Для длительного хранения данных сегодня почти безальтернативным выбором осталась флеш-память NAND. Это память в вашем смартфоне, SSD в компьютере, USB-флешках, картах SD и microSD, автомагнитоле, телевизоре и почти любом другом гаджете. Ряд других технологий не выдержал конкуренции с NAND. Однако вскоре на рынок выйдет интересный новый конкурент-ReRAM. Технологию производства памяти ReRAM лицензировал крупный производитель чипов Texas Instruments.
Решение Texas Instruments лицензировать встроенную ReRAM-технологию от Weebit Nano вновь активизировало утверждение о том, что флэш-память типа NAND достигла своих структурных пределов развития.
Эта сделка стала продолжением предыдущих соглашений со SkyWater, DB HiTek и Onsemi и отражает постепенное наращивание круга производственных партнеров, а не внезапное или безоговорочное одобрение технологий со стороны отрасли.
Генеральный директор Weebit Nano Коби Ханох в комментарии для All About Circuits отметил, что такая эволюция была сознательно спланированной, а каждый последующий этап означал увеличение масштабов технологического процесса и рост доверия со стороны отрасли.
По его словам, каждый переход сопровождался ростом на порядок. От SkyWater до DB HiTek, далее до Onsemi, а теперь и до Texas Instruments. На этом этапе компания фактически вышла в высшую лигу полупроводниковой индустрии.
Weebit реализует свою ReRAM как модуль уровня back-end-of-line, позволяющий интегрировать память без изменений во фронтальной части транзисторной структуры. Такой подход позволяет удерживать дополнительную стоимость обработки пластины на уровне около 5 процентов, что существенно ниже затрат, характерных для встроенных флеш-процессов.
Сама ячейка памяти основана на резистивном переключении, а не на хранении заряда в плавающем затворе, что обеспечивает доступ на уровне отдельных битов без необходимости стирания блоков. Эти архитектурные решения представляются прагматичными, а не революционными, поскольку они основаны на стандартных материалах и обычном производственном оборудовании. Компания изначально декларировала использование стандартных материалов, стандартных инструментов и стандартных технологических потоков, чтобы не создавать для фабрик дополнительных причин отказываться от сотрудничества.
С точки зрения технических характеристик Weebit заявляет о скорости записи до ста раз выше, чем во встроенной флэш-памяти, а также об износостойкости в диапазоне от ста тысяч до одного миллиона циклов. Компания также сообщает о более низком энергопотреблении благодаря уменьшенным рабочим напряжениям и режимам прямого доступа.
Руководитель компании прямо утверждает, что по всем ключевым параметрам, включая энергопотребление, скорость, выносливость, температурную стабильность и стоимость, ReRAM выглядит лучше флэш-памяти в сегменте встроенных решений.
Отдельно подчеркивается устойчивость ReRAM к электромагнитным помехам, в отличие от MRAM. По словам Ханоха, были зафиксированы случаи, когда магнитные поля приводили к повреждению данных в MRAM в потребительской среде, и крупные производители считали такой риск неприемлемым.
По мере того, как технологические нормы снижаются ниже 28 нанометров, масштабирование флэш-памяти NAND становится все более сложным с точки зрения надежности. Проектировщики часто вынуждены компенсировать это, сочетая логические кристаллы с внешней флеш-памятью и загружая данные в SRAM во время старта системы, что увеличивает сложность архитектуры и энергопотребления.
Ханох утверждает, что энергонезависимая ReRAM устраняет эту неэффективность, обеспечивая мгновенный запуск системы и более четкие границы безопасности. Более высокая плотность ReRAM по сравнению с SRAM позволяет периферийным устройствам хранить больше данных непосредственно на кристалле, что напрямую влияет на точность вычислений.
По его словам, большее количество битов на том же кремнии означает более высокую точность инференса. Также упоминаются продемонстрированные нейроморфные эксперименты, в которых бит ReRAM ведет себя аналогично синапсу.
Weebit ссылается на отраслевые прогнозы, согласно которым рынок ReRAM может расти примерно на 45 процентов каждый год и достигать объема около 1,7 миллиарда долларов в течение шести лет.
В то же время фактические доходы компании остаются относительно небольшими, хотя и демонстрируют рост. Более медленное внедрение технологии объясняется скорее институциональной осторожностью, чем техническими ограничениями. Как отмечает Ханох, главным барьером остается человеческий фактор, несмотря на наличие работающего кремния на нескольких технологических узлах и прохождение квалификации для массового производства.
Вопрос о том, подтверждает ли участие Texas Instruments утверждение о том, что ReRAM станет полноценной заменой флэш-памяти, остается открытым. В то же время поиск универсальной памяти продолжается, и на этом фоне появляются альтернативные подходы, в частности ULTRARAM, разработанная компанией Quinas Technology, которая вышла на рынок в прошлом году.
Почему ищут замену NAND памяти
Фактором, стимулирующим поиск замены NAND-памяти, является совокупность фундаментальных ограничений этой технологии, которые становятся все более ощутимыми. Дальнейшее уменьшение размеров ячеек NAND затрудняет надежное удержание заряда в плавающем затворе, повышает чувствительность к утечкам, вариациям процесса, а также требует сложных схем коррекции ошибок, многоуровневого управления напряжениями и значительных энергетических затрат на операции стирания блоков.
Вертикальная упаковка чипов памяти в виде 3D NAND частично отсрочило эти проблемы, однако оно привело к росту сложности производства, увеличению количества технологических шагов и капитальных затрат, а также к физическим пределам относительно высоты стеков и тепловых эффектов.
Кроме того, NAND по своей природе не поддерживает быстрый произвольный доступ на уровне битов, что ограничивает его пригодность.
На уровне потребительских продуктов эти ограничения NAND-памяти особенно наглядно проявляются в флеш-накопителях на базе QLC NAND, где в одной ячейке хранится четыре бита информации. Такой подход резко уменьшает запас напряжений между логическими состояниями, из-за чего контроллеру приходится работать с минимальными маржами, агрессивно применять коррекцию ошибок и выполнять частые операции перезаписи. В практическом использовании это приводит к низкой устойчивой скорости записи, иногда до уровня, близкого к медленным механическим жестким дискам (HDD).
В совокупности эти факторы формируют запрос отрасли на альтернативные энергонезависимые памяти, которые могут обеспечить лучшую масштабируемость, более низкое энергопотребление, более простую интеграцию и более предсказуемое поведение в условиях дальнейшего снижения технологических норм.
Компании давно ищут замену NAND
В течение последних двух десятилетий рынок неоднократно видел коммерческие технологии, которые позиционировались как непосредственная или перспективная замена NAND-памяти, однако ни одна из них не смогла вытеснить NAND в массовом сегменте.
Самым известным примером была технология Intel Optane, основанная на памяти 3D XPoint, разработанной совместно Intel и Micron. Optane обещал объединить свойства оперативной и постоянной памяти, обеспечивая значительно более низкую латентность, более высокую выносливость и стабильную производительность без зависимости от кэшей и блочных операций стирания, характерных для NAND.
Optane действительно демонстрировал уникальные характеристики, в частности предполагаемую задержку доступа и высокое количество циклов записи, однако высокая себестоимость, сложность интеграции в существующие экосистемы и ограниченный объем производства не позволили технологии стать массовой. В итоге Intel свернула развитие Optane, признав, что даже технически сильная альтернатива не гарантирует коммерческого успеха без экономической масштабируемости.
Аналогичную судьбу имели и другие подходы, в том числе FeRAM, PCM и различные реализации MRAM, которые нашли нишевое применение в специализированных устройствах, но не смогли конкурировать с NAND по цене одного бита. Этот опыт сформировал в отрасли осторожное отношение к любым заявлениям о «конце NAND».
