— Компания IBM активно разрабатывает технологию устройств энергонезависимой памяти на основе фазового перехода (PCRAM), которая рассматривается как серьезная альтернатива флеш-памяти. Между тем инженеры тайваньской компании Macronix недавно сообщили об успешных испытаниях самовосстанавливающегося флеш-чипа, выдерживающего более 100 млн циклов запись/чтение, что устраняет ключевую уязвимость флеш-технологии — короткое время работы на отказ — и снимает ограничения на использование флеш-памяти в компьютерах и серверах. Сейчас многих интересует, сможет ли PCRAM конкурировать с флеш-памятью, учитывая, что тайваньцы не использовали никакой новой «физики» и материалов для усовершенствования флеш-чипа?
— Да, я читал об этой разработке: там использован точечный импульсный разогрев ячейки чипа, восстанавливающий ее функциональность. Думаю, следует посмотреть сначала, подходит ли эта разработка для массового воспроизводства и будут ли промышленные образцы обладать теми же характеристиками, которые были продемонстрированы этими инженерами в лаборатории. Не думаю, что пришло время ставить крест на PCRAM, тем более что ее производство уже налажено и существуют промышленные решения на ее основе, пусть и не в серверном сегменте.
Напомню, что исключительная надежность продолжает оставаться главным преимуществом PCRAM.
PCRAM — тип энергонезависимой памяти, основанный на уникальном поведении халькогенида (того же самого материала, который используется в перезаписываемых оптических носителях CD-RW и DVD-RW), который при нагреве может «переключаться» между двумя состояниями — кристаллическим и аморфным. В последних версиях смогли добавить ещё два дополнительных состояния, эффективно удвоив информационную емкость чипов. PСRAM — одна из новых технологий памяти, созданная в попытке превзойти в области энергонезависимой памяти почти универсальную флеш-память, обладающую некоторым количеством практических проблем.
Кристаллическое и аморфное состояния халькогенида кардинально различаются электрическим сопротивлением. Аморфное состояние, обладающее высоким сопротивлением, используется для условного 0, а кристаллическое состояние, обладающее низким уровнем сопротивления, условной 1. В таких носителях оптические свойства материала поддаются управлению лучше, чем его электрическое сопротивление, так как показатель преломления халькогенида также меняется в зависимости от состояния материала.
PСRAM может предложить существенно более высокую производительность в областях, требующих быстрой записи, за счет того что элементы памяти могут быстрее переключаться, а значение отдельных битов можно изменить на 1 или 0 без предварительного стирания целого блока ячеек. Высокая производительность PCRAM — в тысячу раз быстрее, чем у обычных жестких дисков, — делает её чрезвычайно интересной с точки зрения энергонезависимой памяти, производительность которой в настоящее время ограничена временем доступа.
PCRAM -устройства также деградируют по мере использования, но по другим причинам, нежели флеш-память, причем деградация происходит гораздо медленнее. PCRAM -устройство может выдержать порядка 100 миллионов циклов записи.
Специальные затворы, используемые в флеш-памяти, допускают со временем «утечки» заряда (электронов), вызывая повреждение и потерю данных. Сопротивление в элементах памяти PCRAM является более стабильным; при нормальной рабочей температуре в 85 °C предполагается хранение данных сроком более 300 лет.
PCRAM — весьма многообещающая технология с точки зрения военной и аэрокосмической областей, где радиация делает бессмысленным использование стандартной энергонезависимой памяти, в частности флеш-памяти.
— В каком состоянии находится Millipede, другая эксклюзивная разработка IBM, о которой в свое время много говорили как о реальной альтернативе флеш? Продолжаются ли работы в этой области?
— Мы остановили работы по этому проекту. Действительно, главной целью Millipede было разработать конкурента флеш. Напомню, что мы начали этот проект на рубеже нулевых годов — еще до того, как началась революция мобильных гаджетов. В совершенствование флеш-технологии вкладывались большие деньги, она быстро совершенствовалась, и Millipede быстро растеряла то преимущество, которое изначально было у нее.
Когда вы хотите внедрить принципиально новое устройство памяти, его характеристики должны превосходить существующие решения как минимум на один, а лучше на два порядка.
Оно должно быть либо в сто раз дешевле, либо его емкость должна быть в десять, а лучше в сто раз больше. С Millipede мы хотели конкурировать на рынке мобильных устройств, но это была технология двумерной матрицы ячеек, в то время как флеш-устройства быстро эволюционировали в трехмерные массивы.
— То есть проект оказался полностью убыточным?
MRAM (magnetoresistive random-access memory) — запоминающее устройство с произвольным доступом, которое хранит информацию при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов.
Важнейшее преимущество этого типа памяти — энергонезависимость, то есть способность сохранять записанную информацию (например, программные контексты задач в системе и состояние всей системы) при отсутствии внешнего питания.
Технология магниторезистивной памяти разрабатывается с 1990-х годов. В сравнении с растущим объемом производства других типов компьютерной памяти, особенно флеш-памяти и памяти типа DRAM, она пока широко не представлена на рынке. Однако её сторонники верят, что, благодаря ряду преимуществ, она в конечном счёте заменит все типы компьютерной памяти и станет по-настоящему универсальной компьютерной памятью.
В отличие от других типов запоминающих устройств, информация в магниторезистивной памяти хранится не в виде электрических зарядов или токов, а в магнитных элементах памяти. Магнитные элементы сформированы из двух ферромагнитных слоёв, разделенных тонким слоем диэлектрика. Один из слоёв представляет собой постоянный магнит, намагниченный в определённом направлении, а намагниченность другого слоя изменяется под действием внешнего поля. Устройство памяти организовано по принципу сетки, состоящей из отдельных «ячеек», содержащих элемент памяти и транзистор.
Считывание информации осуществляется измерением электрического сопротивления ячейки. Отдельная ячейка (обычно) выбирается подачей питания на соответствующий ей транзистор, который подаёт ток от источника питания через ячейку памяти на общую «землю» микросхемы. Вследствие эффекта туннельного магнитосопротивления электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от взаимной ориентации намагниченностей в слоях. По величине протекающего тока можно определить сопротивление данной ячейки и, как следствие, полярность перезаписываемого слоя. Обычно одинаковая ориентация намагниченности в слоях элемента интерпретируется как «ноль», в то время как противоположное направление намагниченности слоёв, характеризующееся более высоким сопротивлением, как «единица».
Магниторезистивная память имеет быстродействие, сравнимое с памятью типа SRAM, такую же плотность ячеек, но меньшее энергопотребление, чем у памяти типа DRAM, она более быстрая и не страдает деградацией по прошествии времени в сравнении с флеш-памятью. Это та комбинация свойств, которая может сделать её универсальной памятью, способной заменить SRAM, DRAM и EEPROM и Flash. Этим объясняется большое количество направленных на её разработку исследований.
— Возможно, Millipede как технология устройств памяти просто опередил время. Жаль, что проект закрыт: с инженерной точки зрения предложенное решение было весьма изящным.
— Да, но возможно, мы к ней когда-нибудь вернемся, так как по надежности среди долгосрочных носителей информации с устройствами Millipede могут конкурировать разве что перфоленты.
-— IBM — один из ключевых подрядчиков проекта SyNAPSE, спонсируемого DARPA. Стратегической целью проекта, носящей название «Фаза 2», является разработка нейрокомпьютера, имитирующего работу мозга. Было объявлено, что работы по «Фазе 0» и «Фазе 1» успешно завершены — созданы и испытаны нейрочипы, связанные в сеть из нескольких тысяч устройств. В каком состоянии находится проект сейчас и когда будет завершена «Фаза 2», которую некоторые назвали «фазой Терминатора»? В последние два года информация по SyNAPSE вообще перестала появляться в открытом доступе, хотя известно, что на выполнение «Фазы 2» DARPA выделила (в том числе и IBM) большие средства.
— Я не связан с этой разработкой и не могу дать полноценный комментарий. Скажу только, что процессорная архитектура, имитирующая нейронную, будет обладать колоссальным преимуществом с точки зрения энергоэффективности — еще одного направления, в котором работает наша лаборатория в Цюрихе. Распознавание образов, системы ассоциативной памяти, пространственное ориентирование — все эти задачи эффективно решаются с помощью нейрочипов.
— Есть точка зрения, что незачем создавать специальные нейрочипы, так как работу нейросети можно моделировать программно.
<4>— Все упирается в энергозатраты. Да, мы можем имитировать многие вещи программно, в том числе и нейросети, используя традиционные процессоры. Но для того, чтобы имитировать работу нейросети, потребуется совершить больше вычислительных действий, преодолеть больше вычислительных слоев и в конечном итоге затратить больше энергии, чем для решения той же задачи потребуется нейросети, научившейся выполнять ту или иную функцию. Например, суперкомпьютер IBM «Уотсон», который оснащен системой, понимающей вопросы, сформулированные на естественном языке, потребляет 85 кВт·ч. А соперники в телешоу «Jeopardy!», точней их мозги, потребляли всего 20 Вт·ч.
— Замечу только, что они тогда проиграли «Уотсону» миллион долларов. Получается, что будущее компьютеров — это нейросети, которые рано или поздно вытеснят машины на основе логики фон Неймана?
— Уверен, будущее за симбиозом устройств на основе нейро- и классической неймановской логики, например такими устройствами, где неймановские процессоры, которые никуда, конечно, не исчезнут, будут играть роль вычислительных ядер, «обвешанных» функциональными модулями, ускоряющими их работу и работающими на основе нейрологики.
Уже сейчас задача создания таких систем чрезвычайно актуальна, и IBM активно работает в этом направлении, о чем свидетельствует и недавнее поглощение IBM компании Cognos, создававшей известные программные решения для систем бизнес-аналитики.
Ядром таких систем является аналитическая база данных и интеллектуальная обработка запросов, которая должна быть очень быстрой.
— Как осуществляется стратегическое прогнозирование в самой IBM? Как вы предсказываете будущие технотренды, планируя работу своих лабораторий, некоторые из которых, например цюрихское подразделение, заняты чисто фундаментальными исследованиями? Какие последние и самые передовые разработки цюрихской лаборатории вы можете назвать?
— Традиционно — мозговыми штурмами. Очень много и тесно общаемся с университетами. Что касается топ-разработок, то это, однозначно, многослойные 3D-чипы, интегрирующие в одном трехмерном массиве процессор, память и систему ввода-вывода.
Подобные чипы могут выполнять одновременно функцию процессора, запоминающего и сенсорного устройства.
<5>Сейчас архитектура компьютеров напоминает плоский город, или, точней, подземку, в которой данные «перевозятся» с одной станции на другую — от процессора к памяти, контроллерам, интерфейсам и т. д. В 3D-чипах эти станции интегрированы в многослойный пирог, уровни которого связаны быстрыми лифтами, экономящими место и энергию, необходимую для транспортировки данных. Используя специальные электролиты, систему охлаждения 3D-чипа можно совместить с генерацией дополнительной энергии для его питания, то есть 3D-чип помимо вычислительных будет выполнять функции аккумулятора — это то, над чем мы сейчас работаем. Систему охлаждения такого чипа можно сравнить с кровеносной, где кровь помимо терморегуляции выполняет и функцию переноса питательных веществ. Это хорошая аналогия.
— Когда эта технология будет внедрена в производство?
— У нас уже есть промышленные прототипы 2D-чипов, совмещающих процессор и устройство памяти, которые можно использовать в серверных решениях. У них более простая система охлаждения, и их коммерческое использование начнется в ближайшие три-четыре года. Что касается многослойных чипов и многослойной вычислительной оптоэлектроники, совмещающей процессор, память и системы оптического ввода-вывода, то речь идет о десяти годах.
— IBM курирует много фундаментальных исследований. Как и в чем измеряется их эффективность, в том числе экономическая, самой компанией?
— Связь между фундаментальными исследованиями и прикладными системами не всегда прямая. Эффективность работы, которая ведется в цюрихской лаборатории IBM, измеряется числом публикаций в ведущих научных журналах, а также, конечно, патентами. Меня все время спрашивают, какая часть наших разработок оказывается коммерчески успешной. Могу ответить только, что, если бы это была большая их часть, я бы занимался не исследованиями, а сплошным внедрением и прикладными разработками.
— Сотрудничает ли IBM с российскими исследовательскими институтами? Пока складывается ощущение, что крупные международные корпорации заинтересованы лишь в развитии аутсорсинга, а не фундаментальных исследовательских проектов здесь.
— Да, посредством действующего в России Научно-технического центра IBM мы, например, ведем совместные разработки в области компьютерного моделирования с Московским государственным университетом.
— Эти исследования можно назвать фундаментальными или это часть прикладных разработок IBM?
— Безусловно можно. Компьютерные науки уже рассматриваются в одном ряду с двумя разделами фундаментальных — теоретическим и экспериментальным. Более того, я считаю, что одна из будущих Нобелевских премий будет вручена теоретикам, внесшим ключевой вклад в разработку систем компьютерного моделирования, позволяющим изучать поведение тех или иных систем, в том числе живых, in silico (в кремнии — «Газета.Ru»), а не in vivo (в реальной жизни).
