Hlavní navigace

Onyx s phase-change pamětmi je sedmkrát rychlejší než SSD

16. 6. 2011

Sdílet

 Autor: Redakce

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.


Řez PCM buňkou
 Časová závislost délky a intenzity pulzu na výsledném odporu materiálu


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.


Moneta Onyx v testovací sestavě


Moneta Onyx
 Moneta Onyx 
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.


Výsledky testu PCM disku Moneta Onyx
 Výsledky testu PCM disku Moneta Onyx
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

bitcoin_skoleni

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