В настоящее время наиболее высокую скорость доступа к данным среди доступных для массового рынка технологий предоставляет флэш-память NAND. Однако это не предел. В научных лабораториях мира ведутся разработки альтернативных технологий, которые в будущем потеснят нынешнего фаворита.

На выставке Flash Memory Summit, недавно прошедшей в Калифорнии, одну из таких разработок продемонстрировала компания HGST, входящая в корпорацию Western Digital. Показанное тестовое устройство представляет собой модуль, устанавливаемый внутри сервера в слот PCI Express (PCIe) — тот самый, который используется для подключения нынешнего SSD-накопителя.

Новое устройство HGST не служит для хранения данных, это высокоскоростной интерфейс для подключения внешнего массива хранения, который будет построен на базе одной из перспективных твердотельных технологий. В основу предложенного интерфейса положен экспериментальный коммуникационный протокол, являющийся связующим звеном для передачи данных между Linux-драйвером, запускаемым на сервере, и программой обслуживания SSD-накопителя.

PCM

Для хранения данных в SSD-массиве HGST выбрала технологию PCM (phase change memory, память на основе фазового перехода). Это — новый тип энергонезависимой памяти, который способен обеспечить скорость доступа, в несколько раз превышающую ту, которую может предоставить технология флэш-NAND.

Как заявил Ульрих Хансен, вице-президент HGST по маркетингу, если на извлечение данных, сохраненных по технологии флэш-NAND, затрачивает около 70 мс, то PCM сокращает это время до 1 мс. Но технология PCM еще не пригодна для массового применения. По словам Хансена, на завершение работ потребуется около 2–3 лет.

Выбор PCM обусловлен тем, что эта технология обладает не только необходимым потенциалом для работы с будущими системами хранения, но и, по мнению HGST, именно она станет первой доступной для массового внедрения.

В основе PCM лежат уникальные свойства стеклоподобного металлического сплава, носящего название «халькогенид» (chalcogenide). Как показали исследования, при нагреве он способен «переключаться» между двумя состояниями: кристаллическим и аморфным. После подачи заряда на такую ячейку памяти происходит реорганизация ее атомной структуры — так работает программируемый алгоритм записи.

Дальнейшие экспериментальные проработки PCM показали, что в этой технологии можно добиться появления нескольких дополнительных состояний. В результате удалось эффективно нарастить информационную емкость ячеек PCM, кодируя в них сразу несколько квантов информации (единиц и нулей).

Новый интерфейс, предложенный HGST для работы с PCM-массивом, дополняет стандартный PCI Express. В нем задаются правила инициализации и передачи команд, а также описываются признаки завершения инициированной передачи данных, благодаря которым сервер получает информацию об успешности операции.

RRAM

Помимо развития PCM сегодня ведется разработка как минимум еще двух технологий хранения данных, которые способны в будущем потеснить флэш-память за счет, в том числе, более высокой скорости доступа. Это — RRAM (resistive random-access memory, резистивная память с произвольным доступом) и MRAM (magnetic RAM, магниторезистивная оперативная память).

Основным разработчиком резистивной памяти RRAM часто называют калифорнийскую компанию Crossbar. Идея RRAM состоит в следующем: ячейка памяти представляет собой структуру из трех слоев толщиной около 10 нм. По обеим сторонам «сэндвича» располагаются проводящие слои, а между ними — диэлектрик, который в нормальном состоянии имеет высокое сопротивление. Однако если к проводящим слоям приложить достаточно высокое напряжение, то внутри диэлектрика формируется проводящая нить низкого сопротивления и ячейка превращается из диэлектрика в проводник. Выбирая уровень напряжения можно разрушить возникшую проводящую нить, а потом сформировать ее заново, тем самым построив нужный алгоритм хранения данных.

Решение Crossbar обладает не только масштабируемостью и простотой. На базе этой технологии можно создавать блоки с различной конфигурацией, собирая ячейки памяти вместе в так называемые «пространственно-накладываемые» конструкции (3D-stacking).

По оценкам Crossbar, скорость записи для RRAM-модулей будет в 20 раз выше, чем у флэш-NAND — соответственно 140 и 7 Мб/с. Скорость чтения для RRAM-модулей составит около 17 Мб/с. Еще один выигрыш — это долговечность хранения данных: RRAM способен обеспечить хранение данных до 20 лет против 1–3 лет у NAND.

MRAM

Другая альтернатива для флэш-NAND — технология магниторезистивной памяти MRAM. Здесь хранение информации построено на использовании магнитных моментов, а не электрических зарядов. Магнитные элементы формируются из двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким слоем диэлектрика. Один из слоев представляет собой постоянный магнит, который намагничивается в определенном направлении. Кодирование ячейки происходит за счет изменения намагниченности другого слоя, которое меняется под действием внешнего поля. По величине протекающего тока можно определить сопротивление ячейки и затем узнать полярность перезаписываемого слоя, т. е. прочитать сохраненную информацию.

Среди достоинств MRAM отмечают не только высокую скорость выборки данных, но и выдающуюся устойчивость работы при неблагоприятных внешних условиях. Такая память способна сохранять работоспособность даже при очень высоких температурах окружающей среды, поэтому ее часто рассматривают как лучший кандидат для применения в сложных условиях — для армии и космоса.

Технология MRAM разрабатывается с 1990-х, и сегодня в этом бизнесе занято уже достаточно много компаний. Согласно оценкам Coughlin Associates, объем рынка MRAM-памяти в 2013 г. составил 190 млн. долл., а к 2019-му он вырастет до уровня 2,1 млрд. долл., т. е. в 10 раз.

Новые интерфейсы

По словам Хансена, переход на новые технологии хранения данных потребует обратить пристальное внимание на пересмотр интерфейсов передачи данных от систем хранения к прикладным системам. Сегодня много внимания уделяется новому интерфейсу NVM Express (NVMe), который в будущем собираются стандартизировать для применения в высокоскоростных соединениях с флэш-накопителями.

По мнению Хансена, после выхода на массовый рынок нового поколения носителей возможностей, которые предоставляет интерфейс NVMe, окажется недостаточно. В результате, он может превратиться в узкое звено для массового распространения новых систем.

Именно этим прогнозом объясняется внимание, которое сейчас HGST уделяет разработке нового интерфейса. Но, по словам Хансена, HGST не ставит перед собой цель сделать новый интерфейс конкурентом NVMe.


Версия для печати