Onyx s phase-change pamětmi je sedmkrát rychlejší než SSD

16. 6. 2011

Většina elektronických pamětí současnosti má jednu vadu – k uchování informace, tedy logické 0 a 1, potřebuje mít zachováno napájecí napětí. Jedinou alternativou jsou E/EEPROM a flash paměti. Zatímco do prvního typu je možné zapsat údaj jen jednou (PROM), případně je přepis příliš pomalý (EPROM a EEPROM), flash má omezenou životnost danou opotřebením polovodičového substrátu v řádech tisíců až statisíců přepisů.

Souhrnně se tato skupina pamětí nazývá jako non-volatile
memories – tedy česky nevolatilní paměti. Přestože je výkon flash pamětí, v
porovnání s dnešními RAM, žalostně nízký (srovnatelný s EDO RAM z roku 1995), lze je použít jako úložný prostor – všem důvěrně známý jako solid-state disky (SSD).

" width="480" height="390" frameborder="0">

Jednoduché vysvětlení principu PCM pamětí na kapalině (amorfní) a kostkách ledu (krystalická struktura)

Během roku 2005 vyčlenily společnosti IBM, Macronix a Infineon (později
Qimonda) několik zaměstnanců, kteří měli prozkoumat potenciál technologie phase-change
memory. Technologie PCM využívá k záznamu dat, podobně, jako je tomu u DVD-RAM médií, změnu struktury. V tomto případě se jedná o směs germania, antimonu a telluru. Po přivedení napětí dojde k jejich
úplnému / částečnému roztavení a
slitina prvků při ochlazování změní svoji strukturu. Krátký pulz vytvoří amorfní strukturu, dlouhý
pulz způsobí postupné chladnutí a díky tomu dojde ke vzniku krystalické
struktury.

" width="560" height="349" frameborder="0">

Jamshid Khazaeepoul měl v Numonyxu na starost vývoj PCM pamětí, proto je
jeho výklad poněkud odbornější

Odlišení logické úrovně je tak snadné. Zatímco uspořádaná (krystalická) struktura
se vyznačuje nízkým odporem, neuspořádaná (amorfní) ho má o několik řádů vyšší. Velký
kus práce odvedla při výzkumu PCM společnost Numonyx. Jejím inženýrům se povedlo vylepšit zápis bloků dat a především uvést do chodu první vzorky. Kvůli vysoké ceně však s PCM
velkou díru do světa neudělali, a proto se věnovali hlavně technologiím pro SSD jako je
vylepšování NAND a NOR flash. Minulý rok v únoru byl Numonyx odkoupen Micronem, který také vidí v PCM budoucnost a ve vývoji pokračuje.

V úzkém místě, které je hůře ochlazováno,
dochází při průchodu proudu k zahřátí materiálu z Ge₂Sb₂Te₅. Jestli po
roztavení přejde do amorfního, nebo krystalického stavu, záleží na délce a
intenzitě průchodu proudu

Zápis a čtení z PCM by měl být díky vnitřnímu uspořádání stejně rychlý bez ohledu
na velikost bloků dat, protože je možné provádět zápis po jednotlivých buňkách (na
rozdíl od NAND flash). A k čemu je to dobré? Databázové servery, zejména ty, které
jsou určené pro velké podniky nebo sociální sítě ale také pro vyhledávače,
zpracovávají obrovské množství malých bloků dat. Jako úložiště se v nich
obvykle používají
SSD nebo RAM disky, které i přes svoji rychlost nemusí stačit. To byl také jeden z podnětů, proč byla v roce 2008 založena na kalifornské univerzitě v San Diegu (University of
California, San Diego) výzkumná laboratoř pro vývoj
nových typů nevolatilních pamětí.

Jeden z prvních otestovaných vzorků phase-change pamětí vyvinuli v University of
California, San Diego.
Čipy jsou osazeny na modulu, který umístíte do slotu pro DDR2 moduly

Na univerzitě se s chutí pustili do díla. Nejprve vyrobili model Moneta s klasickými DRAM moduly, aby vše ověřili. Vyvinuli vlastní řadič a kruhovou sběrnici, kterou spolu s DDR2 paticemi umístili na základní desku, která s počítačem komunikuje přes PCI Express sběrnici. Koncept modulů je navržený tak, že odebírá z DDR2 slotů pouze napájecí napětí (stejně jako SSD
do DDR3 slotu
Viking SATADIMM) a nelze do nich vložit běžné moduly.

Výsledky prvních vzorků, postavených na DRAM, jsou doslova impozantní a
nastupující generace má být ještě rychlejší. Diskové pole s moduly Moneta mají
stabilní propustnost 2,8 GB/s při sekvenčních operacích a zvládnou zpracovat 541
tisíc vstupních a výstupních operací za sekundu (iops) při náhodném přístupu.

Výkon prvních prototypů doslova bere dech. Byly však simulovány a na klasických DRAM pamětech.
Moduly PCM budou zhruba o třetinu až polovinu pomalejší

Jenomže DRAM modul Moneta je stále jenom model. A proto univerzita
oznámila fyzické dokončení prvních modulů Onyx, využívajících PCM
čipy první generace Micron/Numonyx. Po stabilním zprovoznění prý sice
nebudou tak rychle, ale stále budou minimálně sedmkrát rychlejší, než současná generace nejrychlejších SSD disků (v grafech RAID do PCIe Fusion-io). Sekvenční čtení se má pohybovat okolo 1,1 GB/s, zápis až 371 MB/s. Menší bloky dat (např. 512 bajtů) má číst podle předběžných odhadů rychlostí 371 MB/s a zapisovat 91 MB/s. Ale rozhodně to prý není limit technologie PCM, ale první generace modulů PCM.

Výkon modulu Moneta v porovnání s běžnými disky
Rychlost čtení z jednotlivých typů úložišť. Nejpomalejší je pevný disk klasické konstrukce. O něco lépe je na tom běžný SSD a SSD RAID Fusion-io. Moneta s DRAM moduly (de facto RAMDISK) se blíží teoretické propustnosti PCIe sběrnice.
Výkon skutečných modulů PCM bude zhruba poloviční

Profesor Steven Swanson slibuje, že Onyx bude plně funkční během 6–9 měsíců, což může zajistit nástup PCM technologie do běžných stolních počítačů během několika let a bude prý ještě rychlejší. Na druhou stranu připouští, že je třeba přepracovat současný koncept a pohled na datová úložiště budovaný desítky let. Pokud vše bude opravdu fungovat a nebudou se objevovat skryté limity technologie, jako tomu bylo u SSD v podobě wear levelingu a opotřebovávání buněk, můžou stát technologii v cestě tradiční výrobci operačních pamětí i pevných disků. Vzpomenete si, jak se v minulosti psalo s velkou slávou o HLNAND nebo HDR (Hard Recungular Drive)?

Zdroj:
UCSD