A következő generációs memóriaalkalmazások különféle területeken, például számítógépek, mobiltelefonok, ipari alkalmazások, tárolóelektronika, repülőgép-ipar, fogyasztói elektronika, autóipar kínálnak lehetőségeket.

Erről írtunk előző cikkünkben. Észre sem vesszük és ezek az új fejlesztések és a következő generációs memóriák hamarosan a mindennapjaink részévé válnak. Lehetőségeink egyre inkább bővülnek hétköznapi felhasználóként is. Ezek a tárolási technológiák még rendkívül újak és drágák, ezért még néhány évet várnunk kell a hétköznapi felhasználás elterjedésére. Az elkövetkezendő 5-10 évben a nagy tárhely és gyorsaság már mindenki számára elérhető lesz, csakúgy, mint az internet sebességének fejlődése az elmúlt évtizedekben.

A tömegtárolás várhatóan a következő generációs memóriatechnológiák legszembetűnőbb piaci szegmense. Ebben lesznek jók a következő generációs memóriák.

Intel Optane és Intel Optane DC

A közelmúltban az Intel bejelentette az Optane-t, amely 3D XPoint technológiát használ, ami közel áll az univerzális memóriához. Ez elsősorban egy olyan memóriameghajtó, amelynek nem felejtő memóriája elég gyors, hogy RAM-ként működjön. Az Optane technológiája az egyre inkább növekvő piaci résbe illeszkedik a rendszermemória és a flash/szilárdtest-alapú meghajtók, a potenciálisan feltöltő elemzések, a mesterséges intelligencia és a tartalomszolgáltató hálózatok között.

A DRAM kiválóan alkalmas a memóriában történő feldolgozásra. Gyors, de kapacitása és skálázhatósága korlátozott és költséges. Az SSD-khez sokkal kevesebb gigabájt szükséges, mivel súlyos telepítésekre méretezik őket. De nem rendelkeznek a valós idejű tranzakciós műveletek teljesítményével. A NAND alapú tárolók, mint hagyományos SSD (solid state drivers- szilárd test alapú meghajtók) gyorsabb. Nagy kapacitása van, alacsonyabb költséggel működik és állandó, de lassabb, mint a DRAM.

Az Optane-t a két világ áthidalására tervezték. Az Intel Optane megszünteti a rést a hagyományos memória és tárolás között. A többi memóriától eltérően egy különálló memória, nem NAND alapú. Nagyobb a kapacitása, mint a DRAM-nak, de jóval alacsonyabb a késési ideje és magasabb az állóképessége, mint a NAND-é. Az Intel Optane Memory és Intel Optane SSD hétköznapi használatra lett tervezve. Elsősorban személyi számítógépek számára. Megtanulja a leggyakrabban használt dokumentumokat, képeket, videókat és alkalmazásokat és „kéznél” tartja őket a gyors hozzáférés érdekében. Továbbá emlékszik rájuk még a számítógép kikapcsolása után is.

Intel Optane DC állandó memória nem felejtő, nagy kapacitású memória, amely az adatközponti munkaterheléshez lett kialakítva. Hozzáférhető memóriaműveletekkel vagy blokktárólóként. Optimalizálja, tárolja és mozgatja a nagyobb és bonyolultabb adatkészleteket. Biztosítja az állandó memóriát, nagy memóriakészleteket, a gyors gyorsítótárazást és gyors tárolást. Az Optane egyedülálló architektúrát alkalmaz, amely lehetővé teszi, hogy a memóriacellák egyedileg legyenek kezelve. Sűrű, háromdimenziós mátrixba rakva. Különféle formátumokba telepíthető. Csatlakozhatnak akár a memóriacsatornához, akár a tároló buszhoz is. Így több memória és tárolási megoldást biztosít a tervezőnek.

Ráadásul az Optane, konfigurációtól függően, képes DRAM-ként, valamint SSD-ként is működni.

Az Intel Optane DC tartós memóriája a CPU memóriavezérlőjéhez csatlakoztatott standard DIMM nyílásba esik. Az App Direct módban működő Optane DC állandó DIMM memóriájában az információk megmaradnak, ha a tápellátás megszűnik. Ezzel szemben az olyan ingatag memóriatechnológiák, mint a DRAM, gyorsan veszítik az adatokat, ha nem frissítik őket folyamatosan. Valamint nagy sűrűséggel rendelkezik, 512GB per DIMM, ami a duplája a jelenlegi DRAM DIMM maximum. A szoftvert optimalizálni kell az Intel technológiájához. A megfelelő finomítások azonban lehetővé teszik, hogy a teljesítményhez kötött alkalmazások alacsony késleltetésű memóriaműveletekkel elérjék az Optane DC tartós memóriáját.

Továbbá szignifikánsan csökkentette a belső memória (in-memory) adatbázis újraindulási idejét. Mivel az adatbázist nem kell újra betölteni az illékony/felejtő memóriába leállás után. A szervezeteknek lehetőségük van a skálázhatósági memória kapacitást növelni, mert jóval olcsóbb a memória gigabyte összehasonlítva a hagyományos DRAM DIMM-ekkel. A technológia használható abban az esetben is, amikor az Intel tárolási módot hív elő App Direct módban, ahol a tartós memóriacím-tér hozzáférhetővé válik a szabványos API fájlokon keresztül. A blokkot tároló alkalmazások speciális optimalizálás nélkül hozzáférhetnek az Optane DC állandó memóriamodulok App Direct területéhez. Ennek előnye a magasabb teljesítmény összehasonlítva az adatok átvitelével az I/O buszon.

Alternatív megoldásként a DIMM memória üzemmódban is használható, ahol a felejtő memóriával egyszerre növelik a kapacitást. A szoftvert nem kell újraírni, ha telepíteni akarjuk az Optane DC állandó memóriát memória üzemmódban. Az Intel Optane DC SSD-ként közelebb hozza az adatokat a processzorhoz a gyors adattárolás és gyorsítótárolás érdekében. Magas véletlenszerű olvasási/írási teljesítménnyel, valamint következetes alacsony késleltetési idővel rendelkezik, amelyet az adatbázisalkalmazások igényelnek a gyakori nagy sebességű gyorsítótárazáshoz, naplózáshoz. Továbbá a kitartása és a minősége tökéletessé teszi az írásintenzív felhasználók számára, például online tranzakciófeldolgozás. Összességében tehát nagy teljesítményt kínál nagy terhelés alatt és csúcsteljesítmény elérését alacsonyabb sormélységnél.

Függetlenül attól, hogy az alkalmazások hogyan használják az Optane DC állandó memóriát, a technológia erősségei változatlanok: kapacitás, teljesítmény és kitartás. A nagy memóriaigénnyel rendelkező adatközpont-alkalmazások (felhő és infrastruktúra, mint szolgáltatás) a közvetlen kedvezményezettek. Ugyanez vonatkozik a memóriában lévő adatbázisokra, a tároló gyorsítótár rétegeire és a hálózati funkciók virtualizálására.

ReRAM

A ReRam egy másik típusú nem felejtő memória, amely alacsony energiát, nagy sűrűséget és teljesítményprofilt jelent, ami a DRAM és a flash alapú tárolás között helyezkedik el. Míg az MRAM tulajdonságai megjósolják az IoT (Internet of Things) eszközök jelenlétét, a ReRAM-ot az adatközpontok támogatják, áthidalva a különbséget a szervermemória és az SSD között. A teljes adatbázis tárolása egy gyors nem felejtő ReRAM-ban forradalmasítaná a belső memóriát.

Számos vállalat fejleszti a ReRAM-ot különféle anyagok felhasználásával, mivel ezek az anyagok jelentős teljesítménybéli különbséget eredményeznek. A Crossbar ReRAM technológiája például egy szilíciumalapú kapcsolóanyagot tartalmaz a felső és az alsó elektródok között. Amikor az elektródák között feszültséget használnak, nanoszálak alakulnak ki dielektrikus formában, alacsony ellenállású utat hozva létre. Az izzószálat ezután egy másik feszültség visszaállíthatja.

Az Intel Optane kétféle memóriát fejleszt még, a mágneses ellenállású RAM(MRAM) és ellenállásos véletlen-hozzáférésű (random-access) memóriát (ReRAM). Néhány hónappal azután, hogy bejelentette sikeresen integrálja az MRAM-ot a 22FFL gyártással, az Intel előadást tartott a Nemzetközi Solid-State Cicuits Konferencián. Itt leírták ugyanannak a folyamatcsomópontnak a beágyazott 3,6Mb-os ellenállásos hozzáférésű memória (ReRAM) makróját. Az Intel magas-k dielektrumú tantáloxidot használ egy oxigéncserélő réteg alatt, így üres helyeket hoz létre az elektródjai között.

A két cella összetételében különbözik, de ugyanazt a funkciót látja el, sokkal gyorsabb írási és olvasási teljesítményt biztosítva a NAND flash-hez képest. 2019 júliusában a Fujitsu Semiconductor bejelentette a 8 Mbit ReRAM MB85AS8MT-t, amely állítólag a világ legsűrűbb/legtömörebb tömeggyártott ReRAM terméke. A termék megfelelő a hordozható eszközökhöz és közösen fejlesztették a Panasonic Semiconductor Solutions Co.Ltd.-val. Az MB85AS8MT egy EEPROM kompatibilis nem felejtő memória SPI felülettel, amely széles tápfeszültség-tartományban működik 1,6 V-3,6 V között. A memória egyik fő jellemzője a rendkívül alacsony átlagos árama, ami 0,15 mA 5 MHz működési frekvencián. Ez minimális akkumulátorfogyasztást tesz lehetővé, amikor akkumulátort használó eszközökben működtetjük gyakori adatolvasási műveletekkel.

MRAM

Az MRAM a nem felejtő memóriák közé tartozik, amely teljesen lekapcsolható, de képes gyorsan felébredni gyors írásra. A beágyazott MRAM-ot ígéretes technológiának tekintik az alkalmazásokhoz. Az MRAM-ban lévő adatokat egy pár ferromágneses lemezből kialakított mágneses elem tárolja, amelyek egy vékony dielektromos alagútszigetelővel vannak elválasztva. Az egyik lemez polaritását állandóan állítják, míg a másik mágnesezése megváltozik ahogy tárolja  a nullákat és az egyeket. A lemezek együtt mágneses alagút csomópontot (MTJ) képeznek. Ezek a memóriaeszköz építőelemei.

Az Optane DC tartós memóriájához hasonlóan az MRAM sem felejtő. Az Everspin Technologies, az MRAM technológia egyik vezető szereplője szerint a Toggle MRAM-ban 20 évig tárolhatóak az adatok a megfelelő hőmérsékleten. Az Everspin MRAM eszközöket úgy fejlesztették ki, hogy egyesítsék a nem felejtő memória és a RAM legjobb tulajdonságait. Ezzel pedig egyre több elektronikus rendszer számára lehetővé tegyék az azonnali bekapcsolás képességét és az áramkimaradás elleni védelmet. Az MRAM hihetetlenül gyors is, az Everspin egyidejű olvasási/írási késleltetési igénye a 35 ns tartományba esik. Ez kísértetiesen közel áll az SRAM teljesítményéhez, ami az MRAM-ot vonzó helyettesítőjévé teszi a mai felejtő memóriák számára.

A sűrűségükben a klasszikus MRAM-ok elmaradnak a DRAM-tól és flash mamóriától.

Az Everspin nemrég bejelentette a 32 MB-os készüléket. Összehasonlítva azonban elmondható, hogy a legnagyobb négy bit cellánkénti NAND alkatrészek 4 TB sűrűséget kínálnak. Az MRAM viszont kiemelkedik az IoT és az ipari alkalmazások területén, ahol teljesítménye az előny. A spin-transzfer nyomaték (STT-MRAM) a mágneses ellenállású technológia egy változata. Ez úgy működik, hogy az elektron spinjét egy polarizáló árammal manipulálják. Ez a mechanizmus kevesebb kapcsoló energiát igényel, mint a Toggle MRAM, így csökkentve az energiafogyasztást. Az STT-MRAM szintén méretezhető. Az Everspin önálló készülékei 256 MB és 1 GB kapacitással kaphatók. Egy olyan vállalat, mint a Phison, ebből egyiket a flash vezérlő mellé rakhatja, és csodálatos gyorsítótárazási teljesítményt biztosíthat az energiavesztés elleni védelem további előnyével. Akkor sem kell aggódni, ha beépített akkumulátorral rendelkező SSD-ket vásárolt. Az adatok mindig biztonságban lesznek, még váratlan leállás esetén is.

Az olyan vállalatok, mint az Intel, TSMC és UMC más célból érdeklődnek az STT-MRAM iránt. Szeretnék beágyazni a mikrovezérlőikbe. Az ezekben a modellekben jelenleg használt NOR flash-nek nehéz a kis gyártási csomópontokra való méretezés, míg az MRAM-t gazdaságosan lehet integrálni. Valójában az Intel már bemutatott egy dokumentumot, amely bemutatja a gyártásra kész 7,2 Mb MRAM tömböt, amely integrálva van a 22 nm-es FinFET alacsony fogyasztású folyamatába. A vállalat szerint az MRAM, mint beágyazott, nem felejtő memória potenciális megoldás az IoT, az FPGA és a lapkészletek számára, miközben on-chip indítási adatokra van szükség.

Az nem kérdés, hogy ennek a technológiának és a következő generációs memóriák tagjainak van jövője, hiszen már jelenleg is több felhasználási lehetőséget biztosítanak.

Az elkövetkezendő években a gyári padlótól az adatközpontig, a számítási erőforrások teljes kihasználása a töltés megszakítása nélkül új tárolási megközelítést igényel. Nyilvánvaló, hogy szükség van új memóriákra, amelyek a flash memória, a DRAM és az SRAM határival foglalkoznak. Míg az Optane elsősorban az adatközpontokra, a mágneses ellenállású RAM-ra vagy az MRAM-ra irányul, számos IoT eszköz is ígéretesnek mutatkozik. Ezekkel napi több ezerszer fogunk találkozni hamarosan.

Érdemes még megemlíteni a következő generációs memóriák közül, a Samsung és más vezetővállalatok  DDR5 dinamikus véletlen hozzáférésű memóriáját, melyekkel kapcsolatban a következő évben várhatjuk, hogy számítógépekben is megjelennek. Többek között, már az új DDR6 memóriák fejlesztése is megkezdődött.

A memóriák piacán nem kell csak egy nyertesnek lennie. Lehetséges, hogy a kialakuló memória mindhárom típusa a tárolási hierarchia különböző szintjein létezik majd egyidejűleg. Közös céljuk pedig az lesz, hogy az adatok mennyisége ne kerekedjen felül a hozzáférési technológiákon. Az Intel Optane DC tartós memóriája például már elegendő a második generációs Xeon méretezhető processzorokkal rendelkező szervereknél. Az MRAM-ot az SSD vezérlőkkel együtt használják az írás-gyorsítótárazásra a DRAM helyett. A ReRAM életképesebb mint valaha az Applied Materials Endura Impulse VP nagy volumenű gyártórendszerének köszönhetően.

A következő generációs memóriák cikk forrásai:

1. Violino B., (2019.10.18): What is big data analytics? Fast answers from diverse data sets, Inforworld

2. Dr. S. R. Gupta M. H. Padgavankar et al, (2014): Big Data Storage and Challenges,(IJCSIT) International Journal of Computer Science and Information Technologies, Vol. 5 (2) , 2014, 2218-2223

3. Global Next Generation Memory Market 2020-2025 Segmentation by Types, Regions, Key Players & Applications (2020.03.04.), MarketWatch

4. World Next Generation Memory Technologies Market – Opportunities and Forecasts, 2020-2027 (2020.04.), Alllied Market Researh

5. NEXT GENERATION MEMORY MARKET – GROWTH, TRENDS, AND FORECAST (2020 – 2025) , MordorIntelligence

6. Angelini C. (2019.11.13.), 3 emerging memory technologies that will change how you handle big data, VentureBeat

7. Szűts Z., Yoo J., (2016): „Big Data, az információs társadalom új paradigmája”, Információs Társadalom, XVI. évf. (2016) 1. szám, 8-28. old.

8. Samsung.com