Hoe wordt werkgeheugen in de toekomst nog sneller?

Wanneer we over werkgeheugen spreken, dan kunnen we het over allerlei verschillende soorten hebben. In dit artikel kijken we naar het geheugen, en dan met name naar de toekomst. Want hoe wordt geheugen de komende tijd doorontwikkeld?

Lees ook: Waar op te letten bij aanschaf RAM

Geheugen wordt in een computer toegepast voor verschillende doeleinden. Denk aan het werkgeheugen van de processor (cpu). Dit geheugen is het primaire geheugen van je computer. Dit soort geheugen noemen we RAM, random-acces memory. Op een grafische kaart zit uiteraard ook geheugen, het zogeheten VRAM. Dit is het werkgeheugen wat de gpu (graphics processing unit) van de grafische kaart gebruikt.

Zowel het interne geheugen van je computer als het videogeheugen wordt gebruikt om data in weg te schrijven en uit te lezen. Dit noemen we vluchtig geheugen, zodra dit geheugen spanning verliest is de data verloren. Dus als je je computer uit zet staan er geen gegevens meer in het RAM en VRAM. Vluchtig geheugen is daarom niet geschikt om data in te bewaren. Het bewaren van data doen we op een harde schijf, blu-ray of ssd. Dit type opslaggeheugen behoudt wel zijn gegevens als de spanning ervan af wordt gehaald. We spreken dan over niet-vluchtig geheugen.

Geheugen op videokaarten

Grafische kaarten maken gebruik van speciaal dram-geheugen, graphics ddr (gddr). Alhoewel er veel overeenkomsten zijn, wijkt gddr-geheugen af van het ddr-geheugen dat voor intern geheugen wordt gebruikt. Bij grafische kaarten is geheugenbandbreedte van hogere prioriteit dan de ‘Latency’ (reactiesnelheid) van het geheugen. De ‘latency’ van geheugen is de snelheid waarop het geheugen reageert op de geheugencontroller, hoe lager hoe beter. Voor een cpu is de reactiesnelheid van het geheugen weer belangrijker.

De meeste grafische kaarten maakten tot voor kort gebruik van gddr5-geheugen. Daar zien we verandering in komen. Een goed voorbeeld is Nvidia’s nieuwe GeForce GTX 1080. Deze grafische kaart maakt gebruik van gddr5x-geheugen. Dit type geheugen is door Micron doorontwikkeld van gddr5-geheugen en is veel sneller. Door de hoge snelheden is er ook een veel hogere geheugenbandbreedte mogelijk. Ter illustratie: een GeForce GTX 980 heeft gddr5-geheugen met een snelheid van 1750 MHz een bandbreedte van 224 GB/s. De GTX 1080 heeft met eenzelfde 256-bit geheugencontroller een bandbreedte van 320 GB/s. Dit komt doordat het gddr5x-geheugen op een snelheid van 2500 MHz is geklokt. Deze snelheden waren bij gddr5-geheugen niet denkbaar.

Media has no description

© PXimport

HBM - high bandwidth memory

De tweede ontwikkeling voor grafische kaarten is HBM (high-bandwith memory). Dit wordt door AMD al sinds 2015 gebruikt in hun Radeon R9 Fury X grafische kaart. HBM heeft een veel lagere kloksnelheid dan gddr5x. Het HBM op de Radeon R9 Fury X is slechts op 500 MHz geklokt. Zeer hoge snelheden zijn bij HBM ook niet nodig, de bandbreedte wordt op een hele andere manier behaald.

Bij HBM worden de geheugencellen in lagen gestapeld. Elke laag heeft een 128-bit geheugen bus, 8 van deze lagen gestapeld zorgt dat dit totaal 1024-bit wordt. Bij een Radeon R9 Fury X resulteert dit in een bandbreedte van maar liefst 512GB/s. Een van de grootste nadelen van de 1ste generatie HBM is capaciteit. De Radeon R9 Fury X heeft dan ook slechts 4GB HBM, terwijl een GeForce GTX 1080 beschikt over 8GB gddrx. Dit probleem moet bij de 2de generatie (HBM2) worden opgelost.

Grafische kaarten met 16GB aan HBM2 en een bandbreedte van 1024GB/s, moeten hierdoor mogelijk zijn. De verwachting is dat zowel AMD als Nvidia, in 2017 grafische kaarten met HBM2 zullen uitbrengen. We gaan ervan uit dat daarna alle nieuwe High-end grafische kaarten gebruik maken van HBM2. Vermoedelijk zal gddr5x de komende jaren gebruikt worden bij de grafische kaarten in het middensegment.

Opvolger van DDR4

Bijna alle nieuwe midden en high-end computers maken voor het interne geheugen gebruik van ddr4. Op korte termijn blijft dit de standaard en zullen we alleen verbeteringen zien in de snelheid van dit geheugen en capaciteit. Reepjes van 16 GB ddr4-3200 geheugen zijn nu al verkrijgbaar. Je zou misschien verwachten dat ddr5 een logische vervolg stap is. Dat is echter niet het geval, fabrikanten hebben moeite om ddr5 te maken met een lage reactiesnelheid. De voornaamste reden dat er geen ddr5 komt is omdat fabrikanten al bezig zijn met andere alternatieven om ddr4 op te volgen. Het zijn de volgende drie geheugen types: ‘Wide I/O 2’, HMC en HBM.

Als eerste ‘Wide I/O 2’. Dit is de tweede generatie Wide I/O geheugen en wordt rechtstreeks op de SoC (system on a chip) gestapeld. Een SoC is meer dan een processor alleen. Het bevat een cpu, maar daarnaast ook ander functionaliteit zoals de gpu en wifi. Doordat ‘Wide I/O 2’ rechtstreeks op de SoC is gestapeld is er een lagere reactiesnelheid en snellere communicatie tussen de chip en het geheugen. Nadeel is dat de hitte van de SoC door het geheugen heen moet.

Voornamelijk smartphones en tablets maken gebruik van een SoC. De verwachting is dan ook dat Wide I/O 2 geheugen voornamelijk hierin gebruikt zal worden. Als vervanging van het ddr4-geheugen zal het vermoedelijk nog niet zo snel komen. Pas als in laptops en desktopcomputers de cpu’s meer en meer worden vervangen door SoC’s zal Wide I/O 2 een logische stap zijn.

De tweede mogelijke opvolger van ddr4 is de Hybrid Memory Cube, HMC. Dit is een nieuwe geheugen standaard van Intel en Micron. Ook andere grote fabrikanten werken hieraan mee, Microsoft, IBM, Samsung, HP en ARM. Het is ontworpen voor multicore cpu’s.

Ten opzichte van ddr4 heeft het een veel hogere geheugen bandbreedte, lagere reactiesnelheden en verbruikt het minder stroom. Ook dit type geheugen is opgebouwd uit gestapelde geheugenlagen. Helaas is de prijs per gigabyte van HMC een stuk hoger dan dat van ddr4. De eerste HMC-modules worden in de loop van 2016 en 2017 verwacht.

Tot slot HBM, dit is hetzelfde ‘High Bandwith Memory’ die we ook bij de grafische kaarten terugzien. Aangezien steeds meer cpu’s een geïntegreerde grafische processor hebben, is de stap naar HBM zo gek nog niet. HBM biedt een enorme bandbreedte en verbruikt minder stroom dan HMC. AMD wil in de loop van 2016 een APU uitbrengen die met HBM werkt. Welke van de drie nieuwe geheugen types de nieuwe standaard voor intern geheugen gaat worden is nu nog onduidelijk. Voorlopig zijn we nog lang niet af van het ddr4-geheugen.

VNAND, 3D-NAND

Bij opslag kijken we in de eerste instantie naar ssd’s. De harde schijf is inmiddels een achterhaalde techniek. De meest actuele ontwikkeling bij ssd’s is de stap van NAND naar 3D NAND flashgeheugen. Bij 3D NAND (ook wel VNAND), wordt het flashgeheugen in lagen opgeslagen. De nieuwste generatie VNAND-chips bestaan al uit 48-lagen is 256 Gbit groot.

Samsung heeft de grootste ssd op zijn naam, door een ssd te bouwen van maar liefst 16 TB. De volgende stap is een verdubbeling naar 96-lagen voor 512 Gbit-chips. Toekomstige generaties zullen dit weer verdubbelen naar 192-lagen voor 1024 Gbit-chips. Samsung verwacht dat al in 2017 te halen. Chips met deze opslagcapaciteit en omvang waren met het oudere NAND-flashgeheugen niet denkbaar.

Media has no description

© PXimport

Er is een aantal geheugentypes die in aanmerking komen om VNAND te vervangen. Als eerste MRAM, ook wel Magnetoresistive of Magnatic random-access memory. Net als flash-geheugen is MRAM bedoeld om geheugen vast te houden en ideaal voor opslag van data. MRAM maakt gebruik van magnetisme. De geheugen cellen bestaan uit verschillende magnetische lagen. Een cel bevat twee magnetische lagen die gescheiden zijn door een isolatielaag.

De magnetische laag kan een noordpool of zuidpool zijn. Als beide lagen gelijk zijn (parallel) staat dit voor een 0. Als beiden verschillend zijn (anti-parallel) dan is dit gelijk aan een 1. Als een geheugencel parallel is dan is de weerstand lager dan bij een anti-parallelle cel. Door de weerstand te ‘lezen’ kan er dus bepaald worden of de cel een 0 of een 1 is.

MRAM

Omdat MRAM net zo snel is dan de huidige ramtechnieken zijn, zou het niet alleen interessant als vervanger voor NAND-flashgeheugen voor dataopslag, maar ook voor intern geheugen. Omdat een niet-vluchtig geheugen is blijft de data in het interne geheugen bewaard, ook als de computer uit is. Stel je eens voor hoe snel dan je computer zou opstarten? Het geheugen is tenslotte al gevuld.

Hoewel er al MRAM-chips worden gemaakt, voornamelijk door Everspin, is MRAM nog niet doorgebroken. De voornaamste reden is de prijs, het maken van MRAM is op dit moment nog veel te kostbaar. Als de kosten omlaag zullen gaan, kan dit heel goed het geheugen van de toekomst worden. Een variatie op MRAM is STT-RAM (Spin-transfer torque memory). Ook dit type MRAM wordt door Eversping gemaakt.

Het tweede type geheugen dat een goede kandidaat is voor het geheugen van de toekomst, is PCRAM/PRAM, ook wel Phase-change memory. Net als MRAM is Phase-change memory een niet-vluchtig geheugen. Dit betekent dat het geheugen kan vasthouden, ook als het geen spanning heeft. De geheugencellen van PRAM kunnen van structuur veranderen, het materiaal kan kristallijn of amorf zijn. De weerstand van de geheugen cel is afhankelijk van de status waar het materiaal zich in verkeerd.

Net als bij MRAM-geheugen bepaalt de mate van weerstand of er een 0 (lage weerstand) of een 1 (hoge weerstand) is opgeslagen. De data wordt bij PRAM vele malen sneller gelezen en wegeschreven dan bij NAND-flashgeheugen. Er zijn redelijk wat bedrijven die bezig zijn met de ontwikkeling van PRAM. Waaronder grote namen als Samsung, IBM, Micron, Western Digital en Intel. Prototypes zijn er al, maar voorlopig is men nog ver verwijderd van massaproductie.

Media has no description

© PXimport

3D Xpoint

Iets dichter aan de horizon ligt 3D Xpoint (spreek uit als 3D crosspoint). In juli 2015 is deze nieuwe technologie door Micron en Intel aangekondigd. Het betreft niet-vluchtig geheugen. Het geheugen zou 1000 keer sneller en 1000 keer duurzamer zijn dan NAND-geheugen. De reactiesnelheid is veel sneller dan bij NAND, maar nog wel iets hoger dan bij DRAM.

Men verwacht dat men de reactiesnelheid nog verder om laag kan brengen. Als dat gebeurd zou deze techniek ook interessant worden ter vervanging van DRAM. Net als MRAM is 3D Xpoint niet-vluchtig geheugen, dit maakt het extra interessant om als intern geheugen te gaan gebruiken.

Opvallend genoeg noemen Micron en Intel het nieuwe geheugen niet als vervanging van NAND en DRAM, maar als product wat zich hiertussen positioneert. Op dit moment is het nadeel van 3D Xpoint voornamelijk de prijs. De prijs per gigabyte van een 3D Xpoint ssd zal hoger liggen dan ssd voorzien van VNAND-geheugen.

Vergeleken met dram-geheugen is de prijs wel lager. Extra voordeel van 3D Xpoint is de geheugen dichtheid, er kan veel meer GB per chip worden opgeslagen, tot 10 keer meer dan conventioneel geheugen. Dit komt voornamelijk door de manier waarop een 3D Xpoint geheugenchip wordt gemaakt. Net als bij VNAND, HMC en HBM-geheugen worden de geheugenlagen gestapeld, waardoor er een hogere geheugendichtheid ontstaat. Op dit moment zijn dit slechts twee lagen, maar dat kan in de toekomst meer worden. Daarnaast heeft het geheugen geen transistors nodig, waardoor er meer ruimte is voor geheugen cellen en dus een nog hogere geheugendichtheid.

De manier waarop de data wordt opgeslagen en gelezen lijkt erg veel op hoe dat bij Phase-change memory (PRAM) ook wordt gedaan. Bij conventioneel geheugen worden de 0 en 1 waarde bepaald op basis van wel of geen spanning. Bij 3D Xpoint leest een ‘selector’ de geheugen cel door met stroom op de cellen te bepalen wat de weerstand is. Een lage of hoge weerstand bepaald of het een 0 of een 1 is. De ‘selector’ kan ook data wegschrijven in de geheugen cel. Dit gebeurt door de eigenschappen van het materiaal van de cel te veranderen en daarmee dus ook de weerstand.

Media has no description

© PXimport

Intel heeft aangekondigd dat de eerste opslagproducten met 3D Xpoint-technologie onder de naam ‘Optane’ worden verkocht. In april 2016 heeft Intel een demonstratie gedaan van hun eerst Optane producten. Twee gekoppelde Optane ssd’s kopieerden 25 GB data in minder dan 15 seconden. Dit ging met een snelheid van ongeveer 1,9GB per seconde. In dezelfde testopstelling kwamen twee gewone ssd’s niet boven de 300MB per seconden uit.

5D Optical Disc

Data opslaan op een glazen schijf? Wetenschappers van de universiteit van Southampton is het gelukt. Men noemt dit 5D optisch geheugen. Door middel van een razendsnelle laser wordt de data in nanostructuren opgeslagen. Op dit moment kan men al 360 terabyte opslaan op een glazen schijf met een diameter van 1 inch (2,54 cm). Bijkomend voordeel van de ‘5D optical disc’ is de duurzaamheid.

De 5D Optical storage blijft miljarden jaren bewaard. Daarnaast kan het tegen temperatuur tot, maar liefst 1000 graden. Dit type geheugen is overigens uitsluitend bedoeld om heel veel data langdurig te bewaren. Denk hierbij aan archieven of bibliotheken. Het ligt niet in de verwachting dat deze schijfjes voor multimedia of thuiscomputers gebruikt zullen worden.

Om te begrijpen hoe dit werkt is de vergelijking met een compact disc nodig. Van cd wordt data met een laser gelezen, de laser gaat over een dun lijntje met bultjes. Het uitlezen verloopt door de reflectie van de laser. Als er een bultje is wordt er een 1 gelezen, als er geen bultje is dan is het een 0. Dit geeft slechts twee dimensies aan informatie. Bij de 5D disc wordt de data opgeslagen in nanostructuren. Net als de lijn met bultjes op een cd reflecteren de nanostructuren de laser. Maar in plaats van het wel of niet reflecteren (2D) zijn er vijf mogelijkheden (5D).

Uit de reflectie van de laser worden de volgende vijf punten aan informatie gehaald: de drie dimensies van de nanostructuur zelf, de oriëntatie van de nanostructuur en de manier waarop het licht gebroken wordt door de nanostructuur. Hierdoor is de geheugendichtheid vele malen groter dan dat van bijvoorbeeld en blu-ray. Een Ultra HD blu-ray kan maximaal 100 GB bevatten, de 5D optica disc 3600 keer zoveel, 360 terabyte.

Conclusie

Een ding mag duidelijk zijn, op alle vlakken wordt geheugen in allerlei vormen en maten doorontwikkeld. Het probleem met veel van de besproken ontwikkelingen is dat ze simpelweg in ontwikkeling zijn. Het kan nog jaren duren voordat MRAM, Phase-change Ram, 5D optical discs, Memristor of andere toekomstige geheugentechnieken op de markt komen.

Wat we in de nabije toekomst wel mogen verwachten is HBM2 voor grafische kaarten en 3D Xpoint voor Flash geheugen. Voor intern geheugen is voorlopig alleen DDR4 met hogere snelheden en capaciteit de verwachting. Daarna volgen wellicht HBM, HMC of Wide I/O 2.

Tekst: Michiel de Roode

Deel dit artikel
Voeg toe aan favorieten