ReRAM – перспективная технология энергонезависимой памяти

Безусловное на сегодня доминирование флэш-памяти NAND в бесшпиндельных системах хранения данных подкреплено солидными и длительными инвестициями в эту технологию. В условиях тренда на постепенное удешевление NAND развивать какие-то иные подходы к организации энергонезависимой памяти представляется экономически нецелесообразным. Пример проекта Optane, свернутого Intel в середине 2022 г., подтверждает: при всех достоинствах альтернативной флэш-памяти технологии чрезмерная дороговизна продуктов, изготовленных с ее применением (неизбежная при ограниченных масштабах поставок), становится едва ли не непреодолимым препятствием для соперничества с NAND.

И тем не менее на уровне инженерных разработок продолжается поиск иных способов энергонезависимого хранения информации, отличных от флэш-ячеек с последовательным доступом. На сегодня три наиболее перспективных направления в этой области – это технологии резистивной памяти с произвольным доступом (resistive random-access memory; RRAM или ReRAM), магнитной RAM (MRAM) и памяти на основе фазового перехода (phase-change memory, PCM). Среди них наиболее многообещающей, по оценке аналитиков Yole Group, выглядит именно ReRAM – хотя и в сравнительно нишевых приложениях.

Производство Optane, даже подкрепленное всей мощью Intel, за годы так и не стало хоть сколько-нибудь прибыльным: только в 2020-м бизнес, связанный с изготовлением и продвижением этой разновидности PCM, принес компании убытки в более чем 0,5 млрд долл. По направлению MRAM развитие тоже не идет гладко: хотя отдельные малосерийные продукты, включая SSD, на базе этой памяти уже выпускаются, масштабирование ее производства крайне затруднено – поскольку требует массового оснащения фабрик оборудованием, кардинально отличным от того, что применяется для изготовления (и в особенности тестирования) чипов с переносом электрического заряда, к которым относится NAND. Кроме того, воздействие внешних магнитных полей на MRAM-накопители куда заметнее, чем на классическую полупроводниковую электронику, что приходится учитывать в ходе эксплуатации таких устройств.

Резистивная память с произвольным доступом по сути своей также полупроводниковая: принцип ее действия основан на способности определенных диэлектриков под действием высокого напряжения формировать внутри себя проводящие каналы – которые сохраняются после снятия напряжения при нормальных условиях, но могут разрушаться под воздействием другого электрического импульса (например, большей величины или противоположной полярности). Поэтому, с одной стороны, ReRAM можно производить и тестировать с использованием уже имеющегося на фабриках оборудования, а с другой – условия ее эксплуатации не отличаются принципиально от таковых для NAND.

Вместе с тем ReRAM отлично подходит для создания долговременной памяти на базе вентилей NOR (NOT-OR, «логическое ИЛИ с отрицанием» – в отличие от NAND, NOT-AND, «логического И с отрицанием»). С точки зрения проектирования логических схем принципиальной разницы между двумя этими подходами нет: из отдельных вентилей NOR, как и из NAND, можно составлять логические структуры любой сложности – начиная со всех прочих основных вентилей (AND, NOT и пр.). Но инженерные особенности полупроводниковой реализации этих базовых элементов обусловливают последовательный характер доступа к ячейкам NAND – когда по одной и той же шине подаются сигналы, содержащие собственно записываемые данные, информацию об адресе их размещения и контрольные биты. Память NOR, напротив, предусматривает параллельный доступ ко всем своим ячейкам по индивидуальным шинам, что делает возможным произвольную адресацию данных в реальном режиме времени – точно так же, как это происходит в случае оперативной памяти.

Вот почему NOR – при всей сложности в производстве, обусловленной значительной плотностью проводящих каналов, – наилучшим образом подходит для хранения исполняемого микрокода компактных встраиваемых микроконтроллеров, находящих применение в устройствах Интернета вещей, умных автомобилях и пр. Использовать NOR для выделенных устройств хранения также возможно, но экономически это менее выгодно, чем продолжать делать ставку на NAND. Хотя NOR-чипы обеспечивают значительное сокращение задержки сигнала при обращении к накопителю, такие SSD существенно дороже сопоставимых по объемам флэш-устройств.

Видимо, поэтому в упоминавшемся уже прогнозе Yole Group оценивает мировой оборот рынка обособленных микросхем энергонезависимой памяти в 2028 г. в весьма скромные 300 млн долл. В то же время для сегмента встроенной памяти такого типа предсказывается куда более значительный объем – 2,7 млрд долл. в том же 2028-м, что соответствует 133%-ному росту от уровня 2022 г. И до 60% этого объема, утверждают аналитики, придется именно на ReRAM-чипы (а еще 25% – на MRAM), основной областью применения которых станут встроенные хранилища данных для умной автомобильной техники, устройств Интернета вещей, включая промышленный, и т. п.

Таким образом к исходу текущего десятилетия рынок энергонезависимой памяти ощутимо стратифицируется: NAND продолжит оставаться доминирующей технологией для создания обособленных устройств хранения, тогда как NOR с реализацией на ReRAM окажется предпочтительным выбором при изготовлении накопителей, встраиваемых в вычислительные системы-на-кристалле. Пусть не таких емких, как многослойные чипы NAND, зато существенно более высокоскоростных и с произвольным доступом, что обеспечит миниатюрным вычислительным системам необходимый низкий уровень задержки при обработке даже довольно плотных потоков данных.