Выполнили ученики 10 класса МБОУ-СОШ с.Красное Знамя Бугров Денис Грибанова Наталия у.г.

Запоминающие устройства будущего это компактные и недорогие носители с более высокой скоростью работы, нежели у SSD-накопителей на основе микросхем флеш- памяти. Твердотельные диски в настоящее время поль­ зуются огромной популярностью носители данных на основе ячеек флеш-памяти встре­ чаются практически везде: в планшетах, смарт­ фонах, ноутбуках и даже десктопных компью­терах. Эти быстрые запоминающие устройства обеспечи­ вают высокую производительность в сочетании с мошной аппаратной частью. В качестве возможных преемников твердотельных нако­ пителей на основе флеш-памяти рассматриваются раз­личные технологии хранения данных. В разработ­ке высокоскоростных запоминающих устройств буду­щего участвуют такие крупные компании, как IBM, Toshiba и Fujitsu. Только они располагают ресурсами, достаточными для изучения десятков способов создания запоминающего устройства с более высокими скоростью чтения и записи, надежностью хранения данных и энергоэффективностью по сравнению с SSD-накопителями.

Накопитель S0N0S: ловушка электронов ключ к высокой производительности. Попытка решения именно данной проблемы была пред­принята при создании накопителя на основе памяти SONOS. В разработанной компаниями Philips и Spansion технологии для записи требуется в два раза меньшее напря­жение по сравнению с флеш - памятью. Благодаря этому накопитель на основе SONOS способен выдержать в раз больше циклов перезаписи. Ячейки SONOS - памяти имеют такую же структуру, как и у флеш - памяти, однако запоминающий элемент состоит не из кремния, а из нитрида кремния. Данный материал обладает более равномерной молекулярной структурой, что позволяет прочно удерживать электроны. Поэтому изоляционный слой может быть тоньше и иметь менее сложное строение, что обеспечивает высокую компактность и простоту тех­нологии производства.

FeRAM: переключаемые молекулы продлевают срок службы. Вместо циклов записи, которые может выдержать флеш - память, ячейка на основе FeRAM, по имеющейся информации, теряет свою способность к хранению дан­ных после 10 квадриллионов циклов перезаписи, то есть она практически вечна. Над этой технологией работают исследователи таких компаний, как Ramtron, Fujitsu и Texas Instruments. В отличие от флеш - и SONOS-памяти ферроэлектрическая сохраняет данные путем смещения атомов операции, которая теоретически может выпол­няться неограниченное количество раз. К преимуществам FeRAM относится низкое напряже­ние, необходимое для записи данных. В результате тех­ нология в сравнении с флеш - памятью обеспечивает наполовину или на четверть более низкое энергопотре­бление. Сам процесс переключения в ячейке памяти FeRAM осуществляется очень быстро: она способна записать бит за один цикл записи продолжительностью 150 не. Это приблизительно в 67 раз быстрее, чем у флеш - памяти, продолжительность цикла записи кото­рой составляет 10 микросекунд.

MRAM: магниты хранят информацию вечно. Носителем информации в MRAM являются магнитные моменты, обеспечивающие высокую скорость переклю­чения и способные длительное время сохранять свое сос­тояние и изменять его, в отличие от флеш - памяти, не­ограниченное количество раз.Принцип MRAM прост: рядом друг с другом расположены два ферромаг­нитных слоя. Один из слоев постоянно на­магничен в определенном направлении, а у дру­гого этот параметр может изменяться под дейст­вием внешнего поля и принимать одинаковое с пер­вым или противоположное ему направление. Если оба слоя намагничены в одном направлении, то проходя­щий через два элемента ток чтения встретит низкое сопротивление ячейка примет значение «1». Второй вариант характеризуется высоким сопротивлением, что соответствует значению «О». MRAM обладает коротким временем отклика тео­ ретически оно может достигать одной наносекунды. Благодаря этому MRAM обеспечивает до 1000 раз более высокую скорость записи, чем флеш - память.

Phase Change Memory: высокая скорость благодаря технологии CD-RW. Технология Phase Change Memory (память на основе фазового перехода) в перспективе будет обеспечивать в 100 раз более высокую в сравнении с флеш - памятью пропускную способность и большую плотность запи­си данных. В то время как основные методы хране­ния информации основываются на электрических или магнитных эффектах, PRAM работает благодаря физи­ ческим изменениям в материале. В ней использует­ся такой эффект, при котором материал фазово­го перехода, сходный с материалами, применяемыми в перезаписываемых оптических накопителях, мо­жет принимать одно из двух состояний кристаль­ное, характеризующееся низким электрическим со­ противлением, и аморфное, в котором данный, пока­ затель повышается. При записи в ячейку под действием импульсов то­ка материал принимает различные состояния. Длинный импульс вызывает плавление материала, который при охлаждении переходит в твердое состояние с беспоря­ дочным молекулярным строением, короткий разогре­ вает его до небольшой температуры, при которой образу­ется упорядоченная кристаллическая структура. Как и в случае с MRAM, чтение содержимого ячейки осу­ ществляется путем измерения ее электрического сопротивления.

ReRAM и CBRAM: миниатюризация как козырь. В то время как многие современные технологии хране­ния данных достигли предельных размеров ячеек памя­ти, ReRAM (резистивная) и Conductive Bridging RAM (память с проводящим мостом) позволяют создавать еще более миниатюрные элементы вплоть до вели­чины нескольких ионов. Обе технологии работают по одному принципу: внутри слоя изоляции создаются токопроводящие мостики (см. схему слева), которые затем ликвидируются. Отличия заключаются в матери­алах. В случае с ReRAM изоляционный слой состоит из диэлектрика материала, электроны которого не могут свободно передвигаться. В исходном состоянии он блокирует напряжения чтения между электродами, и ячейка принимает значение «0». Для записи «1» кон­троллер подает на электроды высокое напряжение, которое пробивает диэлектрик и оставляет токопрово­дящие каналы. В этом состоянии ток чтения способен преодолеть диэлектрик, и ячейка в качестве записанной информации выводит значение «1». Для записи нуля подается обратное напряжение, которое разрушает соз­данные ранее каналы.

Ячейка памяти CBRAM имеет схожую структуру раз­ница лишь в том, что один из двух электродов состоит из электрохимически активного материала, например сере­бра, а другой из неактивного вещества, например воль­ фрама. Электроды отделены друг от друга слоем электро­лита, выступающим в качестве изолятора. Таким образом, ток чтения блокируется, в результате чего ячейка при­нимает значение «0». Для записи «1» контроллер подает высокое напряжение на электрод из вольфрама. Благода­ря этому между электродами возникает нанотрубка. Нанотрубка снижает сопротивление ячейки, в результа­те чего та выводит значение «1». Для перевода ячейки памяти CBRAM в состояние со значением «0» ток течет в противоположном направлении и разрушает нанотрубку.

Прочие технологии: Nano-RAM, Racetrack и Millipede. Относительно новые проекты вместо электрических цепей предусматривают использование традиционных механиче­ских схем переключения. Примером тому может служить Nano-RAM, о разработке которой было объявлено несколь­ко лет назад американской компанией Nantero, однако до настоящего момента существует лишь прототип данных чипов памяти. По имеющейся информации, они обеспечи­ вают высокую плотность записи, а технология основывает­ся на том, что, прилагая напряжение, можно заставить нанотрубку принять одно из двух положений, соответству­ющее определенному сопротивлению. Nano-RAM способна на высокую плотность записи, присущую DRAM- памяти.

В двух других проектах используется принцип работы традиционных жестких дисков, но реализуется он с при­менением нанотехнологий. В Racetrack Memory, над кото­рой помимо компании IBM работает университет Гам­бурга, информация, как и на жестком диске, хранится в намагниченных областях с различной поляризацией, но на фиксированной нанопроволоке. Для чтения или запи­си данных намагниченные области под воздействием электрических импульсов направляются в ту или иную сторону, что позволяет подвести определенную область данных точно под считывающую или записывающую го­ловку. Это объясняет название технологии (в переводе «гоночная трасса»): области с данными «пролетают» мимо головок чтения и записи подобно болидам «Формулы 1». Технология Racetrack обеспечивает меньшее время откли­ка, чем механические решения. Высокая пропускная способность возможна благодаря параллельной работе бесчисленного количества подобных ячеек памяти.

Преимуществом технологии Millipede также является параллельность, которая сулит высокую скорость работы. Отдельные биты сохраняются на поверхности механиче­ского диска в виде мельчайших углублений. Над ней рас­полагается массив V-образных кремниевых игл. Для запи­си «1» наконечник иглы разогревается до высокой темпе­ратуры (400 °С), размягчая при этом материал диска, и в результате кратковременного погружения в него фор­мирует углубление. Для записи «0» игла разогревает толь­ко материал и переходит в пассивное состояние, за счет чего поверхностное давление восстанавливает ровную плоскость диска. Для считывания бита крохотные при­воды располагают диск таким образом, чтобы над со­ответствующей областью находился датчик. Он опускает­ся и определяет, присутствует в этом месте углубление или нет. Отдельный блок Millipede обеспечивает про­пускную способность на уровне Мбит/с. Благо­даря тому что множество подобных блоков способно работать параллельно, технология делает возможной про­изводительность практически на уровне электронных накопителей при крайне высокой плотности записи, поскольку наноуглубления занимают значительно мень­ше места, чем токопроводяшие цепи.