Компания Technavio подготовила отчёт с анализом глобального рынка MRAM — магниторезистивной памяти с произвольным доступом. Аналитики полагают, что до 2026 года отрасль будет демонстрировать устойчивый рост, более трети которого придётся на Азиатско-Тихоокеанский регион (APAC).

Technavio учитывает различные типы MRAM, включая STT MRAM и T MRAM. Рассматриваются такие секторы, как автомобильная, аэрокосмическая и оборонная промышленности, корпоративные системы хранения данных, бытовая электроника и робототехника.

Источник изображения: Technavio

Согласно прогнозам, в период до 2026 года показатель CAGR (среднегодовой темп роста в сложных процентах) на мировом рынке MRAM составит 37,39 %. В результате, прирост в денежном выражении с 2021 по 2026 год достигнет $1,43 млрд. Примерно 37 % от этой суммы придётся на APAC. Автомобильный, аэрокосмический и оборонный сегменты будут составлять значительную долю мировой отрасли в течение рассматриваемого периода.

Одним из главных драйверов рынка называется низкое энергопотребление чипов MRAM, что позволяет применять их, например, в беспроводных датчиках с батарейным питанием. Ещё одно преимущество этого типа памяти — энергонезависимость. Поэтому, как отмечается, интеграция MRAM в смартфоны станет ключевой тенденцией развития отрасли. Однако существуют и сдерживающие факторы. Сравнительно невысокая плотность модулей MRAM снижает темпы внедрения памяти. Её использование затруднено в сегментах ЦОД и облачных платформ.

На днях Intel устроила похороны Optane — быстрая, но не слишком технологичная в производстве память обошлась «синим» в полмиллиарда долларов убытков. Однако Optane хоть и был самым заметным и распространённым представителем SCM-решений (Storage Class Memory), но всё же не единственным. Вслед за Optane на рынок вышли Samsung Z-SSD, всё ещё крайне редкие.

Тем не менее, накопители с подобными характеристиками востребованы и рынок, как и природа, не терпит пустоты: сразу две компании, Kioxia и Everspin Technologies объявили о выпуске новых продуктов, способных заменить решения на базе 3D XPoint. Это XL-Flash и STT-MRAM соответственно.

Источник: Kioxia

Продукт Kioxia построен на тех же принципах, что и технология Z-SSD у Samsung: в основе лежит флеш-память, в данном случае это BiCS 3D-NAND, но работающая с меньшим количеством уровней на ячейку. В первом поколении XL-Flash фактически был реализован режим SLC (как и у Samsung), что делало такую память малоёмкой и дорогой. Сейчас Kioxia представила второе поколение, поддерживающее режим MLC, с двумя битами на ячейку.

При этом было увеличено количество слоёв, могущих работать параллельно, так что производительность не пострадала, а по имеющимся на момент анонса данным, даже возросла. Новое поколение XL-Flash будет доступно в чипах объёмом 256 Гбит, что вдвое больше показателя аналогичной памяти первого поколения. Kioxia справедливо считает, что её память найдёт применение в пулах CXL-памяти при построении ЦОД нового поколения.

Ячейка STT-MRAM. Источник: Everspin Technologies

Решение Everspin иное, хотя тоже принципиально не новое — магниторезистивная памяь (spin-transfer torque, STT) существует довольно давно. Она обладает крайне низкой латентностью, высокой энергоэффективностью, может хранить данные более 10 лет и практически не изнашивается, но обладает и серьёзным недостатком: низкой плотностью хранения данных. До недавних пор на основе STT-MRAM производились лишь кеширующие или встраиваемые в другие решения модули крайне ограниченного объёма, не превышающего 1–2 Гбайт.

Новое поколение, EM128LX, представленное Everspin Technologies, имеет ёмкость 128 Мбит на чип, что вдвое больше предыдущего EM064LX. Производительность записи составляет до 233 Мбайт/с. Новинка предназначена, в основном, для встраиваемых систем, в том числе на базе FPGA. Она будет поставляться на рынок в двух вариантах исполнения: 24-контактном BGA и 8-контактном DFN. В обоих случаях используется интерфейс xSPI. Массовые поставки Everspin планирует начать в начале следующего года.

Данные, представленные в отчёте Coughlin Associates и Objective Analysis, говорят о том, что глобальный рынок памяти новых типов ожидают светлые времена. Речь идёт о развивающихся технологиях энергонезависимых чипов, которые найдут применение в самых разных областях. Авторы документа, в частности, рассматривают память с изменением фазового состояния (PCM), магниторезистивную память (MRAM), резистивную память с произвольным доступом (ReRAM), сегнетоэлектрическую оперативную память (FRAM) и пр.

Эксперты полагают, что изделия на основе новых технологий постепенно будут вытеснять привычные решения вроде NOR Flash, SRAM и DRAM. Причём это касается как самостоятельных чипов памяти, так и памяти, интегрируемой в другие устройства — микроконтроллеры, процессоры и интегральные схемы специального назначения. В результате, к 2031 году объём глобальной отрасли развивающихся типов памяти достигнет $44 млрд.

Источник: Blocks&Files

К примеру, в сегменте энергонезависимой памяти 3D XPoint, применяемой в накопителях Intel Optane, к началу следующего десятилетия прогнозируется выручка на уровне $20 млрд. К 2031-му доход от реализации чипов памяти MRAM и STT-RAM (магниторезистивная память на основе переноса спинового момента) может достичь $1,7 млрд, увеличившись в 42 раза по сравнению с 2020-м. А встраиваемая память ReRAM и MRAM, идущая на замену NOR и SRAM соответственно, по факту займёт ещё большую долю рынка.

UPD 08.09.21: ресурс Blocks & Files опубликовал график из вышеупомянутого исследования, а также комментарий одного из авторов, который утверждает, что, согласно наиболее оптимистичному прогнозу, к 2028 году по суммарной ёмкости поставки модулей памяти Optane PMem (ранее DCPMM) на базе 3D XPoint превысят поставки обычной DRAM.

Флеш-память имеет свои достоинства, но также обладает рядом недостатков, поэтому крупные разработчики микроэлектроники активно работают над созданием и внедрением иных, лишённых недостатков NAND типов энергонезависимой памяти. Одной из разновидностей такой памяти является STT-MRAM (Spin-Transfer-Torque). На мероприятии IEEE International Devices Meeting 2020 корпорация IBM продемонстрировала новые чипы этого типа, произведённые с использованием 14-нм норм производства.

Базовая структура ячейки STT-MRAM. Информация хранится в MTJ-вентиле (версия Intel, 2018 год)

Термин STT-MRAM расшифровывается как «магниторезистивная память с записью с переносом спина электрона». В отличие от более традиционных технологий, значения в такой памяти хранятся за счёт магнитных моментов, а не электрического заряда. Скоростные характеристики STT-MRAM великолепны, но объёмы невелики — порядка гигабайт.

Одним из крупных разработчиков, занимающихся STT-MRAM, является IBM, которая ещё в 2018 году представила уникальный SSD с буфером на основе этой технологии вместо традиционной DRAM. На тот момент память типа MRAM имела ёмкость порядка 256 Мбит на чип и выпускалась с использованием 40-нм техпроцесса, а использование 22-нм норм и достижение ёмкости 1 Гбит на кристалл лишь обсуждались.

А уже в 2020 году компания представила новые SSD FlashCore с MRAM-буфером и продемонстрировала собственые рабочие микросхемы STT-MRAM, произведённые с использованием 14-нм техпроцесса. При этом удалось добиться очень высоких скоростных характеристик: если ранее шла речь о задержках в районе 6-7 мкс, то в случае с новыми чипами STT-MRAM речь идёт уже о 4-20 наносекундах, а это показатели уровня DRAM. Столь низкие скорости циклов записи делают новинки идеально походящими на роль рабочей памяти в компактных встраиваемых приложениях и в качестве «кеша последнего уровня».

Структура 14-нм «стопок» STT-MRAM в версии IBM 2020 года

IBM сообщает, что ей удалось преодолеть проблемы с реализацией магниторезистивных туннельных вентилей (MTJ) при малых размерах элемента, что ранее ограничивало STT-MRAM рамками 22-28-нм техпроцессов. Новая технология использует шаблон с вертикальным расположением MTJ-структур (высота 160 нм), он имеет ёмкость 2 Мбит. В нём удалось избавиться от паразитных наводок, за счёт чего задержки при записи удалось снизить до рекордных 4 нс. Компания также рассказала о новых продвинутых магнитных материалах, позволяющих создавать структуры со временем переключения 2 нс, что делает их идеальным выбором для различного рода энергонезависимых кешей.

Помимо STT-MRAM, IBM сообщила о развитии технологий памяти на основе фазового перехода. В перспективе они позволят создавать аналоговые энергонезависимые массивы памяти, способные точно хранить синаптический вес. Такая память будет идеальной для аналоговых инференс-систем и систем машинного обучения нового поколения. Более подробно о новинках можно прочесть в блоге IBM.

Скорость распространение нового типа энергонезависимой памяти STT-MRAM зависит не только от наличия микросхем памяти, но также от уровня поддержки разработчиков. Для решения последней задачи выпущено полное руководство по проектированию для среды Xilinx Vivado.

Компания Everspin Technologies сообщила, что поддержала относительно недавний старт массового производства 1-Гбит чипов памяти STT-MRAM выпуском всеобъемлющего руководства по проектированию интерфейсов с использованием магнитно-резистивной оперативной памяти со спиновым переносом. На момент анонса руководство интегрировано в среду Vivado компании Xilinx.

Интерфейс памяти Everspin 1 Гбит STT-MRAM представлен стандартом DDR4 со скоростью передачи данных 1333 МТ/с на линию. Задержки, уровни питания и некоторые другие параметры сигнальной структуры STT-MRAM отличаются от сигнальной структуры обычной оперативной памяти с интерфейсом DDR4. Тем не менее, базовые контроллеры памяти Xilinx, которые входят в среду Vivado, поддерживают уже второе поколение памяти STT-MRAM Everspin, что позволяет быстро и с гарантией выводить на рынок новые продукты.

Новые микросхемы памяти STT-MRAM компании Everspin выпускаются с использованием 28-нм техпроцесса на заводе компании GlobalFoundries. До производства 1-Гбит чипов, выпуск которых стартовал в конце прошлого лета или в начале осени, Everspin выпускала 256-Мбит микросхемы STT-MRAM. Дискретные чипы памяти MRAM кроме неё никто в мире больше не производит в товарных объёмах.

Можно рассчитывать, что четырёхкратный рост объёма микросхем STT-MRAM сделает их более популярным продуктом для установки в качестве энергонезависимых буферов или для обслуживания критически важных нагрузок. А сотрудничество с Xilinx позволит ускорить разработку новых устройств.

Компания Everspin Technologies ― единственный в мире производитель дискретных чипов памяти STT-MRAM ― сообщила о заключении первого заказа на серийную поставку самых ёмких в мире микросхем STT-MRAM объёмом 1 Гбит.

Имя заказчика не раскрывается, поскольку он ещё не представил новые фирменные продукты на основе 1-Гбит микросхем памяти STT-MRAM. Но это один из крупнейших в мире OEM-производителей оборудования для центров обработки данных, заявляют в Everspin.

1-Гбит 28-нм микросхемы памяти STT-MRAM компании Everspin

Решение о запуске серийного производства 1-Гбит чипов магниторезистивной памяти на эффекте переноса спина электронов для первого клиента принято после прохождения всех необходимых квалификационных тестов новой памяти Everspin на площадке заказчика.

Пилотный выпуск этих микросхем с использованием 28-нм техпроцесса на линиях компании GlobalFoundries стартовал летом этого года. Чипы выпускаются в конфигурации 128Мбит x8 и 64 Мбит x16. Интерфейс ― ST-DDR4, скорость передачи данных на линию ― 1333 МТ/с. Полную документацию можно найти по этой ссылке.

До этого момента первой и массовой продукцией Everspin в виде чипов STT-MRAM были 28-нм 256-Мбит микросхемы, которые она представила в 2017 году. Небольшая ёмкость первого поколения чипов памяти STT-MRAM и, собственно, не такая большая по современным меркам ёмкость второго поколения микросхем оставляет за этой памятью такую основную нишу использования, как кеширующие накопители.

Правда, новые микросхемы повышенной ёмкости всё увереннее позволяют говорить о кешировании основного потока данных, а не только для ведения логов (журналов). Что же, ждём анонса интересной продукции на 1-Гбит чипах STT-MRAM.

Близится время интереснейшего ежегодного мероприятияк Flash Memory Summit 2019. Саммит пройдёт с 5 по 8 августа в городе Санта-Клара, штат Калифорния. Ведущие производители флеш-памяти могут попытаться поразить конкурентов и нас рассказами о 196-слойной 3D NAND или других достижениях в разработке многослойной NAND-флеш.

А в прошлом году на конференцию пришли китайцы. Компания Yangtze Memory Technologies (YMTC) уже представила передовую по мировым меркам технологию модульного производства 3D NAND Xtacking и теперь собирается рассказать о втором поколении этой технологии. На нынешнем саммите нас ждёт встреча и с другой китайской компанией ― Sage Microelectronics. Компания Sage Micro создана ветеранами Кремниевой долины в 2011 году и к настоящему времени заняла в Китае прочное место на рынке контроллеров (ASIC) для корпоративных и промышленных SSD. Как оказалось, Sage Micro начала вторжение на рынок SSD с буферами из памяти STT-MRAM.

Разработчик первой массовой магниторезистивной памяти STT-MRAM компания Everspin сообщила, что она заключила с компанией Sage Microelectronics стратегическое партнёрство для разработки контроллеров SSD с поддержкой 1-Гбит чипов Everspin STT-MRAM. Массовое производство таких микросхем как раз стартует в августе. Память STT-MRAM обладает лучшими скоростными и энергоэффективными характеристиками, чем NAND, а также намного устойчивее к износу, чем традиционная флеш-память.

Награда Yangtze Memory Technologies за разработку технологии Xtracking

Ёмкость 1 Гбит мала для замены массивов NAND в твердотельных накопителях, но достаточна для замены буфера DRAM на энергонезависимый буфер STT-MRAM. Накопители SSD с буферами STT-MRAM обещают лучшую приоритизацию и снижение задержек, что крайне востребовано в SSD корпоративного класса и в накопителях для промышленного и аэрокосмического оборудования. Разработка специализированных контроллеров, учитывающих преимущества STT-MRAM, дополнительно подчеркнёт достоинства новой и пока малораспространённой магниторезистивной памяти.

Компания SMART Modular Technologies представила накопитель nvNITRO в форм-факторе U.2. До этого устройство распространялось в виде PCIe-адаптера с шиной PCI Express 3.0 x8. Поставки PCIe-версии накопителя SMART Modular nvNITRO ёмкостью 1 Гбайт стартовали в мае текущего года. Анонс разработки состоялся в августе 2017 года. Версия с 2 Гбайт памяти так и не вышла. Пусть вас не смущает небольшой по современным меркам объём памяти накопителей. Зато это память Spin-Transfer Torque MRAM (STT-MRAM) компании Everspin Technologies, которая, как сказано в спецификациях, имеет неограниченную устойчивость к износу.

Накопитель SMART Modular nvNITRO ёмкостью 1 Гбайт в форм-факторе U.2

Другое важное преимущество у магниторезистивной памяти с записью с переносом спина электрона — это малые задержки при обращении. Задержки при чтении порядка 6,26 мкс, а задержки при записи — 7,22 мкс. Даже у хвалёных и непревзойдённых Intel Optane на памяти 3D XPoint задержки на этих операциях в пределах 10 мкс, а у обычных SSD на памяти NAND они могут быть больше на один порядок. К сожалению, всё портит низкая плотность памяти MRAM. Разработчик и производители так и не смогли наладить массовое производство магниторезистивной памяти объёмом свыше 256 Мбит на один кристалл.

Информация в ячейке MRAM хранится в виде намагниченности слоёв

Выпуск накопителя nvNITRO в исполнении U.2 расширяет сферу использования устройств и повышает удобство эксплуатации. Например, данный форм-фактор поддерживает горячую замену накопителей, что невозможно в исполнении карты с интерфейсом PCIe. Также nvNITRO в исполнении U.2 удобнее использовать в качестве кеширующего накопителя в стойке, установив его непосредственно в корзину с SSD или HDD, доступ к данным на которых он должен кешировать.

Наиболее востребованной сферой применения накопителя nvNITRO считается область проведения финансовых транзакций, где время буквально — деньги. Производитель утверждает, что использование nvNITRO снижает время ожидания реакции финансовых приложений до 90 % по сравнению с SSD корпоративного класса. Правда, цена за накопитель обещает оказаться немалой. По форм-фактору U.2 информации пока нет, а в исполнении PCIe накопитель стоит от $2200.

nvNITRO Accelerator Card

Стоит также отметить высокое потребление накопителей nvNITRO. При объёме всего в 1 Гбайт устройство потребляет до 25 Вт в режиме чтение/запись в соотношении 70/30. Может так статься, что в этом вина контроллера, который выполнен на матрице FPGA, что достаточно неэффективно. Но подтверждения этому у нас нет.

К саммиту Flash Memory Summit 2018 компании IBM и Everspin подготовили анонс любопытного продукта — линейки серверных SSD FlashSystem с кеширующим буфером из памяти ST-MRAM (Spin-transfer Torque MRAM). Обычно подобный буфер выполняется из памяти DRAM (в современной версии — из DDR3 или LPDDR4), который необходимо защищать от потери данных в момент критических сбоев питания. Делается это с помощью навесных батареек или суперконденсаторов. Замена микросхем буфера на энергонезависимую память упрощает процесс защиты данных во время сбоя питания. Другое дело, что для этого подходит далеко не каждая память. Например, память NAND медленная и подвержена быстрому износу. Частично проблема износа решается за счёт буфера из NAND SLC, но хотелось бы чего-то более надёжного.

AnandTech

Перспективной памятью для буферов записи SSD считается магниторезистивная память и она в недавнем прошлом для этого уже использовалась. Пока создать накопитель исключительно на памяти MRAM представляется невыгодным — слишком мала плотность записи. Так, сегодня память MRAM выпускается в виде 256-Мбит чипов с техпроцессом 40 нм. До конца года обещает начаться выход 22-нм микросхем объёмом 1 Гбит, но и этой ёмкости мало для производства SSD. Впрочем, в ряде случаев создание SSD на памяти MRAM выгодно и это делается. В компании IBM решили начать с малого и внедрили в производство линейку SSD с буфером записи из 256-Мбит микросхем MRAM Everspin.

AnandTech

Заметим, традиционно накопители IBM FlashSystem имеют уникальную конструкцию, которая также имеет, скажем так, централизованную систему защиты от пропадания питания. Новые накопители в линейке IBM FlashSystem выполнены в виде SSD 2,5-дюймового формфактора U.2 и к защите от сбоев питания пришлось прибегать уже индивидуально. В компании IBM решили проблему в корне — заменили буфер из DRAM на буфер из ST-MRAM. Основной массив памяти — это 64-слойные микросхемы 3D NAND TLC. Представлены модели накопителей объёмом до 19,2 Тбайт. Интерфейс — PCI Express 4.0 x4, который может работать в режиме двух портов одновременно (2+2). Поставки новинок клиентам компания IBM рассчитывает начать в течение августа. Другой информации о накопителях пока нет.

Компания SMART Modular Technologies сообщила о скором начале поставок интересных кэширующих накопителей в линейке nvNITRO на твердотельной памяти STT-MRAM (Spin-transfer Torque MRAM). Магниторезистивная память STT-MRAM записывает данные в ячейку с помощью туннельного эффекта с использованием переноса спина электронов. Это предполагает высочайшую на данном этапе энергоэффективность, что вкупе с двумя другими выдающимися свойствами MRAM — низкой латентностью и условно бесконечной устойчивостью к износу, делает данный тип памяти интересным решением для изготовления кэширующих ускорителей и кеш-буферов для SSD на памяти NAND.

Информация в ячейке MRAM хранится в виде намагниченности слоёв

Формальный анонс карт nvNITRO с интерфейсом PCI Express 3.0 x8 состоялся в августе прошлого года в ходе годовой отраслевой конференции Flash Memory Summit 2017. Компания SMART Modular объявила о разработке адаптера nvNITRO ёмкостью 1 Гбайт и 2 Гбайт. Да, да, низкая плотность микросхем MRAM делает ограниченным использование данного вида памяти. В основе новинки, например, лежат 40-нм 256-Мбит чипы STT-MRAM компании Everspin Technologies. Производством данных микросхем занимается компания GlobalFoundries. В течение этого года, возможно, будет налажен выпуск 28-нм 1-Гбит чипов STT-MRAM, прототипы которых также были показаны на прошлогоднем саммите.

nvNITRO Accelerator Card

Свежим пресс-релизом SMART Modular сообщила, что в мае начнутся поставки 1-Гбайт адаптера nvNITRO. Ожидаемая цена новинки составит $2200. О начале поставок 2-Гбайт версий пока не сообщается. Производительность модели в показателях IOPS достигает 1,5 млн операций ввода/вывода в секунду для случайных 4-Кбайт блоков как в режиме чтения, так и в режиме записи. Но самым привлекательным параметром ускорителей nvNITRO является малая величина задержек. Для режима чтения задержки равны 6,26 мкс, а для режима записи — 7,22 мкс. По этому показателю они немного выигрывают у SSD Intel Optane, задержки обращения которых «менее 10 мкс». По словам производителя, использование nvNITRO для обработки финансовых транзакций сокращает ожидание завершения операции на 90 % по сравнению с SSD на памяти NAND.