Флеш-память стареет от записи и требует стирания блоками. Три альтернативных типа решают обе проблемы — каждый по-своему и за свою цену.
Среди работ, представленных на отраслевом форуме петербургскими исследователями, выделяется блок по энергонезависимой памяти. Направлений три: магниторезистивная, на фазовых переходах и сегнетоэлектрическая. Рядом идут нейроморфные вычисления, карбидокремниевые технологии для беспилотных систем и высокопроизводительные вычислительные элементы.
Набор не случайный, и связь между этими темами прямее, чем кажется.
Чем плоха привычная флеш-память
Чтобы оценить альтернативы, нужно понимать ограничения того, что применяется сейчас.
Флеш-память хранит заряд в плавающем затворе транзистора. Запись и стирание выполняются приложением высокого напряжения, которое протаскивает носители заряда через тонкий диэлектрик. Каждая такая операция понемногу повреждает диэлектрик — отсюда конечный ресурс, который у современной многоуровневой памяти измеряется тысячами циклов на ячейку.
Второе ограничение: стирать приходится блоками. Изменить один байт нельзя — нужно стереть весь блок и записать заново. Для микроконтроллера, ведущего журнал событий, это означает сложную логику и износ.
Третье: запись медленная и энергозатратная, а напряжение для неё нужно повышенное, что требует отдельной схемы на кристалле.
Три альтернативы
Магниторезистивная память хранит бит не зарядом, а направлением намагниченности в тонком магнитном слое. Чтение выполняется по изменению сопротивления структуры. Преимущества: практически неограниченный ресурс перезаписи, скорость, сопоставимая со статической памятью, побайтовая адресация и высокая стойкость к излучению — заряд выбить можно, направление намагниченности частицей не перевернуть. Недостаток — плотность записи ниже, чем у флеш-памяти, и выше стоимость за бит.
Память на фазовых переходах использует материал, который под нагревом переходит из аморфного состояния в кристаллическое и обратно. Сопротивления этих состояний различаются на порядки, по ним и читается бит. Преимущества: высокая плотность, возможность записывать промежуточные состояния, то есть хранить больше одного бита в ячейке. Недостатки — заметное потребление при записи, поскольку материал нужно нагреть, и постепенный дрейф сопротивления со временем.
Сегнетоэлектрическая память хранит бит направлением поляризации в сегнетоэлектрическом материале. Преимущества: очень низкое потребление при записи, высокая скорость, большой ресурс. Недостаток — исторически трудная совместимость с обычным технологическим маршрутом, хотя с появлением материалов на основе оксида гафния ситуация улучшилась.
При чём здесь нейроморфные вычисления
Вот где становится понятно, почему эти темы идут в одном докладе.
В нейронной сети основная операция — умножение входных значений на весовые коэффициенты с последующим суммированием. В обычной архитектуре веса хранятся в памяти, их приходится переносить к вычислителю, и на этот перенос уходит больше энергии, чем на сами вычисления.
Нейроморфный подход предлагает выполнять операцию прямо в массиве памяти. Если сопротивление ячейки задаёт весовой коэффициент, а на строки подаются напряжения входных сигналов, то по закону Ома через каждую ячейку потечёт ток, пропорциональный произведению, а по закону Кирхгофа токи в столбце сложатся. Умножение и суммирование выполняются физикой, без переноса данных.
Для такой схемы нужны ячейки с управляемым сопротивлением, способные хранить промежуточные значения и выдерживать множество перезаписей. То есть ровно те свойства, которыми обладают перечисленные типы памяти.
Почему это разумное направление для микроэлектронной отрасли
Общее у всех перечисленных тем одно: результат здесь не определяется топологической нормой.
Ячейка магниторезистивной памяти работает на зрелых нормах. Карбид кремния — отдельный материал со своей технологией, где конкуренция идёт по качеству подложек. Нейроморфная архитектура даёт выигрыш за счёт устройства вычислений, а не за счёт размера транзистора.
