Следующим шагом эволюции компьютеров (который уже буквально на пороге) может стать постоянная энергонезависимая память большой ёмкости. Твёрдотельные накопители на несколько терабайт обеспечивают одновременно и длительное хранение данных, и функции оперативной памяти.
Это идеальный путь для развития компьютерных систем, так как он устраняет одно из фундаментальных противоречий современной компьютерной архитектуры. Но он вполне может хорошенько перемешать фигуры на доске существующей компьютерной индустрии, поскольку придётся изменить не только компьютеры, но и софт.
❯ Независимость — это свобода
Общий принцип организации перекрёстной матрицы памяти RRAM
Всем хорошо известны отличия энергозависимой памяти от энергонезависимой. Данные, хранящиеся в энергозависимой памяти живы только до тех пор, пока система работает. Как только подача энергии прекращается, данные становятся недоступными. Именно так работает оперативная память компьютера (ОЗУ) и кэш-память процессора.
Энергонезависимая память сохраняет информацию при отключении питания и хранит значительно бóльшие объёмы данных. Но работает она, на сегодняшний день неэкономично и гораздо медленнее, хотя именно в ней и содержится основная часть данных. Именно поэтому оперативная память остаётся первичной и применяется для хранения данных, необходимых ЦП для работы ОС и программ.
Сегодня существуют несколько видов быстрой энергозависимой памяти. Это динамическая, например, широко распространённая DRAM, разные версии которой используются в качестве ОЗУ, в ячейках она имеет транзистор и конденсатор, статическая (SRAM, применяется в качестве кэш-памяти ядра процессора), с шестью транзисторами в ячейке.
Но главная проблема состоит с том, что энергозависимая память, сколь быстра бы она ни была, отключаясь, теряет всю информацию. Это неудобно, но так работают сегодня большинство компьютерных систем. Пока.
Матрица RRAM под микроскопом
Поэтому и появились новые разработки быстрой, но уже энергонезависимой памяти. Это, например, резистивная память с произвольным доступом (RRAM, ReRAM, Resistive random-access memory). В её основе лежит свойство диэлектриков создавать внутри себя проводящие каналы при приложении высокого напряжения. Причём, изменив уровень напряжения проводящий канал можно разрушить, а затем создать снова. Получается так называемый мемристор, из которых и собираются матрицы памяти ReRAM.
❯ Сдвиг по фазе? Нет, фазовый переход!
Эскизная схема двухслойной памяти 3D XPoint. На пересечении линий (серый) показаны запоминающие ячейки (зелёный) и селектор (жёлтый)
В качестве ещё одного примера энергонезависимой памяти, претендующей на место ОЗУ, часто приводят 3D XPoint от Intel (торговая марка Optane). Она использует уже другой эффект — phase-change memory (PCM), изменение фазового состояния материала ячейки (кристалла халькогенида) при нагреве электрическим током. Халькогениды — бинарные химические соединения халькогенов (к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний, ливерморий) с металлами. В случае 3D XPoint используется халькогенидное стекло на основе сплава антимонида и теллурида германия Ge-Sb-Te). Память состоит из селектора и, собственно, ячейки, которые находятся в точках пересечения перпендикулярно друг к другу проложенных проводников (wordline и bitline). Селектор (ключ) включается при подаче на него напряжения и меняет состояние ячейки либо позволяет считать информацию. Память имеет многослойную структуру (она построена на базе вертикально интегрированных ячеек PCMS), что позволяет масштабировать плотность её размещения на кристаллах.
Phase-change memory на сегодняшний день считается наиболее перспективной технологией, которая может прийти на замену энергозависимой оперативной памяти. Она наиболее полно сочетает преимущества, которые присущи NAND, NOR, EEPROM и DRAM. При этом наиболее серьёзные недостатки всех этих видов памяти у PCM отсутствуют. Зато, преимущества очевидны. Изменение фазы вещества исключает возможные сбои в виде электрических помех, как это бывает в DRAM. Минимальные размеры стабильных ячеек — до 5 нм, что обеспечивает глубокую масштабируемость технологии. Phase-change memory позволяет выполнять побитное изменение данных, что возможно в DRAM, но нельзя сделать в NAND (там приходится оперировать крупными блоками).
Поскольку PCM обеспечивает высокую скорость чтения и произвольный доступ к ячейкам памяти, код можно запускать оттуда, без дополнительного сохранения его ещё куда-либо. К сожалению, пока скорость записи Phase-change memory не столь высока, как хотелось бы (она сравнима с этим показателем у NAND) но время начальной задержки у PCM, примерно в сто раз ниже. Кроме того, отсутствует цикл стирания.
Впрочем, у существующих разработок Phase-change memory на халькогенидах есть недостатки. Активный нагретый материал влияет на связанные с ним диэлектрик и электрод, что неизбежно вызывает постепенную их деградацию. Значительное изменение температуры извне может провоцировать утечку заряда и тем самым негативно влиять на длительность хранения данных. Для смены фазы ячейки требуется обеспечить высокую плотность тока, что непросто при нанометровых размерах матрицы и сокращает активную зону воздействия. Но часть этих недостатков может быть устранена благодаря недавним исследованиям учёных.
❯ Чудеса в слоистых никелатах
Рендер phase-change memory
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Advanced Science, сообщается об экспериментах с термически обратимым изменением электрического сопротивления при комнатной температуре в слоистых никелатах. Слоистые никелаты представляют собой класс сложных оксидных материалов, состоящих из ионов никеля. Они имеют сложную структуру, в которой слои атомов никеля и водорода перемежаются слоями, содержащими другие элементы, часто щёлочноземельные или редкоземельные. Именно эта уникальная слоистая структура привлекла интерес исследователей из-за свойств электронов, которые сулят слоистым никелатам применение в таких областях, как сверхпроводимость и электроника.
Свойства никелатов исследуются уже давно. В 2020 году учёные из Женевского университета (UNIGE) в сотрудничестве со швейцарским федеральным технологическим институтом в Лозанне EPFL), Цюрихским университетом и Льежским университетами, а также Нью-Йоркским институтом Флэтайрон выяснили, что слоистые никелаты по энергоэффективности могут превзойти кремний, причём с более низким энергопотреблением, обеспечив снижение дополнительных выбросов CO2 при производстве.
Схематическое изображение гетероструктур со сверхрешёткой, включая слои никелата самария поверх слоёв никелата неодима
Такие никелаты образуются из оксида никеля и атома редкоземельного элемента. В соответствии с тем, какой элемент использован, меняется и температура порога проводимости. Для самария она составит 130° C, для неодима −73° C. Столь значительная разница возникает из-за редкоземельных элементов, которые по-разному деформируют кристаллическую решётку никелата.
Команда учёных проанализировала поведение материала из нескольких слоёв никелата самария, поверх слоёв никелата неодима. Выяснилось, что если слои относительно толстые, то они работают на стандартной для составляющих их материалов температуре, но если сделать их тонкими, то образец становится «сэндвичем», в котором возникает эффект «скачка» проводимости в одном определённом промежуточном диапазоне температур. Причём всё это происходит без искажения кристаллической структуры материала, что предполагает надёжность, термическую и химическую стабильность процесса (никаких фазовых переходов и аморфных состояний, как в случае с халькогенидами, никакого перегрева и высоких температур), а значит — беспрецедентные перспективы для использования никелатов в электронике.
На схеме отражён процесс переключения электрического сопротивления в Sr2,5Bi0,5NiO5. Два объекта вверху — это кристаллические структуры Sr2,5Bi0,5NiO5 с различным расположением Sr/Bi. Внизу приведена кристаллическая структура двойного перовскита Sr2BiNiO4,5. Синее значение показывает электрическое сопротивление каждого слоя
Но вернёмся к недавнему исследованию, опубликованному Advanced Science. Созданный учёными никелат состоит из слоёв образований атомов стронция, висмута и кислорода, по структуре напоминающих каменную соль, чередующихся со слоями образований из атомов стронция, никеля и кислорода, по структуре напоминающих перовскит (псевдокубическая форма из геологии, иссечённая короткими штрихами). Эта специфичная кристаллическая структура формируется из двух положительно заряжённых атомов и одного с отрицательным зарядом, обладая свойствами сверхпроводимости и сегнетоэлектричества (явление спонтанной электрической поляризации в кристалле при определённой температуре даже в отсутствии внешнего электрического поля). Термически реентерабельное изменение полярности в слоистых никелатах (которое достигается подачей определённого напряжения) обеспечивает обратимое переключение электрического сопротивления при комнатной температуре, что позволяет разработать многоуровневую энергонезависимую память.
Если удастся довести исследования до логического завершения, слоистые никелаты могут привести к революции в компьютерной технике. Оксиды переходных металлов (более широкое понятие, включающее никелаты) в природе встречаются чаще, чем халькогениды, что потенциально может привести к снижению затрат на производство электроники и сделать процесс более экологичным.
❯ ReRAM+PCM — взболтать, но не смешивать!
Гибридные мемристоры с фазовым переходом открывают новые вычислительные возможности
Новые технологии, способные заменить энергозависимую память, продолжают появляться. Недавно команда учёных из университета Рочестера разработала новый материал для создания энергонезависимой памяти. По словам разработчиков, этот гибрид технологии, основанной на мемристорах (о ней шла речь выше) и памяти с фазовым переходом сочетает в себе лучшие свойства обоих видов резистивных переключателей. Разработчики технологии анонсируют низкое энергопотребление такой памяти и высокую плотность упаковки матрицы в кристалле. Технология основана на материале толщиной всего в один слой атомов.
В оригинальных технологиях не устранён целый ряд недостатков. Мемристоры, которые имеют ничтожный размер и постоянно разогреваются до высоких температур, не так надёжны, как хотелось бы. В свою очередь, материалы, обеспечивающие запоминание, при помощи фазового перехода вещества (фактически, его расплавления), требуют для работы больших токов, что, как уже говорилось выше, не так просто обеспечить при плотной упаковке ячеек в кристалле. Гибридная разработка состоит в том, что на кристалл воздействует небольшой ток, который не плавит его, а переводит в состояние, когда его сопротивление меняется.
Чтобы обеспечить неустойчивое состояние кристалла, которое легко изменить небольшим током, потребовалось создать специальный материал, растянутый до состояния тончайшей плёнки в одном направлении и сжатый в другом. В экспериментах использовался дителлурид молибдена (MoTe2). Напряжение, необходимое для переключения ячейки составило 90 мВ, а время переключения — 5 нс. Все параметры такой памяти можно регулировать путём изменения технологии производства и подаваемого на ячейки напряжения. Сейчас исследователи заняты повышением надёжности своей разработки.
❯ Файловые системы — на свалку истории
Начиная с эпохи мейнфреймов компьютеры использовали жёсткие диски и два уровня хранения данных: оперативную память и дисковое хранилище, доступ к которому осуществлялся через дисковый контроллер с использованием файловой системы для индексации и последующего извлечения содержимого. Если постоянное хранилище будет на карте памяти процессора, необходимость в дисковых контроллерах, файлах и файловой системе исчезнет. Трудно представить, что разработчикам удастся адаптировать к новым условиям существующие сегодня Unix-подобные операционные системы, с самого первого дня своего создания ориентированные на работу с файлами, каталогами и метаданными, которые являются их фундаментальной основой. Они тоже могут исчезнуть. Потребуются ОС и программное обеспечение с совершенно иной компьютерной архитектурой.
Содержимое оперативной памяти будет сохраняться от выключения до следующего включения компьютера. Причём храниться можно будет не только «снимок» оперативной памяти, регистры, но и состояние программ перед выключением, которое уже и не станет «шатдауном», в полном смысле этого слова.
Если создать ОС, которая обеспечит независимость сохранённых данных за счёт некой спецификации, то наличие самого компьютера и его физическая конфигурация могут оказаться не таким уж важным элементом системы. Это вполне может привести к ещё одной, пока неочевидной революции в компьютерной отрасли. Например, блок памяти может быть у каждого свой, его станет возможным носить в кармане, как сейчас карту SSD и при подключении начинать работу с того места, где она была завершена, со своими, привычными только вам настройками. Некоторые серверы необязательно должны будут всегда находиться во включённом состоянии. Может сильно упростится жизнь и для программистов, которым во многих случаях уже не потребуется производить сериализацию состояния программы. Пока это звучит как фантастика, но персистентная память и персистентные ОС уже существуют и постоянно совершенствуются, так что изменения однажды произойдут.
❯ ОС нового типа есть, но это не точно
Пока одни разработчики только строят планы и подбирают технологии для создания персистентной ОС, другие уже работают над подобными проектами.
Одна из операционных систем, опирающихся на новые принципы — ОС «Фантом» от известного разработчика Дмитрия Завалишина. Концепция ориентации на файлы, стандартная для Unix-подобных систем в ней изменена на концепцию, главным элементом которой является объект. ОС представляет собой виртуальную машину, обеспечивающую восстановление системы с момента последнего выключения за счёт того, что периодически делает и сохраняет снимки своего состояния. Новые принципы, заложенные в проекте, позволяют ОС не замечать перезагрузок и сохранять состояние компьютера, в том числе и при аварийном завершении работы. Все приложения работают в едином адресном пространстве и обмениваются данными через ссылки, а разделение доступа обеспечивается тем, что любые данные обрабатываются, как отдельные объекты и получить объект, принадлежащий другому процессу нельзя. В системе много интересных «фишек». Проект ещё в стадии разработки.
Существуют и другие ОС, включающие отдельные элементы и идеи, использованные в ОС «Фантом». Это IBM i, EROS, Singularity, и PalmOS. Из них, наиболее полно критериям персистентной ОС отвечает проект IBM i, наследник OS/400. Эта операционная система является объектно-ориентированной, содержит одноуровневую память, управляемую среду и поддерживает, собственно, персистентность. Но на сегодняшний день это не ОС для домашних компьютеров, а довольно дорогое платное серверное решение для бизнеса.
❯ Будущее
Вполне вероятно, что грядёт эра энергонезависимого ОЗУ, совмещающего ещё и функции хранилища данных. И возможно, что встретим мы её не только с другими компьютерами, но и с иными операционными системами и другими программами, так как существующий софт не совсем подходит под новую концепцию.
Автор: Александр
