Paměti 3D XPoint: přinesou revoluci?

Technologie 3D XPoint

Paměti typu NAND Flash využívají buňky tvořené typicky NPN tranzistory, v jejichž hradle (gate) jsou díky vrstvě oxidu uvězněny elektrony tvořící náboj dané paměťové buňky, dle nějž se dle různých úrovní určují až tři zaznamenané bity. Nic takového u pamětí 3D XPoint nenajdeme, protože ty nejsou založeny na tranzistorech, ale na něčem jiném.
Výrobci mluví o tzv. Crosspoint struktuře, jaká se ukazuje na mnoha doprovodných obrázcích. Na nich vidíme stříbrně zbarvené vodiče tvořící mřížkovanou strukturu, díky níž lze vždy přesně adresovat jednotlivou paměťovou buňku. Stačí si k tomu vybrat dva vodiče ze sousedních vrstev, které se protínají právě v místě kýžené paměťové buňky znázorněné zeleno-žlutým sloupcem. Díky této struktuře bude teoreticky velice snadné přidávat další vrstvy, díky nimž bude kapacita čipu narůstat o ekvivalent základní vrstvy.
Další obrázek připomíná, že paměti 3D XPoint jsou tzv. non-volatile, čili stále, takže nepotřebují být pod napětím, aby si udržely informaci (na rozdíl od DRAM). Dále zde dle Intelu ani nemusíme řešit otázku výdrže, neboť zápis nových dat buňky nemá výrazně degradovat. A opět, buňky nejsou tvořeny tranzistory a jsou daleko jednodušší, ovšem každá z nich může uložit jen jeden bit informace, takže jde o ekvivalent SLC NAND Flash. Namísto toho jsou tvořeny jistým Selectorem (žlutý) a vlastní paměťovou buňkou (zelená), ale už se nedozvíme, z čeho onen selektor a buňka byly vytvořeny. Víme, že při čtení a zápisu dat se nějakým způsobem operuje s napětím, ale přesný způsob Intel zatím neprozradil, i když existují nějaké teorie. A rovněž teoreticky jsou paměti 3D XPoint schopny pracovat i v MLC režimu, tedy ukládat dva bity (či snad i více) do jedné buňky, ale Intel s Micronem se touto cestou zatím nechtějí vydat.

Ve zkratce tedy tyto paměti fungují tak, že se přivede napětí na tzv. wordline a bitline, čili dva vodiče křížící se v místě zamýšlené paměťové buňky. To pak buď způsobí přečtení stavu dané buňky, nebo se provede zápis nuly či jedničky. Lze tedy usuzovat, že půjde přinejmenším o tři různé úrovně napětí pro čtení a zápis 0 / 1 a při čtení to bude nejspíše nižší napětí než při psaní. Používaná napětí mají být výrazně nižší, než jaká se používají v případě NAND Flash, takže půjde o podstatně méně než 20 V a díky tomu by zařízení s 3D XPoint měla být i úspornější.
Díky struktuře této paměti bude možné číst třeba jen jednotlivé bity, zatímco v případě NAND Flash musíme adresovat přinejmenším celé stránky (typicky 16 kB). I to ovlivňuje rychlost přístupu k datům, která má být u 3D XPoint v řádech desítek nanosekund, zatímco u NAND je to také v desítkách, ale mikrosekund. V tomto ohledu se tedy 3D XPoint více přibližují k pamětem DRAM než k NAND. Abychom tedy do NAND zapsali byť jen jeden bit, je nutné zapsat celou stránku a v případě mazání je to ještě horší, protože se operuje na úrovni celých bloků (stovky stránek).

Paměti NAND Flash tak potřebují sofistikované kontrolery, které umí jejich omezení překonat, k čemuž se využívají různé algoritmy pro tzv. Garbage Collection či příkaz TRIM, přičemž SSD pak potřebuje čas na to, aby si uspořádalo data a připravilo buňky pro nově zapisovaná data. 3D XPoint díky schopnosti adresovat každou buňku zvlášť a libovolně ji číst či do ní zapisovat, nic takového potřebovat nebudou. Díky tomu bude i potřebný kontroler daleko jednodušší a potenciálně levnější a energeticky úspornější.

Již vyrobené paměti 3D XPoint mají tedy dvě vrstvy, přičemž každá má kapacitu 64 Gb. Celkový čip má tedy 128 Gb, čili 16 GB a právě zde můžeme vidět velký potenciál do budoucna. Však pokud výrobci již zvládají výrobu 32 nebo 48vrstvých pamětí NAND Flash, které mají složitější tranzistorovou strukturu, pak by logicky neměl být problém vyrobit ani 3D XPoint s takovým počtem vrstev. Pokud tedy máme počítat se 48 vrstvami, každá se 64 Gb, pak by takový čip nabídl celých 384 GB kapacity.
Jenomže paměti 3D XPoint jsou stavěny od základu jinak než vícevrstvé NAND Flash. V jejich případě proces začíná vrstvením vodivých a izolačních materiálů na sebe a až poté nastoupí litografie a leptání, díky čemuž se ve struktuře vytvoří kanálky vedoucí k paměťovým buňkám. V případě 3D XPoint ale je třeba použít litografii a leptání u každé tvořené vrstvy, kvůli čemuž je výrobní proces nákladnější.

Intel a Micron ale říkají, že u budoucích pamětí 3D XPoint nebude problém s jejich škálováním, a to ve vertikálním i horizontálním směru, což je klíč pro další vývoj. Zatím totiž neexistuje zřejmý nástupce pro argon-fluoridovou imerzní litografii, jejíž praktická využitelnost končí na nějakých 10 nm. Vhodná by mohla být EUV litografie (Extreme UltraViolet), s níž je dle Intelu technologie 3D XPoint kompatibilní, ale pokud ta bude za několik příštích let nasazena, určitě s ní výrobci nebudou zpočátku plýtvat na výrobu pamětí a i dnes bude lepší využít výrobní procesy, které jsou zvládnuté a raději se zaměřit právě na škálování. Prozatím už ale máme 16GB čipy, což stačí, neboť moderní 32vrstvé paměti Samsung MLC 3D V-NAND mají stejnou kapacitu na čip.

PCM, nebo chemie?

Ihned po představení nových pamětí se začalo spekulovat, jakým způsobem v nich buňky fungují. Nabízely se přímo dvě alternativy, a to buď změna fyzických vlastností materiálu přivedením elektrické energie, nebo změna chemická. V prvním případě by šlo o PCM (Phase Change Material), čili o změnu krystalické struktury materiálu, a tím i změnu jeho vlastností. To ale Intel už stačil rezolutně popřít. O PCM tedy nejde a je to i logické, neboť častá změna krystalické struktury by narušovala spojení mezi částmi paměťových buněk a vodiči. Pak je tu tedy chemická cesta, která také může mít vliv na vodivost materiálu.
Když se podíváme na jeden starší slide z prezentace firmy Micron v minulém roce, máme tu zmíněny paměti Resistive RAM (RRAM), které měly být využity pro nové paměťové technologie už v letošním roce.
Novější slide z letošního února vedle pamětí RRAM zmiňuje ještě Spin-transfer Torque RAM (STTRAM), ale právě RRAM mají být dle analytiků nejvhodnější pro technologii nazývanou zkratkou CB. Jde o Conductive Bridging, měnící odpor materiálu vytvořením nanomůstku z elektrolytu mezi dvěma elektrodami, aktivní a inertní.
Na inertní elektrodu je přivedeno záporné předpětí, což způsobí změnu kovových iontů v atomy a vytvoření vodivého můstku, díky čemuž se celkový odpor mezi elektrodami sníží. Kladným napětím pak atomy opět oxidují a stávají se zase součástí elektrolytu, takže odpor se zase zvyšuje. Problémem je, že nejde dost dobře řídit růst onoho vodivého můstku z atomů kovu, který se v elektrolytu rozšiřuje podobně jako blesk v atmosféře. Nejde tedy o předpokládatelný, jako spíše o náhodný proces. A naopak, vzhledem k tomu, že aktivní dioda je typicky vyrobena ze stejného materiálu jako elektrolytický můstek, mohla by se sama v procesu oxidace vodivého můstku změnit v elektrolyt, čímž by se celá sestava zničila.

Nicméně Micron dle svých starších slidů chtěl RRAM využít už pro výrobu nových typů pamětí a je pravděpodobné, že jde právě o nové 3D XPoint. Tajemstvím těchto pamětí by měly být především zvolené materiály pro výrobu buněk, za čímž stojí dlouhá léta výzkumu, přesně tedy celých deset let.