Rram: het komende alternatief voor flash-geheugen

Gisteren schreef ik over de problemen waarmee makers van traditioneel NAND-flashgeheugen te maken hebben, het soort opslag dat we gebruiken in onze smartphones, tablets en SSD's. Flash-geheugen is de afgelopen tien jaar enorm gegroeid. De dichtheid is toegenomen omdat de prijzen snel zijn gedaald tot het punt dat het nu heel gebruikelijk is om kleine notebooks te zien die SSD's gebruiken om harde schijven te vervangen en bedrijfssystemen die veel flash gebruiken. Dit is geen vervanging voor harde schijven, die goedkoper en ruimer blijven, maar het heeft niet veel voordelen opgeleverd voor zowel zakelijke als mobiele opslagsystemen. De traditionele schaling voor NAND-flash lijkt echter te eindigen en als gevolg hiervan zien we veel meer activiteit rond alternatieve vormen van geheugen.

Om deze problemen aan te pakken, hebben ontwikkelaars geprobeerd nieuwe typen niet-vluchtig geheugen te maken, waarbij de meeste aandacht ging naar dingen zoals STT-MRAM, geheugen voor faseverandering en met name resistief RAM met willekeurige toegang (RRAM of ReRAM). Hoewel er veel verschillende soorten RRAM zijn, bestaat de basiscel meestal uit een bovenste en onderste elektrode gescheiden door een afstandsmateriaal. Wanneer een positieve spanning wordt aangelegd, vormen geleidende filamenten en stroomt het materiaal door het materiaal; wanneer een negatieve spanning wordt aangelegd, worden de filamenten verbroken en fungeert de afstandhouder als een isolator.

RRAM en de andere alternatieven werden vaak eerst opgevat als vervangers voor NAND-flash of voor traditionele DRAM, maar krijgen in eerste instantie in het bijzonder aandacht als een "opslagklasse geheugen" (SCM) dat snelle overdracht rechtstreeks naar de CPU zou bieden (zoals DRAM) hebben een hogere dichtheid (zoals NAND Flash). Het idee is dat je heel veel opslagruimte heel snel kunt gebruiken, in plaats van slechts een kleine hoeveelheid zeer snelle DRAM en vervolgens een grotere hoeveelheid relatief langzamere flash (meestal ondersteund door nog langzamere maar ruimere harde schijven). De sleutel om dit te laten werken, is een kleine "celgrootte" krijgen voor het opslaan van de stukjes geheugen, het verbinden van de cellen en het vinden van een manier om dit tegen een redelijke prijs te produceren. Natuurlijk moeten systemen en software ook opnieuw worden ontworpen om te profiteren van deze extra opslaglagen.

Het concept is lange tijd onderzocht. In 2010 toonde Unity Semiconductor (nu eigendom van Rambus) een 64Mb ReRAM-chip. HP heeft de afgelopen jaren gesproken over haar memristortechnologie, een vorm van ReRAM, en het bedrijf kondigde een plan aan om samen met Hynix Semiconductor een vervanger voor NAND flash te lanceren tegen de zomer van 2013. Dat is duidelijk nog niet gebeurd maar er lijkt veel vooruitgang te gebeuren op het gebied van ReRAM.

Op de International Solid States Circuits Conference (ISSCC) dit jaar toonden Toshiba en SanDisk (partners in flash-geheugen) een 32 Gb ReRAM-chip en tijdens de Flash Memory Summit van vorige week toonden een aantal bedrijven nieuwe technologieën die ronddraaiden RRAM-technologie.

Een van de meest interessante is Crossbar, die op zilverion gebaseerde RRAM-cellen gebruikt die met elkaar zijn verbonden in een "crossbar array" -lay-out om de dichtheid te verhogen. Het bedrijf toonde een prototype, inclusief zowel het geheugen als een controller op een enkele chip tijdens de top, en zegt dat het hoopt dat de technologie volgend jaar zal worden gecommercialiseerd, hoewel de eindproducten waarschijnlijk pas in 2015 verschijnen. Crossbar zegt dat zijn RRAM 50 heeft keer lagere latentie dan NAND-flash, en dat solid-state disks (SSD's) op basis van deze technologie geen DRAM-caches en slijtage-egalisatie vereisen die gebruikelijk is bij de op NAND gebaseerde SSD's van vandaag.

Crossbar zegt dat het werkende monsters heeft die zijn vervaardigd door TSMC en dat het eerste commerciële product een ingebed geheugen zal zijn dat wordt gebruikt op een SoC, maar het heeft niet veel details bekendgemaakt. Er is echter gemeld dat het bedrijf hoopt een 1 TB-chip te produceren die ongeveer 200 vierkante millimeter meet.

SK Hynix, die ook aan de technologie werkt, heeft gesproken over de voordelen van RRAM bij het bieden van een lagere latentie en een beter uithoudingsvermogen dan NAND en hoe dat zinvol is in geheugen van opslagklasse. RRAM-apparaten kunnen worden gevormd met een crossbar-array of met een verticale array zoals 3D NAND, maar beide hebben uitdagingen. Als gevolg hiervan zei SK Hynix dat de eerste RRAM-apparaten, waarschijnlijk rond 2015, twee tot drie keer duurder zullen zijn dan NAND-flash en voornamelijk zullen worden gebruikt voor hoogwaardige nichetoepassingen.

Ondertussen werken veel andere bedrijven in de ruimte. Hoewel Toshiba en SanDisk dit jaar een prototype-chip lieten zien, toont Sony sinds 2011 RRAM-papieren en werkt samen met Micron om een ​​16Gb-chip te ontwikkelen in 2015. Maar zelfs als de geheugencel en arrays perfect zouden werken, zou het nog lang duren om de controllers en firmware te ontwikkelen om ze levensvatbaar te maken.

Gezien alle hype die gepaard gaat met nieuwe technologieën en de neiging van ouderen om verder te schalen dan mensen denken, is het onwaarschijnlijk dat de NAND-flashgeheugen of DRAM-markten snel zullen verdwijnen, en het zou me niet verbazen om RRAM langer te zien doen om opstijgen dan zijn aanhangers denken. De uiteindelijke producten zullen waarschijnlijk heel anders zijn dan de prototypes die nu worden getoond. Maar het begint te lijken dat RRAM de komende twee of drie jaar de sprong van het lab naar de commerciële markt zal maken. Als dat zo is, kan dit een grote invloed hebben op hoe systemen worden ontworpen.