מהנדסים מטאיוואן הביסו את מגבלות זכרון הפלאש

חברת Macronix מצאה פיתרון לחולשתם הידועה של זכרונות פלאש – התנדפות המגנטיות. המשמעות היא פשוטה: מחזורי הקריאה-כתיבה שוחקים את המגנטיות, ככל שהמגנטיות נעלמת, כך גם הבידוד בין תאי זיכרון, והיכולת שלהם לשמור מידע

זכרון פלאש נשחק לאחר כ-10,000 מחזורי כתיבה וקריאה. אבל עכשיו המהנדסים של Macronix מצאו פיתרון שייתן לפלאש חיים חדשים וארוכים. הם מציעים זכרון NAND Flash בעל יכולת ריפוי עצמית שתאפשר לו לשרוד מעל 100 מיליון מחזורים.

הפיתוח דווח בכינוס 2012 IEEE International Electron Devices, וייתכן ש-100 מיליון מחזורים אינם הגבול האמיתי. "איננו יודעים מה תהיה הסיבה לכשל הזכרון החדש בסופו של דבר, מפני שעדיין לא הצלחנו לקבל איתות לסוף חיי הזכרון", כך אומר האנג-טינג לו, סגן מנהל הפרוייקט ב-Macronix, הממוקמת בסינצ'ו, טאיוו'אן. בדיקת מיליארד מחזורי קריאה-כתיבה תיקח מספר חודשים, הוא סיפר.

זכרון פלאש מבית Macronix

המפתח לזכרון פלאש עם חיי מתושלח נמצא בטכנולוגיית זיכרון שעדיין בפיתוח, וייתכן כי תחליף את מקומו של זכרון הפלאש לבסוף.

תא זכרון פלאש נראה כמו טרנזיסטור CMOS סטנדרטי: איזורי מקור (Source) ואיזורי שפך (Drain) עם ערוץ סיליקון ביניהם, שכבת בידוד מעל הערוץ, ושער (Gate) מעל הכול. ההבדל העיקרי בפיתוח החדש הוא שכבה של חומר הנקרא "שער צף" שמוטמעת בתוך שכבת הבידוד של השער הרגיל.

ביט הזכרון מאוחסן בשכבת הבידוד, כאשר אלקטרונים נדחפים "לחפור" דרך הבידוד ונתקעים בשער הצף. מחיקת הביט דורשת דרך לדחוף את האלקטרונים החוצה.

כך נראה השינוי בבסיס התכנון

אך מחזורי הקריאה-כתיבה שוחקים את שכבת הבידוד, ולבסוף תא הזכרון כושל. בכדי לפצות על חולשה זו בכונני SSD, המהנדסים נאלצו לאמץ תבניות מורכבות בכדי לוודא שאף איזור זיכרון אינו נכתב מחדש בתדירות גבוהה מדי. ליבון יתקן את הנזק, אך הקונצנזוס היה שידרש חימום השבב כולו ל-250 מעלות במשך שעות.

מהנדסי Macronix מצאו את הפיתרון בטכנולוגיה מתחרה, Phase change RAM. ב-PCRAM, כל ביט מאוחסן בחומר שנקרא זכוכית Chalcogenide, שמחזיק הן ביכולת להוליך והן ביכולת לבודד.

החומר עובר בין שני מצבים אלה כאשר הוא מחומם במהירות ובאופן מסוים. לו מספר שהחוקרים ב-Macronix הבחינו כי כאשר מחממים את הזכוכית מעבר לנקודת ההתכה שלה, נוצר אפקט ריפוי בזכרון ה-PCRAM. (נתונים אלה דווחו ב- IEEE International Reliability Physics Symposium באפריל 2012)

ובמעט יותר פירוט

המהנדסים החליטו כי תהליך דומה עשוי לעבוד גם עם זכרון פלאש, ולכן תכננו מחדש שבב זכרון פלאש שכולל מחממים מובנים שיכולים ללבן קבוצות קטנות של תאי זכרון. התכנון החדש דרש לא מעט שינויים. הגדול מביניהם היה שינוי אלקטרודות השער כך שהוא יאפשר העברת זרם לחימום תאי הזכרון. השינוי, שדרש תוספת דיודות, דרש כל כך הרבה מקום, שהצוות נאלץ לתכנן ארכיטקטורה חדש עבור מערכי הזכרון בכדי שהכול יתאים לאותו נפח.

המבנה המותאם מאפשר לזרם לעבור דרך שער הטרנזיסטור ולייצר פולסים של חום האורכים מספר מילישניות. החוקרים מצאו כי הטמפרטורות עוברות 800 מעלות, אך האיזור החשוב היה מוגבל למיקום קרוב לשער. השבבים יכלו לרפא את עצמם על ידי הליבון המקומי הזה עד לנקודה בה, אפילו אחרי 100 מיליון מחזורים, הזכרונות המשיכו להחזיק מידע בצורה תקינה.

ניתן לחשוב שחימום מסוג זה יגרום לבזבוז חיי סוללה (במחשבים ניידים למשל). ה"ריענון" אכן דורש לא מעט אנרגיה, מסכים לו, אך הליבון ניתן לביצוע בתדירות נמוכה ועל בסיס איזור (sector) אחד בכל פעם, כאשר המכשיר אינו פעיל אך עדיין מחובר למקור החשמל. "זה לא יחסל את סוללת הטלפון הנייד שלך", לו טוען.

הזכרון הניסיוני טמן בחובו הפתעה נוספת: החימום איפשר מחיקה מהירה, דבר שבעבר לא קושר לטמפרטורה כזו או אחרת. "בהמשך הדרך, ייתכן שתכונה זו תפותח למצב פעילות 'מסויע חום' שיאפשר פעולה משופרת – כגון מחיקה מהירה – כמו גם הארכת חיי זכרונות הפלאש", כך לו.

מחיקה מהירה עשויה לאפשר לזכרונות פלאש להחליף זכרונות דינמיים (DRAM) הזכרון המהיר שנמחק בניתוק החשמל ומשמש לזכרונות עבודה של מחשבים כיום – אך ייקח עוד הרבה זמן עד שהפיתוח יגיע לשם. "זכרון פלאש אינו זכרון גישה אקראית, והארכיטקטורה תהיה צריכה להיות שונה לחלוטין", מבהיר לו.

האם זכרונות הבזק יחיו לנצח?

לו גם מספר כי Macronix מתכוונת לקדם את פריצת הדרך של הפלאש היודע לתקן את עצמו, אך אינו נותן פרטים לגבי מתי ואיך. הוא כן הסכים לספר מתי תעשיית זכרון הפלאש הייתה צריכה להשתמש בטכנולוגיה. "אנו לקחנו הימור רציני כדי לנסות שיטה שונה לגמרי.. טמפרטורה גבוהה מאוד לפרקי זמן קצרים מאוד", לו המשיך, "לאחר מכן, הבנו שהגלגל לא הומצא כאן מחדש, ויכולנו לעשות זאת אפילו לפני עשר שנים."

ההשלכות של פיתוח זה הן עצומות. אם זה שימוש בכוננים עם זכרון פלאש לחוות שרתים לפתיחת צווארי בקבוק וחיסכון באנרגיה (צריכת האנרגיה נמוכה משמעותית מזו של כוננים מיכניים), ואם אלה זכרונות עם חיים ארוכים וביצועים מהירים בטלפונים וטאבלטים שנמכרים במיליוני יחידות כל שנה.

כך או כך, זהו אחד מהדברים שכאשר חושבים עליהם, מכים במצח, ואומרים "למה אני לא חשבתי על זה (לפני עשר שנים)?"

האם זה מה שיקפיץ את תעשיית הכוננים הקשיחים לכיוון כוננים מבוססי פלאש, או שאולי זה רק צעד אחד בדרך? שתפו אותנו בדעתכם בתגובות!