IBM meldt doorbraak in ontwikkeling phase-change-geheugen

IBM-onderzoekers in het Zwitserse Zürich hebben een nieuw type geheugen verbeterd dat in de nabije toekomst moet leiden tot zeer snelle en betrouwbare opslag van data. Het geheugen is gebaseerd op pcm, of phase change memory.

Het nieuwe type pcm zou een doorbraak op geheugengebied betekenen. Het geheugen kan flashchips die in ssd's zitten en opslag voor mobiele apparatuur op termijn vervangen. De onderzoekers denken het geheugen in 2016 gereed te hebben voor commerciële toepassingen. Anders dan bij eerder ontwikkeld phase-change-geheugen kan IBM met het nieuwe type verschillende bits per geheugencel opslaan. Tot op heden lukte het alleen met één bit per cel om pcm stabiel te houden en betrouwbare data uit te lezen. De IBM-onderzoekers hebben twee-bits-per-cel-pcm ontwikkeld dat wel stabiel blijft en geen data verliest.

Het phase-change-geheugen werkt met een materiaal dat onder invloed van een spanningspuls verandert van een kristallijne structuur in een amorfe structuur. Daarbij verandert de interne weerstand van laag naar hoog. Een tweede, andere puls verandert de toestand of fase weer terug. Dit verschijnsel levert instelbare weerstanden in het pcm-materiaal op, zodat de weerstand kan worden gebruikt als datadrager.

Om dataretentie in hun geheugencellen betrouwbaar te maken, moesten de onderzoekers een manier vinden om de interne weerstand van het geheugen constant te houden. Zij bewerkstelligen dit door algoritmes te hanteren die de veranderingen in weerstand van individuele cellen vergelijkt. Binnen bepaalde gebieden zal de toe- of afname van weerstand identiek zijn, waardoor variaties zijn te berekenen.

Ook tijdens het schrijven kan de gewenste weerstand niet altijd in één schrijfpuls worden bereikt. Door de na het schrijven gemeten weerstand terug te koppelen en nogmaals een schrijfpuls te geven, kan de gewenste weerstand van het pc-materiaal zeer precies worden ingesteld. De twee bits per cel worden gerealiseerd door verschillende weerstandsniveaus; vier interne weerstanden zorgen voor een binaire 00, 01, 10 en 11.

Volgens de onderzoekers zou het schrijven sneller verlopen dan bij flashgeheugen. De datadichtheid en de schaalbaarheid van het geheugen zouden vergelijkbaar zijn met flashgeheugen. Het aantal schrijfcycli zou veel hoger zijn; de onderzoekers spreken van miljoenen lees- en schrijfcycli. Het geheugen wordt getest met behulp van op 90nm geproduceerde testchips, die met cmos-techniek gemaakt worden. Een duurtest voor de retentie heeft al aangetoond dat het geheugen gedurende ten minste vijf maanden data kan vasthouden.

Reacties (39)

[Fealine]

Dat is interessant nieuws; de bron vermeld ook nog een indicatie voor de snelheids verbetering:

Despite using the iterative process, the scientists achieved a worst-case write latency of about 10 microseconds, which represents a 100× performance increase over even the most advanced Flash memory on the market today.

Als dit haalbaar is dan gaan we wellicht naar de 20 GB/s voor SSD's

@BastiaanCM: Je hebt helemaal gelijk, dit gaat om de latency en niet de schrijf snelheid.

[Reactie gewijzigd door Fealine op 31 juli 2024 10:30]

[BastiaanCM]

Toegangssnelheid =! Schrijfsnelheid.

[supersnathan94]

klopt, maar als het aantal iops hoog is zou je opzich redelijk snelle SSD’s kunnen realiseren.

dat gezegd zie ik ineens dit: Het geheugen kan flashchips die in ssd's zitten vervangen.

en ik denk niet dat ze daarbij gaan inleveren op snelheid gezien het feit dat ze deze techniek pas in 2016 willen toepassen

[BRAINLESS01]

Dan wordt, alsvanouds, de cpu (of het transport naar de cpu) weer eens de bottleneck

[fevenhuis]

Het overzichtje op de bron geeft anders aan dat de snelheid van PCM geheugen en dit nieuwere MLC-PCM gheugen adequaat wordt genoemd in vergelijking met de snelheid van "snel" DRAM geheugen.

Het lijkt er dus niet op dat het voordeel van PCM geheugen niet de snelheid is maar de schrijf-cycli die het kan uitvoeren.

[Reactie gewijzigd door fevenhuis op 22 juli 2024 22:38]

[osmosis]

"Een duurtest voor de retentie heeft al aangetoond dat het geheugen gedurende ten minste vijf maanden data kan vasthouden."

Ik ben hier niet helemaal thuis in, maar betekend dat het in bedrijf 5 maanden data kan vast houden ? of is dat alleen van toepassing zodra de stroom eraf gaat ?

[PiepPiep]

Gewoon DRAM (http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_random-access_memory) heeft ook een retentie en heeft dus een refresh signaal nodig.
Ik kan me voorstellen dat als het geheugen zo'n refresh signaal krijgt dat het gewoon de data blijft behouden.
Voor backup doeleinden zou het dan alleen nuttig zijn als je het wel afentoe nog even aansluit zodat het een refresh kan krijgen.

[DaManiac]

Dat is correct, maar als ik een harde schijf die hier al 7 jaar op de plank ligt weer aansluit staat de data er nog steeds op!
Aangezien dit gezien wordt als de vervanger van Flash-geheugen (SSD), is het belang van retentie dus aanzienlijk.

Voor de mensen die willen weten hoe dit werkt:
Dit is hetzelfde principe als CD-RW en DVD-RW.
Bij voorgeperste/gebrande cd's en dvd's worden er putjes in het materiaal gebrand. Bij een CD-RW en DVD-RW worden geen putjes meer gemaakt, maar wordt het materiaal plaatselijk veranderd van structuur door het te verwarmen. Je krijgt dan gebiedjes die niet meer mooi kristallijn zijn, maar amorf. De laser onderscheid deze gebiedjes dan ten opzichte van het normale kristallijne gebied, net zoals hij een putje van een cd kan onderscheiden.

Bij deze variant is er natuurlijk geen laser nodig, maar wordt de verandering van weerstand gedetecteerd (Amorf heeft een hogere weerstand dan kristallijn).

[Reactie gewijzigd door DaManiac op 31 juli 2024 10:30]

[ByteDelight]

Klinkt alsof de eerste generatie van het PCM wellicht vooral interessant is voor hybride toepassingen, zoals als die conventionele harde schijven met flash geheugen.
Bij die toepassing is het ergste dat kan gebeuren dat data niet meer te gebruiken is als de retentie verstreken is, maar dan wordt de data opnieuw van de platters gelezen.

Retentie is ook naar mijn mening een kritisch aspect.

In de technische documenten van b.v. de Intel ssd's kan ik niets over retentie terugvinden, terwijl je ook daar zou verwachten dat de opgeslagen data vergankelijk is.

Als ik ernaar google zie ik 'data retention' alleen maar geassocieerd het maximale aantal schrijfbewerkingen per cel, niet aangaande de duur van de periode dat de data in de cellen opgeslagen kan zijn voordat het niet meer leesbaar is.

In feite is het zelfs bij harde schijven natuurlijk zo dat de opgeslagen data niet eeuwig benaderbaar is.
Maar ik betwijfel of er iemand ons tweakers is die meegemaakt heeft dat data op z'n harde schijf na verloop van tijd niet meer leesbaar was om die reden.
Dat is overigens wat anders dan bad sectors.

[Reactie gewijzigd door ByteDelight op 31 juli 2024 10:30]

[DaManiac]

Uit een flyer van Kingston Flash Memory:

"Kingston Flash Data Retention: Kingston Flash storage devices are rated for up to 10 years under normal use. Important information should also be backed up on other media for long-term safekeeping."

http://www.kingston.com/products/pdf_files/FlashMemGuide.pdf

Dan heeft dit geheugen dus nog wel een ontwikkelingsslag te maken...
10 jaar lijkt me wel een redelijke retentietijd.

[Reactie gewijzigd door DaManiac op 31 juli 2024 10:30]

[Fealine]

Nee, dit geeft aan dat de duurtest inmiddels al 5 maanden zonder problemen draait.

[Xuj]

Meteen begrijpelijk waarom ze 2016 zeggen, als een test aangeeft zat het geheugen de data maar een maand of vijf kan vasthouden. Dit lijkt vrij lang, maar ik heb bepaalde dingen op de hdd staan die er toch langer op blijven (i.e. films die je later terug wilt zien).

Hier wordt geheugen genoemd, dan denk ik meteen aan RAM, maar het is dus een vervanger voor bijvoorbeeld flash chips in een SSD. Een vervanger met een gelijke datadichtheid, maar een veel hogere schrijfsnelheid.
We zullen het zien.

[Fealine]

De test geeft niet aan dat de retentie 'maar 5 maanden' is, maar geeft aan dat deze nu al minimaal 5 maanden zonder problemen draait.

Een duurtest voor de retentie heeft al aangetoond dat het geheugen gedurende ten minste vijf maanden data kan vasthouden.

[OddesE]

Lijkt me niet zo'n probleem om de cellen tijdens het gebruik af en toe te verversen. Dus even de data opnieuw schrijven zodat je weer 5 maanden hebt. Bij een SSD moet dit prima kunnen.

[Verwijderd]

Als daar de bootcode voor mijn laptop op staat en die wordt 5 maanden niet gebruikt heb ik toch een probleem... En als je het als vervanger van de huidige USB sticks en geheugenkaartjes wil gebruiken ook.

[latka]

Gewoon als cache op een HD. 500Gb schijf + 500Gb van dit geheugen en blazen maar

[dgompie]

Wat waarschijnlijk betekent dat ze 1 proef exemplaar 5 maanden geleden volgeschreven hebben, en sindsdien alleen af en toe (of constant) uitlezen. Over 1 maand hebben ze een half jaar retentie

[theeck]

Nog leuker, als dit zo doorgaat met de snelheid kunnen we straks het ram geheugen ook vervangen door deze chips.

[Verwijderd]

Rond die tijd zijn ram chips misschien ook wel een stuk sneller

[Relief2009]

Dat betwijfel ik eerlijk gezegd. DDR3 moeten we weer een tijd meedoen en rond 2016 hebben we ddr4/5. Ik ga er niet van uit dat we dan met met dermte snel geheugen zitten dat we dit niet nodig hebben.

Ik ben benieuwd of we straks helemaal geen ram meer nodig hebben en dat we dus een combi krijgen van hardeschijf + ram.

[tijs14tijs]

Het wordt nog beter:

De apu's van AMD zullen in 2016 wel het vloeiende Crysis niveau hebben bereikt dus gpu's zijn dan ook niet meer nodig

Dus nu hebben we: RAM, intern geheugen, CPU, GPU, etc
In 2016 hebben we: PCM, APU, etc

LOL

[naarden 4ever]

Dus jij probeert nu de technologie van 2016 in een situatie van 2010 te plaatsen... Goede vergelijking. De wet van Moore bekend bij u? Het aantal transistors in een chip verdubbelt elke twee jaar? Kortom, in 2016 hebben we Crysis 4/5 die bouwt op de prestaties van een dan hedendaagse midstream tot high-end videokaart. U prijst dus nu een hedendaagse APU omdat hij Metal Gear Solid 3 vloeiend weet te spelen. Niet te indrukwekkend lijkt me.

Over het onderwerp: Dan vraag ik me af, hoelang gaat het uiteindelijk dragen. Want als dit DRAM na een maand of wat zijn bitwaarden begint te verliezen kan het tape voorlopig nog niet weg. Voor RAM-geheugen is het prima, maar daarvoor is het niet ontwikkelt. Dit klinkt, zoals hierboven genoemd, een beetje naar het principe van een DVD-RW, en dat is niet te betrouwbaar. Ik heb nu ook bestanden die ik dagelijks lees, maar niet aanpas. Zouden deze ook na verloop van tijd langzaam vervagen? En is die 5 maanden met of zonder refreshes? En bestanden die gewoon opgeslagen zijn, maar nooit gebruikt, blijven die bestaan? Niet te irrelevant!

[Mijzelf]

De vier bits per cel worden gerealiseerd door verschillende weerstandsniveaus; vier interne weerstanden zorgen voor een binaire 00, 01, 10 en 11.

Dat zijn maar twee bits. Voor 4 bits heb je 16 niveaus nodig.

[Roland684]

Ik had gedacht dat de bron misschien sprak van "4 bit positions", maar nee, daar staat gewoon (correct)

IBM scientists used four distinct resistance levels to store the bit combinations “00”, “01” 10” and “11”

[-Tom]

In het bronartikel wordt geschreven over een 'worst-case' schrijfsnelheid van 10 µs. Wellicht interessant om het volgende stuk te lezen, om een vergelijking te kunnen maken met het huidige flash-geheugen.

Despite using the iterative process, the scientists achieved a worst-case write latency of about 10 microseconds, which represents a 100× performance increase over even the most advanced Flash memory on the market today.

Niet te bevatten, na de aanschaf van een solid state drive was ik al stijl achterovergeslagen door de verbazingwekkende snelheid.

Edit: bedankt, Damic

[Reactie gewijzigd door -Tom op 31 juli 2024 10:30]

[Damic]

Amaai 10ms is echt wel lang, bedoel je niet µs

[Chromys]

dit gaat over latency (toegangssnelheid), niet schrijfsnelheid...

[SL600]

Natuurlijk vermeldt IBM er niet bij dat het energiegebruik wat hoger ligt dan de capacitieve variant. Resistieve componenten hebben als eerste eigenschap de Ohmse wet en dat zegt dat weerstanden gepaard gaan met warmteontwikkeling. Dus een heleboel geheugen cellen naast elkaar, heeft een hoop warmte ontwikkeling als gevolg. Daarnaast zal de hoge lees -en schrijffrequentie de vervelende neven-effecten van de weerstand versterken en dat zorgt voor nog meer warmteontwikkelingen.

Kortom, geheugen cellen op basis van weestanden hebben echt wat tijd nodig om ge-tuned to worden voordat ze commercieel toepasbaar worden.

It's a tough job, but somebody's got to do it!

IBM bravo.

[Reactie gewijzigd door SL600 op 31 juli 2024 10:30]

[leuk_he]

Als een puls vervolgens 100 keer zo kort duur dan bij flash wordt het weer zuiniger.

Maar heb je bronnen? Of een bron die capacitief en resisive vs snelheid vs vermogen uitlegd?

[SL600]

Ik ben het met je eens. Korte pulsen betekent minder energie gebruik. Dat is tevens het grote voordeel van weerstanden; ze zijn in theorie oneindig snel.

Ik wilde je juist de theorie besparen. Maar als je echt geinteresseerd bent, dan kun je hier wat verder lezen. http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_impedance#Resistor Je bent gewaarschuwd, het is vrij heftig spul

Ik ben een die hard electro'er

[DCG909]

Als ze dit weer één stap door ontwikkelen, kunnen ze veel meer bits erop kwijt. Het hangt allemaal van je "meet/lees" en "schrijf" mechanisme af, hoe preciezer, hoe meer bits.

Grappig dat ze hier amorf materiaal gebruiken, want dit is o.a. rubber en glas.

[Verwijderd]

Ik ben benieuwd of het dan mogelijk wordt pc's te bouwen waarbij het geheugen gelijk is aan de hd. Geen boottijd, geen opslaan of laden van files. Lijkt me leuke ontwikkeling.

[cnieuweboer]

Dan zal een crash wel gelijk je installatie om zeep helpen.

[DCG909]

Niet als je de data mirrord, en zolang je voltage in het materiaal niet veranderd is blijft je data intact

[tinoz]

is dit geheugen IBM-PC compatibel?