнитоупругий материал меняет намагниченность на перпендикулярное состояние, тем самым происходит запись. Чтение в этой ячейке можно производить в обратном порядке. Разрабатывается МФТИ совместно с ИРЭ им. В.?А. Котельникова РАН и Международной ассоциированной лаборатории LIA LICS.
Далее будут рассмотрены два совершенно иных типа памяти никак не использующих магнитные поля
Резистивная память с произвольным/прямым доступом (RRAM — resistive random access memory), ReRAM. В RRAM используется эффект способности диэлектриков под воздействием высокого электрического напряжения становиться проводниками, разделяются они по типу воздействия на диэлектрик и по размеру и расположению созданных областей проводимости. По типу воздействия бывают биполярного переключения когда к диэлектрику требуется приложить одну полярность для переключения его в высокое сопротивление и другую для низкого, и однополярное переключение, когда для переключения состояния диэлектрика используют разные уровни напряжения. Области проводимости могут быть как в виде отдельных нитей причём не все они будут проводниками, так и в виде больших зон становящихся проводниками, также нити и зоны могут располагаться либо по всей поверхности диэлектрика либо только возле электродов.
Ячейки памяти могут быть подключены напрямую либо через селекторы в виде диодов или транзисторов. При сборке ячеек напрямую ввиду разной проводимости отдельных ячеек очень сложно верно оценить состояние конкретной ячейки, в связи с этим к каждой ячейке подключают диод, это минимизирует утечку электронов, но не полностью, также дополнительно можно каждую ячейку включать через транзистор, это увеличит скорость и точность чтения ячейки, но значительно усложнит структуру, при подключении только через диоды можно создавать многомерные 3d структуры. Технология эта довольна молода и развивается практически всеми крупными производителями устройств памяти.
PCM — phase change memory (то же PCM, PCRAM, Ovonic Unified Memory, Chalcogenide RAM и C-RAM) память работающая на основе фазового перехода вещества.
Рабочим телом ячеек этого типа памяти является халькогенид, правильней было бы называть это вещество более конкретно — теллурид. Теллурид чего именно используют исследователи не известно, в вики говорится о германии и сурьме, можно лишь предположить что используются и другие редкоземельные металлы, например висмут и бериллий. В разных фазовых состояниях это вещество по разному проводит ток, будучи аморфным его сопротивление велико, в кристаллическом же состоянии сопротивление низкое и он легко проводит ток. В настоящее время от этого вещества добились 4 устойчивых состояний, от кристаллического до аморфного с двумя дополнительными переходными состояниями, благодаря этому плотность хранения информации существенно увеличивается. Первоначально в 1969 году от материала была получена скорость переключения 100 нс, а в 2006 добились уже 5 нс. В этом же 2006 году благодаря устойчивости к радиации первые коммерческие образцы начали использоваться в космосе. Многие спутники имеют устойчивые орбиты внутри поясов Ван Аллена и для них устойчивость к радиации весьма критична.
Но, ячейки PCM самопроизвольно переключается от нагрева — боятся высоких температур, и при низких температурах должны переключаться существенно медленней либо вообще разрушаться. Что требует создания либо своего специфического состава теллурида для определённых температур, либо температурно стабильных условий работы ячейки.
Но вернёмся к Intel, а Intel использует PCM. Но почему именно эта технология? Разработал эту технологию и получил первый патент Стэнфорд Овшинский , он вообще разработал огромное количество современных используемых нами технологий.
В 1970 года в сентябрьском выпуске Electronics, Гордон Мур — один из основателей Intel — опубликовал статью о PCM. Его личная заинтересованность и подвигла разработки компании Intel в этом направлении. С тех пор прошли сроки всех первичных патентов в этой области, и сейчас спустя почти 30 лет другие коммерческие организации приняли участие в дальнейших разработках и улучшениях этой технологии.
Optane — производное от латинского captans (схватывание, хватка). Температурные режимы работы из инструкции по эксплуатации Intel Optane:
Operating: 0 to 70 C
Non-Operating: -10 to 85 C
Стоит нагреть примерно на 30 градусов выше максимальной допустимой и информации не станет, это вроде понятно, но почему нижний порог хранения -10 градусов? Возможно ячейка будет просто разрушена как стеклянная банка с водой на морозе.
PCM допустимо использовать только в стационарном оборудовании находящемся постоянно в тепле и с должным охлаждением. На мой взгляд это недопустимый способ хранения информации для ноутбуков и другой мобильной техники. Нашей зимой заморозить ноутбук или телефон ниже -10 градусов легко и просто.
geektimes.ru/company/intel/blog/292093
https://ru.wikipedia.org/wiki/Память_с_изменением_фазового_состояния
https://ru.wikipedia.org/wiki/Память_на_магнитных_сердечниках
https://ru.wikipedia.org/wiki/Спинтроника
ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B8%D0%BD%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0
en.wikipedia.org/wiki/Spin-transfer_torque
www.nkj.ru/news/31798
aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4983717
mipt.ru/newsblog/lenta/uchyenye_sozdali_magnitnuyu_operativku
3dnews.ru/954365
3dnews.ru/954661
3dnews.ru/926712
3dnews.ru/557398
www.flashmemorysummit.com/English/Collaterals/Proceedings/2009/20090813_ThursPlenary_Tabrizi.pdf
dailytechinfo.org/electronics/6650-novye-fefet-tranzistory-smogut-obespechit-dalneyshee-soblyudenie-zakona-gordona-mura.html
Комментарии (23)
proton17
25.11.2017 23:55Еще стоит FRAM упомянуть. Есть даже серия ультранизкопотребляющих МК MPS430 с встроенной FRAM.
Ok_Lenar Автор
26.11.2017 00:19Да, сегнетоэлектрики конечно тоже очень перспективное направление. Но разрабатывающиеся типы памяти на их основе, используют всё те же конденсаторные ячейки хранения состояния и они подвержены утечке электронов и в связи с этим к данной теме не относятся.
SergeyMax
26.11.2017 01:05Рабочая температура от 0 до 70 градусов — это обычный диапазон для commercial grade электроники. Все микросхемы в ваших ноутбуках и мобильной технике — с таким же температурным диапазоном.
Ok_Lenar Автор
26.11.2017 01:26Практически для всех других типов памяти предельно низкими будут сверхнизкие температуры меняющие проводимость и магнитные свойства используемых материалов, ячейки с теллуридом будут разрушены значительно раньше это ясно указано в википедии.
По поводу высоких температур так же есть информация о том что данные микросхемы перед окончательной сборкой устройства монтируют и только затем записывают. В общепринятой же практике сборки популярных устройств, память сначала записывают и только затем уже припаивают и в дальнейшем тестируют конечное устройство.SergeyMax
26.11.2017 09:21На википедии даже не написано, теллурид чего именно использован, так что я бы на вашем месте поостерёгся по одному слову делать далеко идущие выводы.
Ok_Lenar Автор
26.11.2017 10:54Мои предположения ни к чему не обязывают, а какой либо вывод сделать всё равно надо.
У вас есть более подробная информация?
ruzhovt
26.11.2017 09:48выше семидесяти градусов не рабочая — с этим можно жить, но нерабочая ниже нуля это очень плохо даже для потребительской электроники, например начинки автомобилей ;)
SergeyMax
26.11.2017 10:00В автомобилях электроника automotive grade. Мне, как и вам, лень лезть в гугл, но по памяти — от -40 до +125 градусов цельсия.
ruzhovt
26.11.2017 10:08ок, фотоаппараты и телефоны это потребильская элеткроника? вы хотели бы чтоб ваш телефон не работал когды выходишь на улицу зимой? А если выйти на улицу даже с выключенным ноутбуком в рюкзаке и потерять сохраненную информацию?
ruzhovt
26.11.2017 10:06Все микросхемы в ваших ноутбуках и мобильной технике — с таким же температурным диапазоном.
Абcолютно нет. Последние Core i7 переживают кратковременные температурыне перепады от -55 до +125 (в отключенном состоянии, а Optane Memory судя по всему потеряет сохраненную информацию), в то же время чипы процессоров и видеокарт сохраняют работоспособность при 90+ градусах (что совсем не здоровая рабочая температура, но все же)SergeyMax
26.11.2017 10:18Core i7 переживают кратковременные температурыне перепады от -55 до +125
К сожалению, вы путаете понятия «переживают» и «спецификация». Согласно даташиту, рабочий диапазон температур процессоров серии i7-900 — от +5 до +67,9 градусов цельсия. Но на самом деле вы в одном шаге от правильного вывода: значение минимально допустимой температуры 0 градусов не означает, что при этой температуре устройство выключается, а все котики — стираются.ruzhovt
26.11.2017 10:24Последние Core i7 переживают кратковременные температурыне перепады от -55 до +125 (в отключенном состоянии)
там же написано про отключенное состояние :)
а вот про оптан мемори абсолютно непонятно при какой температуре ниже нуля хотябы часть информации может безвовзратно исчезнуть (даже в отключенном состоянии), ибо с остальными частями ноутубка очевидно что ничего плохого не станет, если его вынести на -20 (в багажник машины зимой) на 2 часа а потом занести домой и дать ему нагреться обратно.SergeyMax
26.11.2017 10:29Кроме опубликованной статьи, я не вижу более никаких упоминаний, что 3D XPoint теряет информацию при охлаждении и/или нагреве. Возможно, это просто фантазия автора, основанная на увиденном им рабочем температурном диапазоне микросхем.
ruzhovt
26.11.2017 10:47не вижу более никаких упоминаний, что 3D XPoint теряет информацию при охлаждении и/или нагреве. Возможно, это просто фантазия автора
это физика а не фантазии автора. любое изветсное вещество вао вселенной меняет сове агрегатное состояние под воздествием имзенения температуры. соотв любое устройство которое зависит от агрегатного состояния вещества потеряет свое состояние при слишком высокой либо при слишком низкой температуре. вопрос только в абсолютных значениях этих температур. если информация теряется при минус -50 (ибо рабочее вещество может перейти в другое агрегатное состояние) — это нормально для потребительской электроники. если это происходит при -5 здоровый человек никогда не поставит себе такое устройство ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ в ноутубк или телефон.
Ok_Lenar Автор
26.11.2017 10:58Я указал список использованных источников, там вся информация присутствует.
Если вас так заинтересовала эта тема то рекомендую ознакомиться.ruzhovt
26.11.2017 11:24неплохо бы более конкретную ссылку где про температуры рабочие и критические для хранения ;)
но почему нижний порог хранения -10 градусов? Возможно ячейка будет просто разрушена как стеклянная банка с водой на морозе.
это явно «dealbreaker» (не могу придумать аналога на русском) если при -10 теряется информация, независимо от причин.
но я все же думаю что не ячейка разрушиться, а состояние всех ячеек изменится при достижении определенного уровня температуры (и выше нуля и ниже нуля)Ok_Lenar Автор
26.11.2017 12:00К сожалению более подробной информации в сети нет. Я поищу, если найду отпишу.
a5b
26.11.2017 19:29Заявление на базе двух строк из product brief и необоснованных предположений автора на тему "фазовый состояний"…
Устройства небольшого объема вполне доступны, можно было бы и эксперимент провести.
Ссылки: https://www.intel.com/content/www/us/en/architecture-and-technology/optane-memory-brief.html
https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/product-briefs/optane-memory-brief.pdf
Product Brief: Intel® Optane™ Memory—Breakthrough Responsiveness
стр.3 "Temperature Operating: 0 to 70 C; Non-Operating: -10 to 85 C"
https://www.intel.com/content/dam/support/us/en/test/Frequently_Asked_Questions_for_Intel_Optane_Memory.pdf Frequently Asked Questions for Intel® Optane Memory — Last Reviewed: 07-Jun-2017 — Article ID: 000024018
"What is the power consumption and operating temperature for the Intel Optane Memory Module? — See the Product Brief for more information"
У партнеров есть примечание, что для коммерческих запросов Интел ответит про минус десять и плюс 85 http://h20195.www2.hp.com/v2/getpdf.aspx/c05575398.pdf "8.Please contact your Intel representative for details on the non-operating temperature range"
О сохранности данных в Optane без питания — стандартные для сегмента "enterprise" накопителей "не менее 3 месяцев" после исчерпания ресурса стираний (при 40 градусах?, можно предположить, что при пониженных температурах химические процессы будут лишь замедляться), см. https://www.anandtech.com/show/11930/intel-optane-ssd-dc-p4800x-750gb-handson-review
Once the P4800X has reached its write endurance rating, it is specified for unpowered data retention of 3 months, which is standard for enterprise SSD. Intel doesn't say anything directly about data retention when the drive is new, but the do caution that the drive will perform background data refreshing. When the drive is powered on, it will devote more time than usual to background data refreshing for a period of about three hours, to clean up any data degradation that may have occurred while the drive was off for an unknowable period of time.
В http://www.russianelectronics.ru/developer-r/review/2194/doc/54612/ пишут, что фазовое состояние меняется между аморфной и кристаллической фазой "халькогенидного стекла на основе сплава антимонида и теллурида германия Ge-Sb-Te (GST)", а techinsights подтверждает использование GST в Optane: "Intel XPoint memory has adopted chalcogenide-based phase change materials. A GST (Ge-Sb-Te) alloy layer is used for the memory element" и GST-based materials are used for the storage и IEDM 2016 7.7 3-D cross-point memory cells formed using germanium-selenium telluride (GST) are discussed in the last paper of the session (7.7) (
Multi-domain compact modeling for GeSbTe-based ...Nuo Xu).
https://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1331894&print=yes "For GST, the maximum crystal growth rate of 0.55m/sec is observed at 750K."
Сходные стекла AgInSbTe, GeInSbTe, GeInSbSn использовались в перезаписываемых CD-RW/DVD-RW/BD-RE и информация вроде как не терялась при замораживании (стекло самопроизвольно не меняло аморфную фазу на кристаллическую). Хотя Стандарты Разрешают хранить лишь при температурах не ниже -10 градусов: https://www.clir.org/pubs/reports/pub121/sec5.html, но опасны не сами низкие температуры, а скорость изменения температуры (быстрый отогрев после заморозки может приводить к расслоению dvd).
В статье http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0042207X17311454 и https://www.nature.com/articles/srep46279 изучали как повысить сохранение фаз в вариантах GST для достижения 10 летней сохранности фазового состояния — https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0042207X17311454-gr2.jpg https://www.nature.com/articles/srep46279/figures/1 — при +88 градусах !
shteyner
28.11.2017 17:52А есть сейчас что-нибудь в разработках вроде не перезаписываемой, крайне дешевой памяти с минимальным энергопотреблением и крайне долгим сроком эксплуатации? Что-нибудь идеально подходящее для долгосрочных архивов.
Murmand
Да с Optane все просто! Маркетологи как всегда в глазах акционеров, победили инженеров, у Intel, в последние десятилетия, к сожалению, так всегда.
AlexanderS
Да никто инженеров не побеждал — их просто как всегда и не спрашивали.
ruzhovt
я так понимаю этим никто не пользуется массово до их пор изза возможных потерь данных при температурах ниже нуля. потому эту оптан мемори только для материнок на десктопы делают, предполагая что температуа окружающей среды всегда будет от +15 до +35
Ok_Lenar Автор
Я считаю что продвижение Optane в Intel состоялось благодаря двум талантливым инженерам и химикам Андрашу Иштвану Грофу и Гордону Муру. Это под их влиянием менеджерский состав осуществил данную идею, и она в общем-то очень даже жизненна., но далека от требуемого большинству идеала. Я не думаю что это плохо, эта технология в практической своей реализации продвинула компанию далеко вперёд.
По сути они сейчас используя другой хим. состав и тех. процесс создания ячейки памяти с таким же успехом могут разместить вместо неё как резистивную так и магнитную ячейки памяти (по типу MELRAM). По крайней мере топология может оставаться практически идентичной.