Nichtflüchtiger Arbeitsspeicher

Innovationen bei nichtflüchtigem Arbeitsspeicher mit niedriger Latenz auf der Grundlage bahnbrechender Materialien und Forschung

Für den Arbeitsspeicher, auf den die CPU zugreift, werden heutzutage zwei Technologien verwendet: SRAM und DRAM. Beide sind flüchtig, das heißt, die gespeicherten Daten gehen verloren, wenn es zu einem Stromausfall kommt oder der Strom abgeschaltet wird. Daher wird ein neuer nichtflüchtiger Arbeitsspeichertyp (Persistent Memory oder Storage Class Memory/SCM) entwickelt und getestet, bei dem die Daten nicht bei Unterbrechung der Stromzufuhr verloren gehen.

Storage Class Memory

Die Latenz einer Speicherzelle ist die Zeit, die benötigt wird, um von der CPU angeforderte Daten an die CPU zu übermitteln. Die Latenz variiert je nach Anwendungsbereich und Architektur von Prozessor und Arbeitsspeicher. DRAM hat in der Regel eine Latenz zwischen 15 und 100 Nanosekunden, die Latenz von NAND liegt im Bereich von 80 bis 120 Mikrosekunden. Storage Class Memory (SCM) zielt darauf ab, die Lücke zwischen diesen Latenzen zu schließen.

Bestimmte Architekturen von SCM oder nichtflüchtigem Speicher mit geringer Latenz sind DRAM ebenbürtig, z. B. MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory). PCM (Phase Change Memory) und ReRAM (Resistive Random Access Memory) weisen Latenzzeiten zwischen DRAM und SSD auf. In der Literatur werden darüber hinaus weitere weltweit an Universitäten und in Labors erforschte Technologien und Speicherzellendesigns mit neuartigen Zellentypen beschrieben.

Western Digitals Initiativen im Bereich nichtflüchtiger Speicher

Die NVM-Gruppe innerhalb der Forschungsabteilung von Western Digital ist mit der Evaluierung aller in Betracht kommenden NVM-Speicherzellendesigns befasst.  

Speicherzellen müssen Daten nicht nur erfassen, sondern auch für einen Zeitraum speichern, der wirtschaftliche Nutzung sinnvoll macht. Die Arbeitsgeschwindigkeit der Zelle muss der angestrebten Latenz für SCM entsprechen, ihre Lebensdauer den Anforderungen für SCM. Die Speicherzelle muss mit den derzeit gängigen Verarbeitungsanlagen für Silizium herstellbar sein. Die Technologie muss sich auf immer kleinere Knoten skalieren lassen, um auf dem Markt für Datenspeicherprodukte wettbewerbsfähig zu sein.  

Um diese Ziele zu erreichen, untersucht das NVM-Team neue und hoch interessante Materialien, entwirft Speicherzellen, testet diese anschließend und stimmt die Speicherzellen auf die Zielspezifikationen für SCM NVM ab.  

Vielversprechende Speicherzellentechnologien müssen im Hinblick z. B. auf Materialien und Fertigungsprozesse optimiert werden, denn kein Design erfüllt auf Anhieb alle Spezifikationen. Um festzustellen, inwieweit die Technologie skalierbar ist, muss darüber hinaus geprüft werden, wie sich die Zelleneigenschaften mit abnehmender Zellengröße ändern.  

Nachdem das NVM-Forschungsteam ein geeignetes Speicherzellendesign erarbeitet hat, wird in Zusammenarbeit mit anderen Abteilungen bei Western Digital ermittelt, welche Schritte nötig sind, um ein marktfähiges Produkt daraus zu entwickeln. Hierbei umfasst das Spektrum unterschiedlichste Maßnahmen von der Integration des neuen Zelldesigns in Betriebssysteme bis hin zum Bau von Fertigungsanlagen für die neue Technologie.

Western Digital Nanoscale Lab

Um ihre Ziele zu erreichen, hat die Forschungsabteilung das Nanoscale Labor eingerichtet – eine in der Datenspeicherindustrie einzigartige Einrichtung.

Das Labor verfügt über Anlagen und Einrichtungen in den Bereichen Dünnschichttechnik, Mehrfachstrukturierung, Charakterisierung und Modellierung, um neue Materialien für Nanoscale-Geräte herzustellen, zu studieren und zu entwickeln.

Diese Materialien werden mit anderen Materialien verbunden und beschichtet. Produktion und Test der Nanoscale-Geräte finden im selben Labor statt. Tests mit einer weiteren Reihe von Tools zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften schließen den Zyklus von Materialentwicklung, Geräteentwicklung, Fertigung und Test ab.

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