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Diese Arten des Storage Class Memory sollten Sie kennen

SCM wird die Zukunft von Storage und Speicherung definieren. Wir erklären fünf Schlüsseltechnologien, über die Sie in den nächsten Jahren viel mehr erfahren werden.

Speichertechnologien wie dynamischer RAM (DRAM) sind schnell, aber sie sind nicht persistent, sie haben Skalierungsbeschränkungen und sind teuer. Speichertechnologien sind nicht so schnell oder effizient wie Memory, aber sie sind persistent, können große Datenmengen verarbeiten und sind billiger.

Die Storage-Class-Memory-Technologie, auch bekannt als persistentes Memory, ist die nächste Generation von Speicher und Speichertechnologie. Sie bezieht sich auf eine Klasse von nichtflüchtigen (Non-volatile) Speichern, die darauf abzielt, die Lücke zwischen traditionellem Speicher und Memory zu schließen und die Art und Weise, wie Daten verarbeitet und gespeichert werden, zu ändern.

Es gibt verschiedene Arten von SCM-Technologien, die entwickelt werden. Sie halten Daten und Programmcode bei Stromausfall vor, und in einigen Fällen offerieren sie Geschwindigkeiten, die fast so schnell sind wie dynamischer RAM (DRAM) und sogar statischer RAM (SRAM). Diese Kombination aus Persistenz und Geschwindigkeit ermöglicht es, Geräte zu entwickeln, die sowohl für Memory als auch für Speicher verwendet werden können.

Storage Class Memory treibt die Zukunft von Memory und Speicher voran. Im Folgenden ein Blick auf einige dieser Technologien, von denen wir in den nächsten Jahren wahrscheinlich viel mehr hören werden.

3D XPoint

3D-XPoint-SCM ist bereits verfügbar. Intel und Micron Technology haben diese Technologie gemeinsam entwickelt, um die Marktlücke zwischen DRAM und NAND-Flash zu schließen.

3D-XPoint-Produkte zeichnen sich durch schnelle Leistung, extrem niedrige Latenzzeiten und eine höhere Lebensdauer aus als preiswertere NAND-Flash-Memory. Die Technologie wird verwendet, um einige der schnellsten SSDs auf dem Markt zur Verfügung zu stellen, mit geringer Schreiblatenz und Byte-adressierbarem Memory.

3D XPoint (gesprochen: Crosspoint) wird als eine Art resistiver RAM (siehe unten) betrachtet, wobei die Datenspeicherung auf Änderungen des Widerstands basiert. Die transistorlose Crosspoint-Architektur verwendet elektrischen Strom, um eine Eigenschaftsänderung zu bewirken, die das Widerstandsniveau der Zelle verändert. Jede Zelle enthält ein einzelnes Datenstück und stellt je nach Widerstand eine 1 oder 0 dar. 3D-XPoint-Zellen können gestapelt werden, um die Speicherdichte zu verbessern.

Mit der 3D-XPoint-Architektur können kleine Datenmengen geschrieben und gelesen werden, was den Lese-/Schreibprozess beschleunigt und ihn im Vergleich zum NAND-Flash-Memory effizienter macht.

Intel und Micron haben angekündigt, dass sie ihre gemeinsame Entwicklungsarbeit nach Abschluss der Arbeiten an der zweiten Generation der Technologie in der ersten Jahreshälfte 2019 beenden werden. Micron hat keine 3D-XPoint-basierten Produkte ausgeliefert, aber Intels Optane-Linie von Memory- und Speicherprodukten nutzt diese Technologie.

Intel Optane DC offeriert bis 36 TByte an Memory-Kapazität in Kombination mit DRAM.Abbildung 1: Intel Optane DC offeriert bis 36 TByte an Memory-Kapazität in Kombination mit DRAM.

Die Optane Memory Card ist im M.2-Format mit 256 GByte, 512 GByte und 1 TByte Kapazität erhältlich. Intel liefert auch Optane DC persistentes Memory mit 128 GByte, 256 GByte und 512 GByte, größer als DRAM, der nur auf 128 GByte kommt. Jim Handy, Halbleiteranalyst bei Objective Analysis, meint, dass die Dichte von Optane ein wesentlicher Vorteil sein wird, da Optane DIMMs nur halb so teuer sind wie vergleichbare DRAM-DIMMs. Intels Optane-Produktlinie umfasst auch mehrere SSDs, darunter die Optane SSD DC P4800X Serie, die mit Kapazitäten von 375 GByte und 750 GByte erhältlich ist.

Resistive RAM

Eine weitere SCM-Technologie ist Resistive RAM, auch bekannt als RRAM oder ReRAM. Sie enthält einen Memristor, eine elektrische Komponente aus einem speziell formulierten dielektrischen Material, dessen Widerstand je nach angelegter Spannung variiert. ReRAM basiert auf einer Widerstandsschaltung, die den Stromfluss in eine Richtung erhöht und den Stromfluss in die andere Richtung verringert.

Dielektrisches Material, das im Allgemeinen keinen elektrischen Strom leitet, erfährt plötzlich einen dielektrischen Umbruch und leitet einen Strom bei hohen Spannungen. Herkömmliches dielektrisches Material wird durch einen Durchschlag dauerhaft beschädigt. In einem Memristor führen die verwendeten Materialien jedoch zu einem vorübergehenden, reversiblen Ausfall.

Bei einem Memristor-Typ bewirkt die Spannung die Bildung mikroskopisch kleiner Filamente im Medium. Das Anlegen einer externen Spannung führt zum Bruch oder zur Umkehrung der Filamente. Die kontrollierte Bildung und Zerstörung einer großen Anzahl von Filamenten ermöglicht die Speicherung von Daten. Verschiedene Substanzen wurden für diese Art von Memristor getestet, darunter Nickeloxid, Titandioxid, Elektrolyte, Halbleitermaterialien und organische Verbindungen.

Eine andere Art von Memristor nutzt die Spannung, um Nanometallfilamente in einem amorphen Feststoff namens Chalkogenidglas zu erzeugen. Das Material wird schnell von einem ausgehärteten Zustand in einen flüssigeren Zustand überführt und ändert seinen Widerstand.

Im Vergleich zu NAND-Flash bietet ReRAM schnellere Lese- und Schreibgeschwindigkeiten, höhere Lebensdauer und höhere Speicherdichte bei gleichzeitig geringerem Stromverbrauch. Memristor-Technologien eignen sich gut für Speicher in Industrie- und IoT-Sensoren.

Fujitsu und Crossbar sind die wichtigsten Anbieter von ReRAM-Produkten.

Magnetoresistive RAM

Magnetoresistiver RAM oder MRAM ist ein nichtflüchtiger Speicher, der auf magnetischen Zuständen basiert, um Daten zu speichern, im Gegensatz zur Verwendung elektrischer Ladungen wie DRAM- und NAND-Flash. MRAM-Technologien ermöglichen es, Geschwindigkeiten zu liefern, die viel schneller als Flash und fast so schnell wie SRAM sind, während Daten auch bei Stromausfall erhalten bleiben.

MRAM verwendet ein Paar ferromagnetischer Metallplatten, die durch eine dünne Isoliermaterialschicht getrennt sind, um zu bestimmen, ob ein Bit eine binäre 1 oder 0 ist, wobei eine Platte permanent magnetisiert und auf eine bestimmte Polarität eingestellt ist. Die Polarität der anderen Platte kann entsprechend der Magnetisierung eines externen Speicherfeldes umgeschaltet werden. Die Ausrichtung der beiden Magnetfelder bestimmt, ob ein binäres Bit ein 1 oder 0 ist, diese MRAM-Struktur wird als magnetischer Tunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) bezeichnet. Arrays von MTJs werden in Speichergeräten verwendet.

MRAM kann Lese- und Schreibvorgänge schneller als DRAM mit weniger Strom durchführen. Da es als universelles Memory gilt, kann MRAM auf Anwendungen angewendet werden, die von System Computing bis zum Storage reichen. Im Gegensatz zum Flash-Memory nutzt er sich nicht ab und kann so lange gelesen und beschrieben werden, bis das physische Material selbst sich verschlechtert.

Everspin Technologies ist der bekannteste Anbieter, der dieses Storage Class Memory als Stand-alone Memory herstellt. Ursprünglich wurde eine Form von MRAM verwendet, die als Toggle bekannt ist. Everspin hat eine Partnerschaft mit GlobalFoundries geschlossen, um eine Embedded-Version seiner MRAM-Technologie zu entwickeln, die in die Standard-CMOS-Technologie (Komplementär-Metalloxid-Halbleiter/Complementory Metal-Oxid Semiconductor) integriert werden kann und Embedded Flash, DRAM oder SRAM ersetzt. Samsung sagte im März 2019, dass es auch embedded MRAM ausliefert.

Der Stromverbrauch ist der Nachteil von MRAM. Elektrische Ströme werden verwendet, um das Magnetfeld im MTJ zum Lesen oder Schreiben der Zelle zu induzieren, und dieser Stromverbrauch ist immer noch höher als dass es ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis ergibt. Damit MRAM kein idealer DRAM-Ersatz.

Spin-Transfer Torque MRAM

Spin-Transfer Torque MRAM (STT-MRAM) ist eine MRAM-Variante, die entwickelt wurde, um den Stromverbrauch zu senken. STT-MRAM wertet das zwischen den Magnetschichten aufgebrachte Drehmoment aus und nutzt die magnetoresistiven Eigenschaften effizienter.

STT-MRAM basiert auf einem senkrechten (perpendicular) MTJ und dem Konzept, dass Elektronen Drehimpulse oder Spin aufweisen. Spin und Orbital sind die beiden Arten von Drehimpulsen in der Quantenmechanik. Mit Hilfe von elektrischem Strom durch ein Magnetfeld ändert STT-MRAM den Elektronenspin in einen Auf (Up)- oder (Down) Abwärtszustand. Der Spin im Elektronenfluss von einer MTJ-Platte zur anderen kann die magnetische Ausrichtung auf der zweiten Platte verändern.

Ein MTJ, das STT verwendet, verbraucht weniger Strom als das elektrisch induzierte MTJ von MRAM. STT-MRAM kann auch kleiner als MRAM gemacht werden, was eine höhere Speicherdichte in Geräten ermöglicht. Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen verbraucht STT-MRAM jedoch immer noch zu viel Strom, um als DRAM-Ersatz wirtschaftlich rentabel zu sein.

Das Everspin ST-DDR3 STT-MRAM wurde für Applikationen wie SSD-Buffer, Buffer oder synchrones Logging konzipiert.Abbildung 2: Das Everspin ST-DDR3 STT-MRAM wurde für Applikationen wie SSD-Buffer, Buffer oder synchrones Logging konzipiert.

Everspin bietet ein 256 MByte STT-MRAM-Gerät an. Es verfügt auch über eine Reihe von STT-MRAM-basierten speicherbeschleunigende SSDs, die Geschwindigkeiten nahe an DRAM mit 1 GByte Kapazität liefern.

Nanotube RAM

Nanotube RAM, oder NRAM, ist eine von Nantero entwickelte, proprietäre SCM-Technologie. Sie besteht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die Nantero als 1/50.000 Mal so groß wie der Durchmesser eines menschlichen Haares, aber 50 mal stärker als Stahl, halb so dicht wie Aluminium und mit besseren Wärme- und elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften als jedes andere der Wissenschaft bekannte Material ausgestattet ist.

Eine NRAM-Zelle besteht aus einem Film aus miteinander verbundenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die auf einem Siliziumsubstrat aufgebracht sind. Der Nanotube-Layer sitzt zwischen zwei Elektroden und kann elektrisch komprimiert oder ausgedehnt werden, so dass sich die Nanoröhrchen berühren oder leicht getrennt sind, um einen hohen oder niedrigen Widerstandszustand zu erzeugen. Wenn die Nanoröhrchen nicht miteinander in Kontakt stehen, ist der Widerstand hoch und stellt einen 0-Zustand dar. Wenn sie sich berühren, werden sie von van-der-Waals-Kräften an Ort und Stelle gehalten, und der Widerstand des Gewebes ist gering, was einen Zustand von 1 darstellt.

Nantero sagt, dass sein NRAM so schnell wie und dichter als DRAM ist, keine Energie im Standby-Modus verbraucht, 160 mal weniger Schreibeenergie pro Bit als Flash verbraucht und sehr resistent gegen Umwelteinflüsse wie extreme Temperaturen ist.

Die Halbleiterprodukte, die Nantero entwickelte, nutzen NRAM auf bestehender CMOS-Fabric, so dass keine neuen Geräte oder Prozesse erforderlich sind. Nur wenige Prozessschritte und eine Maskenschicht sind für die Herstellung erforderlich, was die Kosten niedrig hält, sagt Nantero, und es ist kompatibel mit 3D-Architekturen und dem Multi-Zellen-Betrieb.         

Nantero sagte 2018, dass es sich um die Entwicklung eines Multi-Gb, DDR4-kompatiblen, nichtflüchtigen, eigenständigen Memory-Produkts handelte, eines eigenständigen Chips, der als SSD- oder HDD-Cache mit eingebetteten Memory für Automobil- und IoT-Anwendungen konzipiert wurde. Zwei Halbleiterunternehmen von Fujitsu haben die Nantero NRAM-Technologie lizenziert und werden voraussichtlich 2019 Produkte auf den Markt bringen.

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