NAND выдохлась. Резистивная память на очереди

Цифровые технологии редко живут долго. В любой момент времени есть что-то, переживающее подъём, и что-то, уступающее место: задержаться на троне не удаётся почти никому. Это здорово, поскольку избавляет нас от зависимости от какого-то уникального решения — всегда есть варианты, к которым можно прибегнуть. Но, конечно, это не означает, что смена поколений проходит безболезненно. И как раз сейчас нам предстоит пережить такую смену применительно к доминирующему (культурно, если не численно) типу накопителей информации. Технология NAND, она же «флэш-память», направилась к выходу со сцены.

Не вдаваясь в детали, NAND — массив транзисторов, которые удерживают электрический заряд и сохраняют таким образом информацию. Это детище 80-х годов, но вплоть до нулевых такие чипы были слишком дорогими и слишком медленными, чтобы составить серьёзную конкуренцию прочим носителям. И даже в нулевые, когда флэш-память взялась в рост, цена и скорость всё ещё оставались её самым большим недостатком.

Поле памяти. 34-нанометровая матрица NAND.

Вытеснив дискеты, оптические диски, а в последнюю пятилетку взявшись и за жёсткий диск, NAND лишь год-два как стала достаточно дешёвой и производительной, чтобы почти без оговорок заменять предшественников. Правда, вот именно, что почти: массовая эксплуатация вскрыла другие её недостатки — порой проблемные настолько, что они способны перекрыть достоинства, а именно твердотельность (невосприимчивость к механическим воздействиям) и энергоэкономичность.

Первый и главный недостаток — конечное число циклов перезаписи. Сильно упрощая, можно сказать, что каждая ячейка NAND выдерживает перезапись лишь несколько тысяч раз, после чего перестаёт функционировать корректно. Сами понимаете, это смешное число для микропроцессорной техники, где тактовые частоты измеряются в миллиардах герц. Поэтому приходится идти на всяческие ухищрения: конфигурировать систему таким образом, чтобы минимизировать сбрасываемые на флэш-накопитель объёмы информации, скрещивать SSD с другими типами памяти, умно распределять потоки данных контроллером, применять хитрые алгоритмы помехоустойчивого кодирования. Однако ничто из этого не устраняет корень проблемы. И даже увеличение ресурса до сотен тысяч циклов (чего, кажется, добились некоторые производители) не устраняет корня тоже: работая с NAND, всегда необходимо помнить, с чем вы имеете дело.

Эволюция NAND (по данным на 2010 год). Реальный темп миниатюризации в последние годы оказался меньше, а продвижение далее 15 нм экономически необоснованным.

Другой недостаток вскрылся только в последний год и касается долговечности хранения данных. Дело в том, что теоретический «срок годности» информации на NAND-матрице невелик, но по крайней мере превосходит практически разумный порог: около десяти лет должны сохраняться данные на флэш-накопителях, если не подвергать их слишком частому чтению в одном месте (тогда увеличивается вероятность искажений на соседних участках) и не облучать рентгеном.

Но это, повторюсь, теория. На практике же вскрылась вот какая штука. Мало того, что реальная долговечность оказалась значительно меньшей (промышленные стандарты оговаривают два года хранения в обесточенном состоянии для бытовых накопителей и несколько месяцев для накопителей коммерческих, предназначенных для активной работы в режиме 24/7), так ещё и NAND оказалась весьма чувствительной к высоким температурам. Грубо говоря, при хранении NAND-накопителя в отключенном состоянии, повышение температуры окружающей среды на каждые 5 градусов Цельсия уменьшает номинальный срок сохранности данных вдвое. С этим впервые столкнулись криминалисты, но совсем не трудно представить, как это способно аукнуться и простым компьютерным пользователям.

Но и это ещё не все плохие новости. Хуже всего то, что исправить перечисленные выше узкие места скорее всего уже не удастся, потому что NAND-технология ткнулась в свой физический предел. Стремительная миниатюризация NAND-чипов привела к достижению 15-нанометрового масштаба, на котором прогресс и остановился: уменьшать размер элементов дальше прежним темпом уже не получится, да и слишком дорого. Поэтому, хоть классическую (т.н. планарную, т.е. плоскую) NAND-память ещё производят и будут производить какое-то время, перспективные усилия уже перенесены на 3D NAND. Такие чипы представляют собой «бутерброд» из десятков слоёв (в максимуме ожидается до сотни), что даёт увеличение информационного объёма при тех же размерах деталей, плюс некоторые эксплуатационные преимущества.

Однако все понимают, что фундаментальный ресурс NAND-технологии исчерпан. Пора искать что-то новое. И хоть вариантов, как всегда, множество, печальная правда в том, что из всех экспериментальных типов энергонезависимой памяти, теоретически способных составить конкуренцию NAND, на данный момент доведена до стадии производства всего одна. Это так называемая 3D XPoint, которую недавно пустили на конвейер совместно Intel и Micron.

Известно о ней, впрочем, немного. Это резистивная технология: информация здесь сохраняется не электрическим зарядом, а изменением сопротивления ячеек, лежащих на пересечениях трёхмерной матрицы проводников (отсюда и название: XPoint = crosspoint = точка пересечения). Главные её достоинства: тысячекратное превосходство NAND в скорости и износостойкости (даже без оптимизации она, якобы, выдерживает миллион циклов перезаписи), плюс неограниченный срок хранения данных в пассивном режиме. Увы, больше ничего конкретного сказать нельзя. Разве что представитель Intel категорически отверг предположение, что в основе новой технологии лежит пресловутый мемристор (над которым трудятся десятки коллективов, но который так и не удалось пока довести до коммерческой стадии): мемристор сложный, тогда как 3D Xpoint проста — а это должно поспособствовать быстрой миниатюризации и удешевлению.

В текущий момент проблема 3D Xpoint не столько в технологической новизне (опытные образцы будут поставлены партнёрам до конца года, в ближайшие пару лет можно ожидать их появления в готовых продуктах), сколько в цене, которая ставит её в диапазон между DRAM и 3D NAND. Однако, учитывая, что все прочие альтернативы NAND (магниторезистивные, фазоизменяемые и др.) пали жертвами чрезмерной сложности, можно предположить, что именно 3D Xpoint предстоит стать следующим большим этапом в эволюции электронной памяти.

P.S. В статье использованы иллюстрации Intel, EETimes.