Home
Accesso / Registrazione
 di 

Phase Change Memory (PCM): la nuova frontiera delle memorie non volatili

IBM PCM

Un tipo di memoria relativamente recente, la memoria PCM (Phase Change Memory), è recentemente balzata agli onori della cronoca grazie agli importanti risultati ottenuti da IBM Research e da un progetto nato in California presso l'Università di San Diego. Avremo presto disponibile un'alternativa economica, veloce, ed efficiente alle memorie SSD?

La memoria PCM

La memoria PCM, che in italiano potremmo definire come "memoria a cambiamento di fase", è un tipo di memoria non-volatile allo stato solido basata sulle proprietà fisiche di una lega calcogenura composta da cristalli di Germanio, Antimonio, e Tellurio (i materiali calcogenuri sono gli stessi materiali utilizzati nei dischi ottici re-scrivibili, come i CD-RW ed i DVD-RW). Questo materiale presenta l'importante proprietà di cambiare fase (da cristallina ad amorfa e viceversa) quando viene percorso da una corrente di intensità opportuna. Il passaggio tra le due fasi, completamente reversibile è in pratica dovuto all'aumento di calore subito dalla lega calcogenura a seguito del passaggio di corrente. Sfruttando questa proprietà, è stato possibile realizzare dapprima un bistabile, e successivamente, per estensione, una vera e propria memoria allo stato solido, nella quale lo stato logico 1 (bassa resistenza eletttrica) corrisponde alla fase cristallina, mentre lo stato logico 0 (elevata resistenza elettrica) corrisponde alla fase amorfa. La memoria PCM è forse oggi il più promettente tipo di memoria non volatile, con la possibilità di superare in futuro sia la tecnologia attuale della memoria flash di tipo NAND (affetta da un'elevata percentuale di errore che richiede algoritmi complessi di correzione), sia le memorie SSD (condizionate soprattutto dal prezzo molto elevato). Le memorie NAND flash, che oggi rappresentano la soluzione più comune per il data storage non volatile, stanno inoltre incontrando sempre più problemi man mano che il livello di integrazione della tecnologia utilizzata aumenta, tipicamente al di sotto della soglia dei 45 nm.

Un primo vantaggio offerto dalla tecnologia PCM rispetto alla tradizionale tecnologia flash è quello di presentare dei tempi di scrittura molto ridotti, se confrontati a quelli di una memoria flash. In una memoria PCM, per eseguire una scrittura occorre applicare opportunamente una corrente in modo tale da forzare la transizione tra le due fasi; quest'operazione risulta essere nettamente più veloce rispetto alla scrittura in flash (circa 100 µs per un blocco dati, nel caso migliore). Inoltre, (e questo è un secondo vantaggio) nelle memorie PCM è possibile cambiare lo stato di un singolo bit per volta, mentre nelle memorie flash tradizionali occorre ragionare in termini di settori (o aree) di memoria (recentemente sono comunque state introdotte delle memorie flash che, almeno a livello utilizzatore, possono anche essere scritte a singoli byte). Un terzo vantaggio offerto dalle memorie PCM è la maggiore durata. Le memorie flash presentano infatti un numero limitato di cicli di scrittura (le celle si degradano a causa dell'applicazione di tensioni superiori durante la programmazione), e questo numero di cicli si sta abbassando con il progressivo "assottigliamento" del substrato di silicio impiegato. Anche le memorie PCM sono soggette a fenomeni di usura, ma possono comunque sopportare anche 10 milioni di cicli di scrittura. Un quarto ed ultimo vantaggio delle memorie PCM è che possono ritenere l'informazione per un tempo lunghissimo: si parla di oltre 300 anni (a condizione che la temperatura dei materiali calcogenuri venga mantenuta alla normale operazione di esercizio, corrispondente ad 85°C). Uno svantaggio offerto dalle memorie PCM è che il loro contenuto viene perso quando vengono saldate sul PCB. Il calore della saldatura, infatti, viene trasmesso al calcogenuro, e può pertanto provocare una transizione di fase arbitraria e non prevedibile delle celle di memoria. Questo problema, che non si riscontra nelle memorie flash, viene risolto rendendo disponibili delle tecniche di programmazione delle memorie in-circuit.

Ora che abbiamo visto le principali caratteristiche della memoria PCM, possiamo affrontare il tema relativo ai recentissimi progressi ottenuti nell'impiego di queste memorie.

IBM e la tecnologia PCM

Gli scienziati di IBM Research hanno recentemente dimostrato, per la prima volta, che la tecnologia di memoria PCM è in grado di mantenere le informazioni in modo affidabile e stabile per lunghi periodi di tempo, con una miglioramento delle prestazioni in scrittura (l'operazione più lenta) fino a 100 volte superiori rispetto alle memorie flash. I risultati sono stati ottenuti su esemplari di memorie PCM realizzati in tecnologia CMOS da 90nm, contenenti l'equivalente di circa 200.000 celle di memoria (l'immagine di apertura del presente articolo mostra proprio uno di questi chip). I ricercatori IBM sono inoltre riusciti ad ottenere un valore di latenza in scrittura pari, nel caso peggiore, a 10 µs, quindi un miglioramento con un fattore pari a 100x rispetto alla tecnologia flash. Non solo, i ricercatori di IBM Research hanno anche dimostrato che agendo opportunamente sui parametri che controllano la transizione di fase del substrato, è possibile memorizzare anche combinazioni di 2 bit, cioè 00, 01, 10, e 11, aumentando così la densità di integrazione della memoria. Questo significativo traguardo raggiunto da IBM apre la strada a futuri ed imminenti utilizzazioni commerciali della tecnologia PCM: ora si è dimostrato che le memorie PCM sono fattibili ed affidabili, si tratterà nel prossimo futuro di adeguare i processi e le tecnologie produttive per poterle produrre a costi competitivi per il mercato (IBM stima che ci vorranno altri 5 anni).

Il progetto Moneta di UCSD

Un team di ricercatori della University of California, San Diego (UCSD), ha recentemente dato una dimostrazione del primo sistema di memoria allo stato solido (SSD) realizzato in tecnologia PCM, migliaia di volte più veloce degli hard disk convenzionali e diverse volte più veloce dei convenzionali SSD realizzati in tecnologia flash. Il sistema, battezzato Moneta, è visibile nell'immagine seguente, nella quale sono in evidenza gli storage array con i moduli di memoria PCM.

Moneta utilizza dei chip PCM di prima generazione, realizzati da Micron Technology, in grado di leggere elevati volumi di dati, fino a 1.1 GB/s, e scrivere informazioni fino a 371 MB/s. Moneta ha una capacità totale pari a 64GB, ed è uno dei più veloci array di memoria SSD al mondo. UCSD ha realizzato anche un secondo prototipo PCM, denominato Onyx, basato sul sistema Moneta ma con moduli PCM realizzati internamente dal gruppo di ricercatori. Il prototipo Onyx contiene 16 unità di memoria PCM per un totale di 10Gb (l'immagine seguente mostra un'unità di memoria appartenente al prototipo Onyx).

Quest'altra immagine mette invece a confronto l'ampiezza di banda del prototipo Moneta con altri tipi di memoria (dischi convenzionali, SSD principalmente). Si noti il valore di prestazione molto elevato raggiunto da Moneta, quasi prossimo al valore ideale.

 

 

Scrivi un commento all'articolo esprimendo la tua opinione sul tema, chiedendo eventuali spiegazioni e/o approfondimenti e contribuendo allo sviluppo dell'argomento proposto. Verranno accettati solo commenti a tema con l'argomento dell'articolo stesso. Commenti NON a tema dovranno essere necessariamente inseriti nel Forum creando un "nuovo argomento di discussione". Per commentare devi accedere al Blog

 

 

Login   
 Twitter Facebook LinkedIn Youtube Google RSS

Chi è online

Ci sono attualmente 8 utenti e 69 visitatori collegati.

Ultimi Commenti