יבמ: טכנולוגיה חדשה עשויה להחליף את זיכרון הפלאש ולהוביל לאחסון במהירות גבוהה פי 100

יבמ (IBM) חשפה התקדמות משמעותית בדרך לפיתוח טכנולוגיה חדשה לזכרונות מחשב, המכונה זיכרון שינוי פאזה או PCM (ר"ת phase-change memory), שתאפשר לדברי החברה, "קפיצת מדרגה בעולם טכנולוגיית המידע והאחסון".

טכנולוגיית PCM שפיתחו חוקרים במעבדת המחקר של יבמ בציריך, אמורה להוות חלופה לטכנולוגיות הזיכרון והאחסון הקיימות כגון זיכרון הפלאש, והיא עשויה לאפשר רמות חדשות של ביצועים בשנים הבאות. היא מבשרת פוטנציאל לאחסון יציב וצפוף של נתונים, במהירות גבוהה פי 100 וברמות אמינות ועמידות טובות יותר מאלה של זיכרונות פלאש המוכרים ונפוצים כיום, החל מהתקני אחסון בממשק USB ועד לדיסקים SSD.

כך, למשל, תאפשר טכנולוגיית PCM לאתחל מחשבים ושרתים באופן מיידי, תוך שיפור משמעותי בביצועי מערכות טכנולוגיות מידע. שלא כמו זיכרונות פלאש הקיימים כיום, המוגבלים לפעילות של כ-30 אלף מחזורי כתיבה ומחיקה – יכולים רכיבי PCM לבצע 10 מיליון מחזורי פעולות כאלה לפני שתירשם ירידה בביצועיהם.

השיפורים המשמעותיים אותם הכניסו מדעני יבמ לטכנולוגיה, מקצרים את הדרך לפיתוח מערכות זיכרון זולות יותר, מהירות יותר ועמידות יותר למכשירי צריכה – ובכלל זה טלפונים סלולריים – כמו גם לסביבת אחסון בענן, ולמערכות בעלות ביצועים גבוהים דוגמת שרתי אחסון ארגוניים.

ביבמ צופים, כאמור, כי הטכנולוגיה החדשה תאפשר קפיצת מדרגה בעולם טכנולוגיות המידע והאחסון הארגוני, ובכלל זה סביבת ענן מיחשוב – הצפויה להתממש עד שנת 2016.

החוקרים של יבמ הצליחו, לראשונה, להוכיח כי תא זיכרון PCM יכול לאחסן באופן אמין מספר סיביות מידע בכל תא, למשך זמן ארוך. על מנת להציג את האמינות הזאת, נדרשו המפתחים ביבמ לשפר נקודות מרכזיות בתהליכי הכתיבה והקריאה של הזיכרון. הם השתמשו בטכניקות מתקדמות לקידוד, המאפשרות למזער את היקף הבעיה של שינוי בסיביות המידע הנוצר עם הזמן.

עד היום, הצליחו חוקרים לאחסן באופן אמין רק סיבית מידע בודדת בכל תא זיכרון PCM. אחסון של יותר מסיבית אחת, עורר בעיות של שינוי ברמת ההתנגדות החשמלית הנוצר עם הזמן ומוליד שיבושים בקריאת הנתונים.

טכנולוגיית PCM נשענת על מעקב אחר השינוי ברמת ההתנגדות החשמלית של החומר – סגסוגת של מספר מרכיבים. השינוי ממצב של קריסטל, המאופיין בהתנגדות נמוכה, למצב אמורפי, המציג התנגדות גבוהה – מייצג שינוי בסיבית בודדת. תא זיכרון PCM מורכב מהחומר המשנה פאזה, המונח בין אלקטרודה עליונה לאלקטרודה תחתונה. השליטה בשינוי הפאזה מתבצעת באמצעות העברת זרם בעוצמות שונות, בין שתי האלקטרודות האלה. העברת הזרם מחממת את החומר משנה הפאזה, וחציית ערכי סף מוגדרים של טמפרטורה מובילה לשינוי הפאזה המוליד שינוי בהתנגדות החשמלית – אותו ניתן לנצל לצורך רישום סיבית מידע בודדת (חיווי 0 או 1 במצב של התנגדות גבוהה או נמוכה).

עוצמת הזרם המועברת דרך החומר קובעת איזו כמות של החומר המונח בין האלקטרודות תעבור שינוי פאזה – מה שישפיע ישירות בתורו על התנגדות התא כולו. המדענים מעריכים כי באופן כזה אפשר יהיה לאחסון יותר מסיבית אחת בכל תא זיכרון. בעבודה הנוכחית, השתמשו מדעני יבמ בארבע רמות שונות של התנגדות על מנת לאחסן את הצירופים 00, 01, 10 ו-11.

שיטת המדידה המתוחכמת החדשה, שפותחה על ידי החוקרים לצורך קריאה מדוייקת של המידע המאוחסן בתא כזה, נשענת על מדידת הסטייה הנדרשת בעוצמת האותות החשמליים. רמת ההשהיה המירבית (Latency) בתהליך הכתיבה החדש עומדת על 10 מיקרו-שניות – פי מאה מהיר יותר מהזכרונות הנדיפים המתקדמים ביותר הזמינים כיום.

השבבים אותם הצליחו החוקרים לייצר במסגרת הניסוי הנוכחי, כוללים 200 אלף תאי זיכרון, ומיוצרים בתהליך CMOS סטנדרטי בתעשייה, בטכנולוגיה של 90 ננומטר. יצור שבב הניסוי התבצע בשיתוף פעולה בין חוקרים ומדענים של יבמ בציריך, מהנדסים במפעלי יבמ בברלינגטון-ורמונט וביורקטאון ניו יורק. שבב הניסוי פעל בהצלחה משך יותר מחמישה חודשים רצופים, באופן המוכיח כי שבבי PCM בריבוי סיביות לכל תא אחסון אכן מסוגלים להגיע לרמות אמינות המתאימות ליישומים פרקטיים.