I Sunnyvale i Californien lige syd for San Francisco ligger firmaet Unity Semiconductor i en meget anonymt udseende kontorbygning. Imidlertid foregår der en spændende udvikling af hukommelseschip, der på lidt længere sigt kan blive en alvorlig konkurrent for de flash-produkter, som vi kender i dag.

Fra CMOS til CMOx

Vi besøgte firmaet for at få et nærmere indblik i, hvilken teknologi det er, som firmaet satser på. Unity Semiconducotr kalder den nye teknologi for CMOx, hvilket spiller på forkortelsen CMOS kombineret med et x. CMOS er en forkortelse for Complementary Metal Oxide Semiconductor og er den teknologi, der blandt andet anvendes til fremstilling af processorer og ramchip. Derfor er teknologien velkendt og chip, der anvender denne teknologi kan fremstilles stort set over alt i verden.

Unitys hukommelseschip består af to forskellige dele, eller lag om man vil, der ligger oven på hinanden. Det nederste lag er fremstiller i traditionel CMOS-teknologi. Den nuværende protypechip er fremstillet i 130nm procesteknologi, mens den endelige chip vil anvende 90nm teknologi. Oven på dette traditionelle lag lægges en såkaldt crossbar, hvor små ledninger går lodret og vandret hen over chippen. Disse små ledninger anvendes til at adressere hver enkelt hukommelsescelle, der udelukkende består at en diode, der minder meget om HP's memristor, der blev påvist sidste år.

Det øverste lag er ligeledes fremstillet i 130nm procesteknologi, men vil blive flyttet til 45nm i den endelige chip. Det er således alene det øverste lag, der adskiller chippen fra en almindelig CMOS-chip. For produktionen betyder dette, at det kun er det øverste lag, der skal specialfremstilles. En fabrik til produktion af dette koster ifølge Christophe Chevallier omkring 6 milliarder kroner, hvilket er en meget mindre investering end de omkring 25 milliarder kroner, der skal investeres i en fabrik til produktion af flash-chip.

På figur 2 kan du se en hukommelsescelle. Du skal bemærke, at Unity har valgt en tredimensionel struktur, hvor der lægges fire hukommelseslag oven på hinanden, hvilket giver den fornødne kapacitet til at kunne konkurrere med flash.

Ny vin på gamle flasker

CMOx har flere teknologiske fordele i forhold til flash. Den vigtigste er nok, at det er muligt at adressere hver enkelt bit individuelt, hvilket betyder, at det er muligt meget hurtigt at genskrive data. I en flashchip skal en hel blok af data først slettes og derefter genprogrammeres, hvis man blot ændrer en enkelt bit. En anden fordel er chippens interface tril omverdenen, idet Unity har valgt at implementer et almindeligt ddr-interface, som kendes fra almindelige ram-chip. For designere betyder dette, at det ikke er nødvendigt at sætte sig ind i et nyt interface. De kan blot fremstille hukommelsesmoduler med CMOx, der lignert traditionelle ram-moduler.

"Med vores enkle design forventer vi nemt at kunne konkurrere med flash på designesiden, samtidig med at vi forventer, at prisen for vores chip vil være nogenlunde den samme som for flashchiop,” sige Christophe Chevallier, der er chef for Unitys udviklingsafdeling til Alt om DATA.

Han fortsætter med at fortælle, at spændingsforsyningen vil blive på under 5V, hvor det er nødvendigt med op til 20V til flashchip, da denne spænding skal anvendes, når en blok skal slettes for atter at kunne blive programmeret.

En hurtig chip

Den endelige chip, der forventes på markedet i slutningen af næste år får en kapacitet på 64kb, hvilket vil sige, at en usb-nøgle med en kapacitet på 64GB kan fremstilles af otte CMOx-chip samt en controllerchip. Ifølge Christophe Chevallier er usb-nøgler formentlig det første produkt, som vi vil se. Den næste type produkter bliver SSD'er.

Ydeevnen for CMOx-chippene er her meget interessante, daUnity forventer en læsehastighed på 100MB/s og en skrivehastighed på 70MB/s. Dette lyder måske ikke af meget, men det er værd at huske, at en SSD består af mange chip, der tilgås parallelt, hvilket typisk vil sige, at chippene er delt op på ti kanaler, hvilket giver en maksimal læsehastighed på 1GB/s samt en skrivehastighed på 600MB/s.

Sådan ser en hukommelsescelle i CMOx ud. Bemærk, at der er fire hukommelseslag, hvilket giver den fornødne kapacitet til at kunne konkurrere med flash.

Disse hastigheder stiller igen store krav til det eksterne interface. Derfor kan man godt forestille sig bundkort, hvor der bliver monteret ekstra dimm-sokler, der ikke bruges til traditionel ram, men udelukkende til CMOx-chip, der anvendes som en SSD.

Dette skyldes blandt andet, at den nuværende SATA-specifikation har en øvre grænse for overførselshastigheden på 300MB/s, mens den kommende revision fordobler hastigheden til 600MB/s, hvilket dog stadig ikke er nok til en veldesignet SSD.

En bonus for indlejrede systemer

I indlejrede systemer, hvor der typisk ikke skrives og læses så meget fra hukommelsen som på en almindelig pc, vil CMOx helt kunne erstatte traditionel ram. Dette vil igen betyde, at det aldrig mere vil være nødvendigt at boote en indlejret computer fra en eksterne enhed, da indholdet af hukommelsen altid er intakt - også efter en strømafbrydelse.

Christophe Chevallier ser et stort potentiale i at anvende et almindeligt ddr-interface til Unitys CMOx'chip.

Unity Semiconductor har ingen aktuelle planer om at lade andre firmaer tegne licens på deres teknologi. I stedet leder de efter en partner, der vil bygge den fabrik, til omkring fem milliarder kroner, der skal fremstiller chippenes øverste lag. Unity og partneren skal så begge kunne markedsføre produkterne, præcis som det er tilfældet med SanDisk og Toshiba, der i dag har et samarbejde, hvor det primært er Toshiba, der står for den fysiske produktion af flashchippene.

Mens Unity har de første prototype på 64kb klar i laboratoriet må vi vente med tålmodighed et godt års tid endnu, inden den endelige chip er klar til produktion. På dette tidspunkt vil det også vise sig, om it-industrien er klar til at anvende den nye teknologi.

Hukommelseshierarkiet

På figuren kan du se hukommelseshierarkiet i en typisk computer. Ovenfra og ned falder hastigheden og prisen, samtidig med at mængden af hukommelse stiger. Således starter man typisk med processorens registre, dernæst statisk ram, der sidder i processorens cache, dynamisk ram, der udgør hovedhukommelsen. Dernæst kommer Unitys hukommelse og endelig den traditionelle harddisk, der stadig giver den højeste lagringskapacitet til den laveste pris.

Hukommelseshierarkiet i en typisk computer, hvor den dyreste teknologi er øverst og den billigste nederst. Samtidig viser pyramiden også, at den dyreste teknologi er den, der er mindst af i computeren.

Hvad med flash?

Flashchip trives stadigvæk. Intel og Micron er netop begyndt at sælge en chip, hvor der gemmes tre bit pr. celle med en kapacitet på 32Gb. Den er fremstillet i en 34nm procesteknologi, men i løbet af de kommende 18 måneder forventer firmaerne at kunne skrumpe chippen til 24nm, hvilket vil fordoble kapaciteten.

Mindre dimensioner giver imidlertid anledning til problemer, da der er plads til færre elektroner i hver celle. Færre elektroner betyder øget mulighed for fejl, hvis man ikke er meget omhyggelig under designet og produktionen af chippene.

Flere bit per celle

Intel og Micron har netop sendt en flash-chip på markedet, hvor der gemmes op til tre bit pr. celle. SanDisk og Toshiba har vist en teknologidemonstration med op til fire bit for hver celle. Unity Semiconductor går i højden med fire hukommelseslag, hvilket giver fire bit på samme areal, som en flashchip anvender.