Research

Next-gen Phase-change Memory


ดร.สุรชัย องกิตติกุล  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ 
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
14 พฤษภาคม 2557  

     IBM ได้ แสดงให้เห็นถึง รูปแบบใหม่ของ เทคโนโลยีหน่วยความจำ ที่เชื่อว่า ในอนาคต อาจจะ แทน NAND Flash โดย Theseus Project ของ IBM ซึ่งร่วมมือกับมหาวิทยาลัย Patras ของประเทศกรีซ เป็นความพยายามครั้งแรก ที่จะรวมหน่วยความจำแบบ phase-change memory (หรือที่รู้จักในชื่อ PCM, PCME, PRAM, PCRAM, Ovonic Unified Memory, Chalcogenide RAM และ C-RAM) เข้ากับ NAND และ DRAM โดยใช้คอนโทรลเลอร์เดี่ยว ลักษณะจะเป็นแบบการจัดเก็บไฮบริด ที่มีประสิทธิภาพดีกว่า SSDs PCIe –based ตั้งแต่ 12 ถึง 275 เท่า

ทำความรู้จักกับ  PCM
     PCM  เป็นหนึ่งในจำนวนของโครงสร้างหน่วยความจำทางเลือกที่ได้รับการเสนอให้แทน NAND Flash หลักการทำงาน กระทำโดยการให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว แก้วชาลโคจีไนด์  เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนเฟสของสถานะสาร การเปลี่ยนจะเปลี่ยนไปมาระหว่างโครงสร้างผลึก (crystalline state ) และ โครงสร้างอสัณฐาน(amorphous state) คุณสมบัติดังรูป โครงสร้างผลึกจะความต้านทานต่ำ มีความเป็นระเบียบของ (อ่านเป็นข้อมูลไบนารี 1 ), ในทางกลับกันโครงสร้างอสัณฐานมีความต้านทานสูงมาก ไม่มีความเป็นระเบียบ  (อ่านเป็นข้อมูลไบนารี 0 ) แก้วชาลโคจีไนด์ไม่ได้เป็นสสารชนิดใหม่แต่อย่างใด เป็นสสารที่มีใช้อยู่ในอุปกรณ์ทางแสงอยู่แล้ว เช่น แผ่น CD-ROM

     PCM มีศักยภาพสูงกว่า NAND Flash ทั้งความอ่านเร็วในการอ่านและจำนวนครั้งการเขียนที่มากกว่าคือสามารถทนต่อกรเขียนเป็นล้านรอบ เมื่อเทียบกับ NAND flash ระดับไฮเอนด์ ที่สามารถทำได้เพียง 30,000 รอบ และเป็นเพียง 1,000 รอบ NAND Flash 

     แผนภูมินี้แสดงให้เห็นตัวอย่างของการใช้งาน PCM ที่อาจจะมีประโยชน์ ในหลายกรณี PCM จะถูกออกแบบเป็นหนึ่งตัวเลือกของแคชหรือเป็นชั้นเพิ่มเติมของการจัดเก็บระหว่าง NAND และ DRAM เช่นเดียวกับ NAND มักจะถูกรวมกันระหว่าง DRAM และฮาร์ดไดรฟ์แบบเดิม Theseus Project ออกแบบต้นแบบของ PCM ไว้โดยรวมตัวควบคุมสำหรับข้อมูลขนาด 2.8GB ( ความจุ 128Mbit จำนวน 36 set  ต่อ 1 card รวมทั้งสิ้น 5 card ) โดยเรียกว่า Prototype Storage Subsystem-PSS

     ข้อดีของ PCM จะแสดงในรูปข้างบน โดยแสดงให้เห็นการทำงานตอบสนองการร้องขอแบบต่างๆ สังเกตการตอบสนองของ PSS โดยกลุ่มใหญ่จะเสร็จสิ้นภายใน 500 microseconds สำหรับ MLC ( Multi-level cell ) ทั้งสองแบบ ทำได้ที่ 14,000 และ 20,000 microseconds เมื่อเทียบกับ 2,000 microseconds สำหรับ PSS (ช่วงเวลาทั้งหมด) ในขณะที่ TLC ( Triple-level cell ) ทำสำเร็จที่ 120,000 microseconds 

     ในช่วงเวลาเริ่มต้นของ PCM ถูกสร้างขึ้นบนเทคโนโลยี CMOS 90nm ที่ความหนาแน่นต่ำมาก ( NAND Flash ปัจจุบันทำได้ถึง 512Gbit เมื่อเทียบกับขนาด 128Mbit เพื่อ PCM) ซึ่งถ้า PCM ถูกสร้างขึ้นบนเทคโนโลยีเต็มรูปแบบของขนาด NAND เชิงพาณิชย์ จะทำให้ได้ประสิทธิภาพการทำงานของ PCM ที่เหนือกว่าอย่างมากมาย

     บทสรุป อย่างไรก็ดี Micron บริษัทผู้ผลิต PCM ได้หยุดสายการผลิตเมื่อต้นปี ซึ่งทำให้การพัฒนาจะอาจถูกหยิบยกมาใช้หรือไม่ในอนาคต แต่เป็นที่คาดว่าน่าจะมีเทคโนโลยีที่เหนือกว่านั้นคือ 3D NAND (แม้จะมีปัญหามากมายที่ระบุว่าด้วยเทคโนโลยีระยะสั้น)  ซึ่งสอดคล้องกับ ITRS (The International Technology Roadmap for Semiconductors) ตั้งข้อสังเกตว่าผลการดำเนินงานโดยใช้ NAND ไม่คาดว่าจะเพิ่มขึ้นจริงมากจากระดับปัจจุบัน ขณะที่การปรับปรุงความหนาแน่นของการเขียนและประสิทธิภาพเป็นเรื่องที่ยากมากขึ้น ทำให้ PCM เป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มมากที่สุดหน่วยความจำรุ่นต่อไปในตลาด แต่ถ้าไม่มีใครก้าวไปข้างหน้าในการผลิตมันก็จะยากเช่นกัน

 

<< ย้อนกลับ