Rram: sự thay thế sắp tới cho bộ nhớ flash

Hôm qua, tôi đã viết về những vấn đề mà các nhà sản xuất bộ nhớ flash NAND truyền thống gặp phải, loại lưu trữ chúng ta sử dụng trong điện thoại thông minh, máy tính bảng và SSD. Bộ nhớ flash đã phát triển rất mạnh trong thập kỷ qua. Mật độ đã tăng lên khi giá giảm nhanh đến mức hiện nay khá phổ biến khi thấy các máy tính xách tay nhỏ sử dụng SSD để thay thế ổ cứng và hệ thống doanh nghiệp sử dụng nhiều đèn flash. Điều này không có gì và sẽ không thay thế ổ đĩa cứng, mà vẫn rẻ hơn và có dung lượng lớn hơn, nhưng nó đã mang lại rất nhiều lợi thế cho cả hệ thống lưu trữ dành cho doanh nghiệp và di động. Tuy nhiên, quy mô truyền thống cho flash NAND dường như sắp kết thúc, và kết quả là, chúng ta đang thấy nhiều hoạt động hơn xung quanh các dạng bộ nhớ thay thế.

Để giải quyết những vấn đề này, các nhà phát triển đã cố gắng tạo ra các loại bộ nhớ không bay hơi mới, trong đó chú ý nhất đến những thứ như STT-MRAM, bộ nhớ thay đổi pha và RAM truy cập ngẫu nhiên đặc biệt (RRAM hoặc ReRAM). Mặc dù có nhiều loại RRAM khác nhau, tế bào cơ bản thường bao gồm một điện cực trên và dưới được phân tách bằng vật liệu đệm. Khi một điện áp dương được áp dụng, các dây tóc dẫn hình thành và dòng điện chạy qua vật liệu; khi một điện áp âm được đặt vào, các dây tóc bị phá vỡ và miếng đệm hoạt động như một chất cách điện.

RRAM và các lựa chọn thay thế khác thường được hình thành đầu tiên là thay thế cho flash NAND hoặc DRAM truyền thống, nhưng ít nhất ban đầu đang được chú ý đặc biệt như một "bộ nhớ lớp lưu trữ" (SCM) sẽ chuyển nhanh đến CPU (như DRAM ) có mật độ cao hơn (như NAND Flash). Ý tưởng là bạn có thể có rất nhiều dung lượng lưu trữ được truy cập rất nhanh, thay vì chỉ một lượng nhỏ DRAM rất nhanh và sau đó là một lượng lớn đèn flash tương đối chậm hơn (thường được sao lưu bằng các ổ cứng thậm chí chậm hơn nhưng mạnh hơn). Chìa khóa để thực hiện công việc này là có được một "kích thước ô" nhỏ để lưu trữ các bit của bộ nhớ, kết nối các ô lại với nhau và tìm cách sản xuất thứ này với giá cả hợp lý. Tất nhiên, các hệ thống và phần mềm cũng cần phải được kiến ​​trúc lại để tận dụng các tầng lưu trữ bổ sung này.

Khái niệm này đã được nghiên cứu trong một thời gian dài. Quay trở lại năm 2010, Unity S bán dẫn (hiện thuộc sở hữu của Rambus) đã cho thấy chip ReRAM 64Mb. HP đã nói về công nghệ memristor của mình, một dạng ReRAM, trong vài năm qua, và công ty đã công bố kế hoạch hợp tác với Hynix S bán dẫn để ra mắt thay thế cho đèn flash NAND vào mùa hè 2013. Điều đó rõ ràng chưa xảy ra, nhưng rất nhiều tiến bộ dường như đang xảy ra trong trường ReRAM.

Tại Hội nghị Mạch rắn Quốc tế (ISSCC) năm nay, Toshiba và SanDisk (là đối tác của bộ nhớ flash), đã trình diễn chip ReRAM 32Gb và tại Hội nghị thượng đỉnh Flash Memory tuần trước, một số công ty đã cho thấy các công nghệ mới xoay quanh Công nghệ RRAM.

Một trong những điều thú vị nhất là Crossbar, đang sử dụng các tế bào RRAM dựa trên ion bạc được kết nối với nhau theo bố cục "mảng thanh ngang" để tăng mật độ. Công ty đã cho thấy một nguyên mẫu, bao gồm cả bộ nhớ và bộ điều khiển trên một con chip duy nhất tại hội nghị, và nói rằng họ hy vọng công nghệ này sẽ được thương mại hóa vào năm tới, mặc dù với các sản phẩm cuối cùng không có khả năng xuất hiện cho đến năm 2015. Crossbar cho biết RRAM của nó có 50 độ trễ thấp hơn nhiều lần so với flash NAND và các ổ đĩa trạng thái rắn (SSD) dựa trên công nghệ này sẽ không yêu cầu bộ đệm DRAM và mức độ hao mòn phổ biến đối với các ổ SSD dựa trên NAND ngày nay.

Crossbar cho biết họ có các mẫu hoạt động do TSMC sản xuất và sản phẩm thương mại đầu tiên của họ sẽ là bộ nhớ nhúng được sử dụng trên SoC, nhưng nó không tiết lộ nhiều chi tiết. Tuy nhiên, đã có báo cáo rằng công ty hy vọng sẽ sản xuất chip 1Tb có kích thước khoảng 200 mm vuông.

SK Hynix, cũng đang nghiên cứu về công nghệ, đã nói về những lợi thế của RRAM trong việc cung cấp độ trễ thấp hơn và độ bền tốt hơn NAND và điều đó có ý nghĩa như thế nào trong bộ nhớ lớp lưu trữ. Các thiết bị RRAM có thể được hình thành với một mảng thanh ngang hoặc với một mảng dọc như 3D NAND, nhưng cả hai đều có những thách thức. Do đó, SK Hynix cho biết các thiết bị RRAM đầu tiên, rất có thể vào khoảng năm 2015, sẽ đắt hơn gấp hai đến ba lần so với đèn flash NAND và sẽ được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng hiệu suất cao thích hợp.

Trong khi đó, rất nhiều công ty khác đang làm việc trong không gian. Trong khi Toshiba và SanDisk cho thấy chip nguyên mẫu trong năm nay, Sony đã trình bày các bài báo RRAM từ năm 2011 và đang hợp tác với Micron để phát triển chip 16Gb vào năm 2015. Nhưng ngay cả khi các ô nhớ và mảng hoạt động hoàn hảo, nó vẫn sẽ mất nhiều thời gian để phát triển các bộ điều khiển và phần sụn để làm cho chúng khả thi.

Với tất cả sự cường điệu đi kèm với các công nghệ mới và xu hướng các công nghệ cũ mở rộng hơn mọi người nghĩ, không chắc rằng bộ nhớ flash NAND hoặc thị trường DRAM sẽ biến mất bất cứ lúc nào và tôi sẽ không ngạc nhiên khi thấy RRAM mất nhiều thời gian hơn cất cánh hơn người ủng hộ nghĩ. Các sản phẩm cuối cùng có thể rất khác so với các nguyên mẫu hiện đang được hiển thị. Nhưng nó bắt đầu xuất hiện rằng RRAM sẽ tạo ra bước nhảy vọt từ phòng thí nghiệm đến thị trường thương mại đôi khi trong hai hoặc ba năm tới. Nếu vậy, nó có thể có tác động sâu sắc đến cách các hệ thống được thiết kế.