Ученые из исследовательского подразделения IBM Research впервые продемонстрировали, что память с изменением фазового состояния (Phase-Change Memory, PCM), может надежно хранить несколько бит данных в одной ячейке в течение длительных периодов времени. Новая технология памяти отличается высоким быстродействием, износостойкостью, энергонезависимостью и плотностью записи.

Память PCM записывает и считывает данные в сто раз быстрее, чем флеш-память, обеспечивая высокие показатели емкости хранения и не теряя данные при выключении питания. При этом PCM-память может выдержать не менее 10 млн. циклов перезаписи, в то время как современные флеш-модули корпоративного класса выдерживают около 30 тысяч циклов перезаписи, а флеш-модули потребительского класса – лишь 3 тысячи циклов перезаписи.

До сих пор надежное хранение данных было продемонстрировано только при записи в ячейку PCM-памяти лишь одного бита информации. Для того чтобы продемонстрировать возможности многоразрядной памяти, ученые IBM использовали метод модуляционного кодирования, призванный смягчить проблему кратковременных отклонений параметров, которые вызывают изменение уровней сопротивления на ячейках памяти с течением времени, что, в свою очередь, приводит к ошибкам чтения данных.

Технология PCM использует эффект изменения сопротивления, происходящего в веществе, когда оно меняет свое агрегатное состояние с кристаллического, характеризующегося низким уровнем сопротивления, на аморфное (с высоким уровнем сопротивления) для хранения битов данных. В ячейке памяти PCM, где вещество с изменяемым физическим состоянием наносится между верхним и нижним электродом, изменением фазы можно управлять посредством приложения импульсов напряжения или тока различной силы. Эти импульсы нагревают вещество, и при достижении определенных пороговых значений температуры происходит переход из кристаллического состояния в аморфное или наоборот.

Кроме того, в зависимости от величины приложенного напряжения количество молекул вещества, перешедших из одного фазового состояния в другое, различно, и это напрямую влияет на сопротивление ячейки. Исследователи использовали эту особенность для того, чтобы записать в ячейку памяти не один, а несколько битов данных. В своих нынешних экспериментах ученые IBM применяли четыре разных уровня сопротивления для хранения битовых комбинаций "00", "01" 10" и "11" (иными словами, записали в одну ячейку два бита данных).

Для того чтобы достичь продемонстрированной надежности, необходимо было осуществить критически важные технические усовершенствования процесса чтения и записи. Ученым удалось реализовать итеративный (повторяющийся) процесс записи, чтобы решить проблему отклонения значений сопротивления из-за присущей ячейкам памяти и веществам с изменяемым фазовым состоянием неустойчивости этого параметра.

Несмотря на использование итеративного процесса, ученым удалось достичь показателя времени ожидания в 10 микросекунд для наиболее неблагоприятного режима записи данных, что дает 100-кратное увеличение производительности даже по сравнению с самой современной флеш-памятью, представленной сегодня на рынке.

Для того чтобы продемонстрировать надежное считывание битов данных, ученым нужно было решить проблему отклонения уровней сопротивления. В результате структурной релаксации атомов в аморфном состоянии, сопротивление вещества со временем повышалось, что приводило к возникновению ошибок вывода считываемых данных. С целью преодоления этой проблемы ученые IBM применили передовой метод модуляционного кодирования, изначально устойчивый к эффекту отклонения значений сопротивления. В основу метода модуляционного кодирования положен тот факт, что относительный порядок запрограммированных ячеек с различными уровнями сопротивления со временем остается, в целом, неизменным.

Используя эту методику, ученые IBM смогли смягчить проблему отклонения значений сопротивления и продемонстрировать возможность долговременного хранения битов данных в подмассиве из 200 000 ячеек своего экспериментального КМОП-чипа памяти PCM, произведенного с применением 90-нм технологического процесса. Экспериментальный чип PCM-памяти был спроектирован и изготовлен учеными и инженерами в Берлингтоне (США), Йорктаун-Хейтсе (США) и Цюрихе (Швейцария). Эксперименты, которые длились более пяти месяцев, показали, что многоразрядная память PCM может достичь уровня надежности, пригодного для коммерческого применения.

"Сегодня, как никогда, необходимы все более мощные, эффективные и, в то же время, экономически доступные технологии хранения данных, поскольку организации и потребители все чаще выбирают модели поставки и сервисы на базе облачных вычислений, в результате чего большая часть данных хранится и обрабатывается в облачных средах, — подчеркнул доктор Харрис Позидис (Haris Pozidis), руководитель отдела Memory and Probe Technologies в научно-исследовательском центре IBM Research — Zurich. — Демонстрируя технологию многоразрядной памяти с изменением фазового состояния, которая впервые обеспечивает уровни надежности, близкие к тому, что требуется для задач корпоративного класса, мы делаем огромный шаг вперед на пути практического применения модулей памяти на базе технологии многоразрядной PCM".