Для тривалого зберігання даних сьогодні майже безальтернативним вибором залишилася флеш-пам’ять NAND. Це пам’ять у вашому смартфоні, SSD в комп’ютері, USB-флешках, картках SD та microSD, автомагнітолі, телевізорі та майже будь-якому іншому гаджеті. Низка інших технологій не витримала конкуренції з NAND. Однак незабаром на ринок вийде цікавий новий конкурент – ReRAM. Технологію виробництва пам’яті ReRAM щоно ліцензував великий виробник чипів Texas Instruments.
Рішення Texas Instruments ліцензувати вбудовану ReRAM-технологію від Weebit Nano знову активізувало твердження про те, що флеш-пам’ять типу NAND досягла своїх структурних меж розвитку.
Ця угода стала продовженням попередніх домовленостей із SkyWater, DB HiTek та Onsemi і відображає поступове нарощування кола виробничих партнерів, а не раптове або беззастережне схвалення технології з боку індустрії.
Генеральний директор Weebit Nano Кобі Ханох у коментарі для All About Circuits зазначив, що така еволюція була свідомо спланованою, а кожен наступний етап означав збільшення масштабів технологічного процесу та зростання довіри з боку галузі.
За його словами, кожен перехід супроводжувався зростанням на порядок. Від SkyWater до DB HiTek, далі до Onsemi, а тепер і до Texas Instruments. На цьому етапі компанія фактично вийшла до вищої ліги напівпровідникової індустрії.
Weebit реалізує свою ReRAM як модуль рівня back-end-of-line, що дає змогу інтегрувати пам’ять без змін у фронтальній частині транзисторної структури. Такий підхід дозволяє утримувати додаткову вартість обробки пластини на рівні близько 5 відсотків, що суттєво нижче за витрати, характерні для вбудованих флеш-процесів.
Сама комірка пам’яті базується на резистивному перемиканні, а не на зберіганні заряду у плаваючому затворі, що забезпечує доступ на рівні окремих бітів без необхідності стирання блоків. Ці архітектурні рішення подаються як прагматичні, а не революційні, оскільки вони спираються на стандартні матеріали та звичайне виробниче обладнання. Компанія від початку декларувала використання стандартних матеріалів, стандартних інструментів і стандартних технологічних потоків, щоб не створювати для фабрик додаткових причин відмовлятися від співпраці.
З точки зору технічних характеристик Weebit заявляє про швидкість запису до ста разів вищу, ніж у вбудованої флеш-пам’яті, а також про зносостійкість у діапазоні від ста тисяч до одного мільйона циклів. Компанія також повідомляє про нижче енергоспоживання завдяки зменшеним робочим напругам і режимам прямого доступу.
Керівник компанії прямо стверджує, що за всіма ключовими параметрами, включно з енергоспоживанням, швидкістю, витривалістю, температурною стабільністю та вартістю, ReRAM виглядає кращою за флеш-пам’ять у сегменті вбудованих рішень.
Окремо підкреслюється стійкість ReRAM до електромагнітних завад, на відміну від MRAM. За словами Ханоха, фіксувалися випадки, коли магнітні поля призводили до пошкодження даних у MRAM у споживчому середовищі, і великі виробники вважали такий ризик неприйнятним.
У міру зменшення технологічних норм нижче 28 нанометрів масштабування флеш-пам’яті NAND стає дедалі складнішим з точки зору надійності. Проєктувальники часто змушені компенсувати це, поєднуючи логічні кристали з зовнішньою флеш-пам’яттю та завантажуючи дані до SRAM під час старту системи, що збільшує складність архітектури та енергоспоживання.
Ханох стверджує, що енергонезалежна ReRAM усуває цю неефективність, забезпечуючи миттєвий запуск системи та більш чіткі межі безпеки. Вища щільність ReRAM порівняно з SRAM дозволяє периферійним пристроям зберігати більше даних безпосередньо на кристалі, що безпосередньо впливає на точність обчислень.
За його словами, більша кількість бітів на тому самому кремнії означає вищу точність інференсу. Також згадуються продемонстровані нейроморфні експерименти, у яких біт ReRAM поводиться подібно до синапсу.
Weebit посилається на галузеві прогнози, згідно з якими ринок ReRAM може зростати приблизно на 45 відсотків щороку і досягти обсягу близько 1,7 мільярда доларів протягом шести років.
Водночас фактичні доходи компанії залишаються відносно невеликими, хоча й демонструють зростання. Повільніше впровадження технології пояснюється радше інституційною обережністю, ніж технічними обмеженнями. Як зазначає Ханох, головним бар’єром залишається людський фактор, попри наявність працюючого кремнію на кількох технологічних вузлах і проходження кваліфікації для масового виробництва.
Питання про те, чи підтверджує участь Texas Instruments твердження, що ReRAM стане повноцінною заміною флеш-пам’яті, залишається відкритим. Водночас пошук універсальної пам’яті триває, і на цьому тлі з’являються альтернативні підходи, зокрема ULTRARAM, розроблена компанією Quinas Technology, яка вийшла на ринок минулого року.
Чому шукають заміну NAND пам’яті
Чинником, що стимулює пошук заміни NAND-пам’яті, є сукупність фундаментальних обмежень цієї технології, які стають дедалі відчутнішими. Подальше зменшення розмірів комірок NAND ускладнює надійне утримання заряду в плаваючому затворі, підвищує чутливість до витоків, варіацій процесу, а також вимагає складних схем корекції помилок, багаторівневого керування напругами та значних енергетичних витрат на операції стирання блоків.
Вертикальна упаковка чипів пам’яті у вигляді 3D NAND частково відтермінувало ці проблеми, проте воно призвело до зростання складності виробництва, збільшення кількості технологічних кроків і капітальних витрат, а також до фізичних меж щодо висоти стеків і теплових ефектів.
Додатково NAND за своєю природою не підтримує швидкий довільний доступ на рівні бітів, що обмежує її придатність.
На рівні споживацьких продуктів ці обмеження NAND-пам’яті особливо наочно проявляються в флеш-накопичувачах на базі QLC NAND, де в одній комірці зберігається чотири біти інформації. Такий підхід різко зменшує запас напруг між логічними станами, через що контролеру доводиться працювати з мінімальними маржами, агресивно застосовувати корекцію помилок і виконувати часті операції перезапису. У практичному використанні це призводить до низької стійкої швидкості запису, інколи до рівня, близького до повільних механічних жорстких дисків (HDD).
У сукупності ці фактори формують запит галузі на альтернативні енергонезалежні пам’яті, які можуть забезпечити кращу масштабованість, нижче енергоспоживання, простішу інтеграцію та більш передбачувану поведінку в умовах подальшого зменшення технологічних норм.
Компанії давно шукають заміну NAND
Упродовж останніх двох десятиліть ринок неодноразово бачив комерційні технології, які позиціонувалися як безпосередня або перспективна заміна NAND-пам’яті, однак жодна з них не змогла витіснити NAND у масовому сегменті.
Найвідомішим прикладом стала технологія Intel Optane, що базувалася на пам’яті 3D XPoint, розробленій спільно Intel і Micron. Optane обіцяв поєднати властивості оперативної та постійної пам’яті, забезпечуючи значно нижчу латентність, вищу витривалість і стабільну продуктивність без залежності від кешів і блокових операцій стирання, характерних для NAND.
Optane дійсно демонстрував унікальні характеристики, зокрема передбачувану затримку доступу і високу кількість циклів запису, проте висока собівартість, складність інтеграції в існуючі екосистеми та обмежений обсяг виробництва не дозволили технології стати масовою. У підсумку Intel згорнула розвиток Optane, визнавши, що навіть технічно сильна альтернатива не гарантує комерційного успіху без економічної масштабованості.
Подібну долю мали й інші підходи, зокрема FeRAM, PCM та різні реалізації MRAM, які знаходили нішеве застосування у спеціалізованих пристроях, але не змогли конкурувати з NAND за ціною одного біта. Цей досвід сформував у галузі обережне ставлення до будь-яких заяв про «кінець NAND».
