V druhé polovině srpna se koná v Americe konference Hot Chips, kde obvykle bývají prezentovány různé nové nebo nedávné procesory a další polovodičové výdobytky. Letos se mezi témata dostala i prezentace pamětí NRAM. To jsou nevolatilní paměti (tedy trvale držící data) vyvinuté firmou Nantero. O NRAM jsme psali v roce 2015, ale když krátce poté odhalil Intel svůj 3D XPoint, pozornost se přesunula na něj a na NRAM se trošku zapomnělo. Ovšem letos oznámilo výrobu NRAM Fujitsu a tato technologie se tedy zdá se dostane do praxe. A podle prezentace z Hot Chips by mohla být překvapivě dobrá. Možná nakonec i o dost zajímavější než 3D XPoint, ačkoliv nepochází od polovodičového obra s padesátiletou zkušeností.
NRAM je paměť, která polovodičovou technologii kombinuje s aplikací uhlíkových nanotrubic. Ty jsou ale integrované na křemíkový wafer a vše je vyráběno konvenčním způsobem. Vrstva nanotrubic tvoří samotné záznamové buňky. Princip je takový, že přivedení napájení je rozpojuje nebo spojuje pomocí van Der Waalsových sil, čímž je odlišena nula a jednička. Nanotrubic na každou buňku připadá velké množství, takže záznam má značnou redundanci. Takto zapsané bity zůstávají stabilní i po odpojení napájení a proto by NRAM mohla být náhradou za paměti NAND Flash v SSD.
Ovšem podle jejich autora, firmy Nantero, jsou jejich vlastnosti mnohem lepší. Dokonce prý tak, že by mohly tvořit nejen „storage class memory“ jako Intel 3D XPoint, ale i reálnou náhradu operační paměti, tedy už hodně staré technologie DRAM. A to zřejmě bez háčků nebo nějakých omezení jako u dalších alternativních pamětí. Pokud by se toto podařilo splnit v praxi, bylo by to lidově řečeno naprostá bomba, protože paměti DRAM doposud žádnou alternativu neměly.
Fungování NRAM (Zdroj: AnandTech)
Fungování NRAM (Zdroj: AnandTech)
Nevolatilní paměť s neomezenou zapisovací životností?
V prezentaci na Hot Chips Nantero uvádí v prvé řadě, že během teď už několikaletého testování a provozu nebylo u vyrobených čipů zatím zaznamenáno opotřebení. Na základě toho Nantero uvádí, že u těchto pamětí očekává neomezenou zapisovací životnost. Což by byl zásadní průlom, protože degradace při zápisech, která tolik trápí paměti NAND, zatím u ostatních alternativ v nějaké podobě stále je. Protože na zjištění degradace už bylo hodně času, mohla by snad minimálně být dostatečně pomalá, aby to v praxi nevadilo. Pokud si tedy Nantero nevymýšlí, mohla by NRAM opravdu být pamětí budoucnosti.
Výkon ekvivalentní dnešní RAM
Druhou věc, která je pro toto podmínkou, představuje výkon. A i zde Nantero slibuje takřka zázrak. Ačkoliv je NRAM nevolatilní, má údajně mít dost rychlý zápis a čtení, aby DRAM zastoupila. A to prý není přehánění – údajně je totiž možné i nynější NRAM provozovat na časováních specifikovaných ve standardu JEDEC pro DDR4. To znamená, že by se čipy NRAM teoreticky daly v podstatě hned použít v modulech DIMM jako operační paměť. Šlo by prakticky o přímou náhradu.
S čipy NRAM má být možné vytvořit plně kompatibilní moduly DDR4 (Zdroj: AnandTech)V některých ohledech by dokonce NRAM mohla být i alternativou lepší. Za prvé díky nevolatilitě nevyžaduje neustálé obnovování informace, které je u DRAM bezpodmínečně nutné. Interval těchto obnovování je přitom dost krátký a když probíhají, je paměť zaměstnána a nelze k ní přistupovat. Periodický refresh stejně jako další speciality pamětí DRAM tedy stojí výkon, kdežto výkon NRAM má být "deterministický" bez podobných záludností. Zároveň ale také ubírá z výdrže na baterie u mobilních zařízení. Toto by u NRAM odpadlo, přičemž i jinak je údajně schopná dosahovat podobnou spotřebu při aktivitě jako DRAM. Paměti DRAM kromě toho mají ještě jeden problém – destruktivní čtení. Přečtení dat buňky vymaže, takže řadič každá přečtená data musí znovu zapsat. I toto stojí spotřebu a výkon a i toto u NRAM odpadá. Čtení totiž destruktivní není, což vše zjednoduší.
Shrunutí vlastností pamětí NRAM (Zdroj: AnandTech)Nantero už delší dobu vyrábí vzorky, ale v praxi NRAM myslím stále ještě není, takže zatím je asi třeba trpělivě čekat, zda se tyto sliby potvrdí. Uváděné vlastnosti NRAM by byly totiž téměř zázračné. Paměti DRAM by asi náhradu docela potřebovaly, protože jejich škálování na moderní výrobní procesy není ideální a navíc trpí na bezpečnostní problém Rowhammer, což je asi ještě větší nepříjemnost, než teď Spectre u procesorů.
Uložená data mají být stabilní stovky let
V prezentaci na Hot Chips má Nantero také uvedené, že NRAM má velmi dlouho držet uložená data, zřejmě až v řádu tisíců let. Při testování prý byly „problémy“ nalezeny jen při vyšších teplotách. Při zahřátí na 300 stupňů Celsia prý stabilita uložených dat klesá, měla by ale stále vydržet přes 300 let, možná až přes tisíc (toto chování je logicky nutno simulovat, takže výsledky jsou vypočtené). Vzorky pamětí NRAM byly prý dokonce již otestovány i ve vesmíru a údajně by neměly být náchylné vnějším vlivům s výjimkou elektrostatických výbojů (jelikož buňky se zapisují právě elektrostaticky napětím). Paměť by proti tomuto riziku měla implementovat ochranu.
NRAM může kdokoli licencovat
Podle firmy Nantero má NRAM být možné škálovat minimálně až na 5nm výrobní proces. Ovšem i na 1 nm by údajně stále mělo na jednu buňku připadat dost nanotrubic v záznamové vrstvě, aby NRAM spolehlivě fungovala. Používala by se pro ně normální optická litografie, jen je třeba aplikovat vrstvy nanotrubic, což však prý nemá být komplikované. Zajímavé je, že se vyrábí na logickém procesu, takže NRAM mohou začít vyrábět i firmy nepatřící mezi tradiční výrobce pamětí. Technologie je licencovaná podobně jako jádra ARM.
Nantero ukázalo i roadmapu, podle níž je připravena výroba čipů s kapacitou 8 a 16 Gb na 28nm procesu – což by byly kapacity konkurenceschopné s DRAM. Čipy mají dvě nebo čtyři vrstvy nanotrubic, přičemž vrstvy u NRAM jsou tvořeny v rámci jednoho čipu podobně jako u 3D NAND.
8Gb a 16Gb čipy připravené k výrobě
Tyto 28nm čipy je údajně už možno nyní vyrábět a mají mít plochu okolo 100 mm². Dalším krokem by byly 14nm čipy, u kterých by již mohly být kapacity 64 (čtyři vrstvy) nebo dokonce 128 Gb (osm vrstev). Na 7nm procesu by prý už mohly čipy být dokonce 256Gb a 512Gb při čtyřech a osmi vrstvách. Toto už jsou kapacity soutěžící s pamětí NAND, u DRAM je momentálně 16 Gb maximum. NRAM by tedy mohla dovolit stavět moduly DIMM s mnohem vyšší kapacitou, což by bylo asi atraktivní v serverech.
Roadmapa refernčních designů Nantero. Výrobu čipů NRAM by na jejich základě zajišťovali firmy, které si technologii licencují (Zdroj: AnandTech)RAM má být možné škálovat i přidáním více vrstev a navíc je podle Nantera možné implementovat i zápis MLC (více bitů na jednu buňku) pro zvýšení kapacity. Odstup úrovně signálu pro nulu a jedničku je totiž údajně dosti velký (asi 10×). Ze začátku se ovšem bude NRAM vyrábět ve formě SLC čipů, MLC by přišla až později.
Vyšší výkon i kapacita, nižší cena?
V jednom ze slajdů Nantero rekapituluje, že zatímco třeba Optane/3D XPoint chtějí být „Storage Class Memory“ (paměť s vlastnostmi úložiště), NRAM by měla být „Memory Class Storage“ (úložiště s vlastnostmi pamětí). Údajně by mohla dosáhnout vyššího výkonu než DRAM při stejné životnosti a zároveň vyšší kapacity a prý i nižší ceny. Pokud by všechno toto vyšlo, znamenalo by to pro operační paměť jako komponentu skutečně tu příslovečnou bombu. Lépe řečeno by to asi u počítačů a podobných zařízení dovolilo předefinovat architekturu, když by se i jejich pracovní paměť stala nevolatilní. Slibované vlastnosti v prezentaci na Hot Chips byla v tomto skutečně až šokující, jelikož před třemi lety byly ještě přísliby menší, Nantero například ještě neslibovalo prakticky neomezenou životnost v zápise.
Jako obvykle v podobných případech asi platí, že bude dobré zachovat nějakou tu skepsi a opatrnost. Zatím bychom tedy asi neměli natvrdo počítat s tím, že se všechny tyto výhody podaří zrealizovat. Může třeba nastat i taková eventualita, že vše bude jako na papíře, ale nepodaří se snížit cenu pod úroveň čipů DRAM (je třeba pamatovat, že ty jsou nyní předražené, klidně by mohly zlevnit třeba o 50, 60 % a nejspíš i víc). Pak by se tato paměť mohla prosadit v různých oblastech trhu, ale jako operační paměť by nám zůstala klasická DRAM. Každopádně ale bude zajímavé sledovat příchod této technologie do praxe a její vývoj. Protože pokud si Nantero nevymýšlí, potenciál by mohl být obrovský. První zhodnocení by asi mohlo být možná v roce 2019 či 2020, kdy se mají dostat na trh NRAM vyráběné společností Fujitsu.
