Technické meze IT technologií

Slavný Moorův zákon přestane už brzo platit. Chip přemýšlí, co se stane potom.
MARKUS MANDAU

Rychlejší, menší, výkonnější – Moorův zákon, formulovaný poprvé již v roce 1965, udává směr vývoje procesorů už skoro padesát let. Dlouho už však asi fungovat nebude. Prozatím platí, že počet tranzistorů v CPU se zdvojnásobí každých 18 až 24 měsíců. Stejně tak rychle roste i kapacita pevných disků, a kapacita flashových pamětí se zvyšuje dokonce ještě rychleji. Gordon Moore při výročí čtyřiceti let platnosti svého zákona v roce 2005 připustil, že vývoj procesorů nemůže probíhat takovým tempem donekonečna, a odhadoval, že jeho zákon pozbude platnosti během deseti až dvaceti let. Vypadá to, že pravda se bude pohybovat spíše okolo spodní hranice tohoto odhadu, protože pokud nedojde k zásadní změně materiálů, ze kterých se procesory vyrábějí, tak už v roce 2015 narazíme na fyzikální hranice budoucího vývoje. Určitého zpomalení jsme svědky už dnes. Frekvence procesorů CPU se již od roku 2007 nezvyšuje, v roce 2012 má být uveden pevný disk s nejvyšší kapacitou, kterou umožňuje současná technologie kolmého zápisu, a pokud by výrobci procesorů chtěli dodržet již oznámené plány vývoje, budou muset nejpozději v roce 2015 opustit křemík a přejít na nějaký jiný materiál. Počítačový průmysl se ale tak snadno nevzdává – většinou se najdou nové materiály a výrobní postupy, které překonají do té doby myslitelné hranice, a dokonce i fyzikální zákony. Koneckonců vývoj je třeba udržovat už jen kvůli tomu, aby mohly počítače i nadále stárnout rychleji než trvanlivé mléko, a jedním z důvodů, proč tak rychle stárnou, je právě Moorův zákon.

Čipy v kvantovém tunelu

Za čtyři roky by podle vývojových plánů Intelu měly procesory dospět do 11nm výrobního procesu. U takto malých struktur bude už třeba počítat se záludnostmi zákonů kvantové mechaniky.
OMEZENÍ: Dodrží-li Intel dosavadní tempo vývoje a své již oznámené plány, dělí nás od 11nm výroby procesorů již jen dvě generace CPU. U čipů vyráběných 11nm procesem budeme muset počítat s tím, že jejich činnost ovlivní řada nechtěných fyzikálních jevů.
Šířka brány tranzistoru se bude u 14nm a 11nm procesorů pohybovat v rozmezí 5 až 6 nm, přičemž dielektrická izolační vrstva kysličníku křemičitého, která reguluje průchod elektronů, bude mít tloušťku jen jedné atomové vrstvy křemíku. V tak malých strukturách tranzistorů hraje důležitou roli i tzv. tunelový jev: podle kvantové mechaniky totiž nelze polohu částic určit přesně, ale pouze s určitou pravděpodobností. Pokud je bariéra stojící v cestě částice příliš tenká, elektron může projít i zavřenou branou tranzistoru, takže místo zamýšleného stavu 0 se tranzistor dostane do stavu 1.

Křemík nahradí nové materiály

ŘEŠENÍ: Jedním z možných řešení mohou být kontrolní výpočty. V určitých intervalech může procesor kontrolovat správnost svých výpočtů, a v případě, že zjistí chybu, zjedná okamžitě nápravu. Intel za tímto účelem vytvořil prototyp procesoru, který sám rozpozná chyby ve výpočtu, které vznikly následkem přetaktování. Poté, co rozpozná chybu, sníží frekvenci a znovu zopakuje daný výpočet, tentokrát již se správným výsledkem. Technologii automatické kontroly správnosti budou moci v budoucnu využít výrobci procesorů například v případě chybně navržených čipů.
Provádění bezchybných výpočtů u procesorů s menšími než 11nm tranzistory bude pravděpodobně (i přes nedávno oznámenou inovaci v podobě 3D tranzistorů, o kterých píšeme více na str. 10) vyžadovat použití nových materiálů dielektrické vrstvy nebo možná i celých tranzistorů. Prvním kandidátem je materiál zvaný grafen, jehož plochou strukturou o tloušťce jediného atomu procházejí elektrony téměř bez odporu. Díky tomu by mohly pracovat grafenové procesory s kmitočtem přesahujícím 100 GHz (nedávno předvedla firma IBM funkční prototyp grafenového procesoru s frekvencí 155 GHz). Problémem grafenu je však fakt, že se na rozdíl od křemíku chová více jako kovový vodič než jako polovodič zachycující elektrony a musí proto být neustále napájen. Při přerušení elektrické energie by ztratil uložené elektrony, a tedy i stav (0 či 1). Větší naději skrývá molybdenit (MoS2), jehož tloušťku lze rovněž zmenšit až na úroveň jednoho atomu. Stejně jako křemík může sloužit jako polovodič a nečiní mu problém přepínat stav tranzistorů. .
Ne všechny problémy při další miniaturizaci výroby procesorů ale souvisejí s použitým materiálem. I kdyby došlo k záměně křemíku za grafen či molybdenit, bude dále nutné vyřešit problém s litografií. V současnosti jsou struktury vypalovány pomocí laseru s vlnovou délkou 193 nm. Vlnová délka určuje velikost těchto struktur, takže se během výroby moderních 32nm procesorů používá řada čoček a vrstva kapaliny. Díky pokročilé optice a většímu množství vrstev může imerzní litografie zvládnout výrobu až 11nm struktury procesoru. Pro tvorbu menších tranzistorů bude nutné použít drahou EUV litografii, pracující s laserem o vlnové délce 13,5 nm. K sériovému nasazení tohoto postupu však zatím chybí objektivy schopné práce se světlem o této vlnové délce.

Omezení
TUNELOVÝ JEV V TRANZISTORU
Pokud je bariéra stojící v cestě částice příliš tenká, může elektron projít i zavřenou branou tranzistoru, jako by prošel tunelem.
Běžná cesta elektronu Pokud je brána tranzistoru pod napětím, otevře se kanál pro průchod elektronů z emitoru (source) do kolektoru (drain).
Gateoxid Dielektrická izolační vrstva kysličníku křemičitého (0,3 nm odpovídá tloušťce 1 atomu křemíku)
Kvantový tunel Je-li vzdálenost emitoru (source) a kolektoru (drain) příliš krátká, může elektron projít zavřeným kanálem, takže tranzistor se místo stavu 0 ocitne ve stavu 1.

Řešení
MOLYBDENIT & GRAFEN
Oba materiály vedou elektrony lépe než křemík a netrpí tunelovým jevem. Již dnes existují první tranzistory, jedná se však stále o prototypy.
Molybdenit Materiál používaný pro výrobu maziv poslouží i pro výrobu tranzistorů.
Grafen Materiál vyrobený na bázi uhlíku umožní dosažení frekvencí převyšujících 100 GHz.

EUV LITOGRAFIE
EUV litografie používá pro vypálení struktur procesoru laser s vlnovou frekvencí 13,5 nm. Tento superpřesný proces může být základem pro výrobu tranzistorů s velikostí pod 11 nm.
Přesná práce Laserový paprsek je směrován pomocí zrcadel s maximální nerovností 0,3 nm.

CPU s vysokým taktem

Hlavním nepřítelem Moorova zákona je tepelné přehřívání procesoru při vysoké frekvenci. Ani moderní vícejádrové procesory zatím nedokážou kompenzovat omezení frekvence.
OMEZENÍ: Při uvedení procesoru Pentium 4 předpokládal Intel, že v roce 2011 budou procesory pracovat s taktovací frekvencí 10 GHz. Řadu let byla frekvence procesoru nejdůležitějším parametrem při nákupu (a tedy i při propagaci) procesorů. Frekvence procesoru udává rychlost řízení tranzistorů, a je tedy spolu s šířkou brány a architekturou procesoru jedním z nejdůležitějších parametrů výpočetní rychlosti jádra CPU. Vzhledem k neustálému zmenšování šířky tranzistorových bran by bylo dnes možné dosahovat velmi vysokých frekvencí CPU. Se zmenšováním šířky tranzistorových bran je také spojeno nechtěné prosakování elektronů, tento problém však do velké míry omezilo použití materiálů, jako je například hafnium.
Nebýt problémů spojených s dramatickým nárůstem spotřeby elektrické energie a hlavně nadměrného zahřívání procesoru, nebyl by problém již dnes vyrábět procesory schopné zpracovat 10 miliard příkazů za sekundu. Pominemeli vysokou spotřebu procesoru, bylo by nutné použít výkonnější (a hlučnější) chladiče a ventilátory, takže Intel i AMD již řadu let drží frekvenci jednotlivých jader pod hranicí 4 GHz a nepočítají s potřebou odvádět z procesoru víc než 150 wattů zbytkového tepla. Jiná situace ale panuje v serverovém segmentu, kde se používají procesory IBM s frekvencí až 5 GHz. Samozřejmě se najdou i milovníci přetaktování, kteří za pomoci tekutého dusíku dokáží uchladit i procesory s frekvencí zvýšenou až na 8 GHz.
Zvýšení výpočetního výkonu není dnes dosahováno zrychlením frekvence jádra, ale použitím vícejádrových procesorů, i když zvyšování počtu jader není tak efektivní, jako by bylo zvyšování frekvence jader (viz vlevo). Nárůst výpočetního výkonu lze ale zařídit i jinak.

Rychlejší výpočty se speciálními procesory

ŘEŠENÍ: Kromě CPU má většina počítačů grafickou kartu s grafickým procesorem, který rovněž disponuje slušným výpočetním výkonem. Společnosti AMD i Intel vyvinuly platformy Fusion a Sandy Bridge, kombinující na jednom čipu CPU i GPU. Každé jádro CPU i GPU má přístup ke společné vyrovnávací paměti a sdílí společnou sběrnici. Díky tomu probíhá jejich komunikace rychleji než u předchozích systémů.
Kombinovaný výkon CPU a GPU lze využít pouze v určitých případech, například pokud potřebujete rychle paralelně zpracovat množství stejných výpočetních operací. Uživatel tak dostane k dispozici kombinovaný výkon CPU a grafického subsystému. Tento koncept má před sebou slibnou budoucnost, jen musíme počkat na větší zájem ze strany vývojářů softwaru. V současné době je na trhu jen pár aplikací podporujících programovací jazyky OpenCL a DirectCompute, které umožňují přenesení části výpočetního výkonu z CPU na GPU.
Heterogenní zpracování výpočetních úloh, tedy specializace určitých jader pro specifické úkoly, najde v budoucnu široké uplatnění nejen v oblasti osobních počítačů, ale také v chytrých telefonech a tabletech. Už příští rok by se měla na trhu objevit nová generace mobilních zařízení s více než dvanácti výpočetními jádry (viz vlevo). V roli tradičního CPU najdeme čtyřjádrový procesor ARM, jehož dvě jádra slouží pro intenzivní zpracování výpočetních úkolů a druhá dvě jádra mají na starosti zpracování operací v reálném čase. Procesor je obklopen specializovanými čipy, které mají za úkol starat se o aplikace, jako jsou 3D grafika či HD video, které dříve spolykaly velkou část výpočetního výkonu CPU. Tento koncept bude nejen dostatečně výkonný, ale zároveň energeticky úsporný.

Omezení
5GHZ IBM POWER6
IBM Power6 pracuje s nejvyšší frekvencí ze všech současných běžně prodávaných procesorů a používá se výhradně v serverech. Potřebujete-li ještě vyšší frekvenci, musíte si pomoci tekutým dusíkem.
2 jádra Goliath S 200wattovým tepelným vyzařováním je Power6 pro použití v PC příliš horký.

Řešení
SANDY BRIDGE S INTEGROVANÝM GPU
U nových procesorů slouží GPU jednotka pro urychlení speciálních výpočetních operací, jako je kódování a převod videa.
CPU plus GPU Všechna výpočetní jádra jsou umístěna na stejném čipu.

12 PROCESORŮ V MOBILU
Čtyři jádra CPU jsou obložena osmi jádry pro speciální výpočty. Procesor Texas Instruments OMAP5 je určen pro nejvýkonnější mobilní zařízení, která přijdou na trh v roce 2012.
CPU pro běžné aplikace Dvě samostatná jádra se starají o aplikace zpracovávané v reálném čase.
Výkonné CPU Dvě jádra jsou určena pro náročné výpočetní úkoly.
3D čip Má na starosti 3D grafické výpočty.
Dekodér Je odpovědný za přehrávání audioa video souborů.
Kryptovací engine Zajišťuje šifrování a dešifrování dat.
Renderovací jednotka Stará se o zobrazení dat na displeji.

ARM Cortex-M4 ARM Cortex-M4
ARM Cortex-A15 MPCore ARM Cortex-A15 MPCore
POWERVR SGX544-MPx 3D graphics IVA-HD Video Accelerator C64x DSP
TI 2D Graphics Image Signal Processor
Audio Processor
M-Shield System Security Technology: SHA-1/SHA-2/MD5, DES/3DES, RNG, AES, PKA, secure WDT, cypto DMA
Multi-Pipe Display Sub-System (DSS)

Vícejádrové procesory přinesou vyšší výkon

OMEZENÍ: Hlavní hráči se dnes zaklínají tím, že více jader přinese vyšší výkon. Až příští rok uvedou AMD a Intel na trh nové generace procesorů, bude osmijádrový procesor běžnou komponentou průměrných počítačů. Pro vícejádrové procesory bude spíše než Moorův zákon platit zákon Amdahlův. Ten popisuje, do jaké míry lze akcelerovat programy paralelně zpracovávané několika výpočetními jádry (viz graf vpravo). Efektivita vícejádrových procesorů dramaticky klesá v případě, kdy program dokáže paralelizovat pouze zlomek svých úkolů. Rychlost zpracování aplikace lze maximálně zdvojnásobit v případě, že alespoň 50 procent jejího kódu dokáže pracovat současně na více jádrech, nezávisle na tom, zda se bavíme o čtyř-, osmi-, nebo dokonce šestnáctijádrových procesorech.
ŘEŠENÍ: Různé přístupy k vývoji paralelního zpracování aplikací se na jedné věci shodují – pouze softwarová řešení nestačí, je třeba, aby jim sekundovala i architektura hardwaru. Intel se tento problém snaží vyřešit výzkumným projektem větvení aplikací. Používá inovovaný kompilátor, který rozdělí neparalelizované programy do samostatných vláken a posílá je do speciálního čipu, umístěného blízko jádrům procesoru, který řídí přístup ke zpracovávaným datům. Profesor Vishkin z marylandské univerzity prosazuje přístup explicitního multithreadingu. Obohatil programovací jazyk C o příkazy Spawn a Join. Příkaz Spawn inicializuje paralelní režimy, ve kterých dokáže CPU zpracovat souběžně několik vláken. Spawn zároveň určuje, kolik vláken lze zároveň zpracovat. Příkaz Join pak tento režim vypíná. Úkolem hardwaru je poté tento kód zpracovat. Profesor Vishikin vyvinul prototyp, ve kterém všechna jádra přistupují do společné velké vyrovnávací paměti s vysokou propustností. Jedno jádro se stará o správu a rozdělování jednotlivých vláken a zároveň zpracovává kód běžící v sériovém režimu.
Jednodušší, ale efektivnější řešení představuje hardwarově akcelerované řazení vláken. Fronta obsahuje seznam vláken zpracovávaných programů a operačního systému, které čekají, než je procesor bude schopen zpracovat. Řazení vláken do fronty je klíčové pro paralelní zpracování programů a má za úkol rozdělit kód do co největšího množství vláken. Na druhou stranu ale čím se prodlužuje fronta čekajících vláken, tím víc se zpomaluje celý systém. Jelikož seznam čekajících vláken se nachází ve vyrovnávací paměti, a ne přímo v procesoru, je pro jejich zpracování třeba počítat průměrně s deseti výpočetními operacemi. Vědci na univerzitě v Severní Karolíně pracují na projektu HAQu (Hardware Accelerated Queueing), který by měl přesunout správu vláken právě do CPU. Nové procesory obsahují v instrukčních sadách SSE a MMX příkazy, které jádru umožňují přímo spravovat frontu čekajících vláken a dramaticky tak snižují množství výpočetních operací potřebných k jejich provedení. K tomu slouží i nová hardwarová jednotka Queue Functional Unit (QF Unit), která zpracovává vlákna čekající na zpracování do tabulky a organizuje je v rámci malé vyrovnávací paměti.

Omezení
AMDAHLŮV ZÁKON
Výpočetní výkon vícejádrových procesorů závisí na tom, jak velkou část zpracovávaného kódu lze zpracovávat paralelně.

Řešení
EXPLICITNÍ MULTITHREADING
Projekt marylandské univerzity obohatil programovací jazyk C o dva nové příkazy, které mají na starosti paralelizaci zpracování kódu.
Příkaz Spawn rozdělí kód do několika vláken.
Příkaz Join sdruží paralelně zpracované kusy kódu do jednoho celku.

HARDWAROVĚ AKCELEROVANÉ ŘAZENÍ

Vědci na univerzitě v Severní Karolíně urychlují paralelní zpracování řazením vláken přímo v CPU.
Vyrovnávací paměť Do fronty ve vyrovnávací paměti ukládají programy a operační systém seznamy vláken ke zpracování.
CPU 1 --- CPU 2
QF jednotka Specializovaná jednotka pro správu vláken.
Lokální tabulka řazení přebírá frontu vláken z vyrovnávací paměti.
V zásobníku probíhá přetřídění příchozích vláken pro další zpracování.

Limitovaná kapacita pevných disků

Kapacita pevných disků se prozatím každých 16 měsíců zdvojnásobovala. 2TB pevný disk dnes nikoho nepřekvapí, 3TB představuje momentální špičku, 4TB je za dveřmi, ale kdoví, jak to půjde dál. Na vině je superparamagnetický jev.
OMEZENÍ: Nárůst kapacity disků je však možný pouze díky zvyšování hustoty magnetického záznamu. Nejobjemnější 3,5" pevné disky mají dnes kapacitu 3 TB a obsahují čtyři plotny, přičemž každá z nich nabízí prostor pro uložení 750 GB dat (viz vlevo). Podle našich informací počítají Western Digital a Seagate s maximální kapacitou 1,3 až 1,4 TB na plotnu. Poté narazí na problém zvaný superparamagnetický jev.
Bity jsou na pevném disku uloženy pomocí kovových částic, jejichž hodnota se mění magnetizací. Zvýšení hustoty záznamu se dosahuje zmenšením množství nebo velikosti částic potřebných k uložení jednoho bitu. Pro zajištění dobré čitelnosti dat je ale třeba, aby jeden bit byl uložen alespoň na dvaceti kovových částicích, jinak je šum signálu příliš silný a hlavička nedokáže bezpečně rozeznat, zda čte hodnotu 0, nebo 1. Zbývá tedy zmenšení částic, ale ani to nelze provádět do nekonečna, jelikož se zmenšováním klesá i jejich magnetická stabilita, takže i drobné teplotní výkyvy uvnitř disku mohou způsobit náhlou změnu magnetizace bitů. Superparamagnetický jev způsobí, že bit s hodnotou 1 se změní na bit 0.

Dvě strategie pro zvýšení hustoty dat

ŘEŠENÍ: Výskyt superparamagnetického jevu závisí na dvou faktorech: velikosti částic a anizotropické energii materiálu, která značí energii potřebnou k jeho magnetizaci a udává, jakou sílu musí hlavička vyvinout ke změně polarizace magnetického materiálu. Vysoká anizotropie magnetických částic s sebou však nese i problém v tom, že není snadné změnit magnetickou orientaci částic a záznamová hlava nemusí být dostatečně výkonná, aby to zvládla. Pokud jsou však částice během zápisu zahřívány laserovým paprskem, jejich anizotropická energie klesne na úroveň, kdy ji dokáže záznamová hlavička překonat. Tato technologie se jmenuje Heat Assisted Media Recording (HAMR). Společnost Seagate předpokládá, že pomocí technologie HAMR lze zvýšit záznamovou hustotu disků až desateronásobně, což by za pomoci dnes používané metody zápisu a používaných materiálů nebylo možné. Pro srovnání: Dnešní HDD disky využívají k záznamu dat částice o průměru 6 nm. Disky pracující s technologií HAMR budou s největší pravděpodobností používat k záznamu dat slitinu železa a platiny (FePt), jejíž částice mají průměr 3 nm a dokážou zajistit až pětkrát vyšší hustotu záznamu. Prototypy "HAMR" disků však zatím neumí využít plného potenciálu této technologie, protože postrádají laserový paprsek, který by s přesností na několik nanometrů dokázal zahřát materiál ploten na teplotu 500 °C.
Omezení daná superparamagnetickým jevem lze obejít, pokud použijeme menší množství větších částic. Společnosti WD, Hitachi a Toshiba chtějí minimalizovat šum signálu lepším oddělením magnetických buněk. Technologie oddělení bitových částic magnetické plotny se nazývá BPM (Bit Patterned Media). Magnetický povrch pevného BPM disku není rovný jako u současných HDD, ale skládá se z řady vyvýšených hrbolků. Toshiba představila prototyp disku s vyvýšeninami o průměru 17 nm. K dokonalosti mu zatím dost chybí, například to, že hlavička dokáže přečíst data na disku, ale nedokáže je měnit. Dalším problémem je dražší výroba ploten, jejichž vrcholky se vyrábějí podobně jako procesory pomocí litografického procesu.

Omezení
CO SE VEJDE NA PLOTNU?
Od roku 2012 bude záznamová hustota magnetických ploten tak vysoká, že nebude možné zaručit stálost magnetizace uložených bitů.
2006 80 GB První plotny s perpendikulárním (kolmým) zápisem.
2010 750 GB V současnosti stále využívaná hustota zápisu.
2011 1,0 TB Již letos lze očekávat 4TB disky s 1TB plotnami.
2012 1,3 TB Limitní hustota zápisu, při níž mohou bity ztrácet svou magnetizaci.

Řešení
HEAT ASSISTED MEDIA RECORDING
Díky menším částicím je dosaženo vyšší záznamové hustoty. K tomu je nutné použít novou směs materiálů, která bude magnetizována za pomoci tepla.
Magnetizace Probíhá kolmým způsobem, stejně jako u současného perpendikulárního záznamu.
Zápisová hlavička Její pohyb nad plochou disku obstarává magnetická cívka.
Laser Zahřívá 17nm částice na teplotu přes 500 °C.
Spot Plocha zahřátá laserem odpovídá jednomu bitu.
Disk Plotna je složena ze směsi železa a platiny.

BIT PATTERNED MEDIA
Pro uložení jednoho bitu stačí menší množství částic. Kvůli dostatečné čitelnosti signálu je třeba shluky částic odpovídající jednomu bitu izolovat.
Magnetické vrcholy Povrch plotny BPM disku je pokryt řadou vrcholů

Flashové buňky ztrácejí spolehlivost

OMEZENÍ: Rychlost a kapacita SSD disků stále rostou. Pro zvyšování jejich kapacity i rychlosti je však třeba zmenšovat flashové buňky. V současnosti je na trhu k dostání první generace SSD disků s 25nm flashovými buňkami, ale připravují se již disky s 20nm buňkami. Výrobci zatím nevědí, jak má další miniaturizace pokračovat. Důvod spočívá ve struktuře flashových buněk: jsou to v podstatě tranzistory s plovoucím hradlem, kterým do nich přicházejí elektrony. Činnost buňky záleží na rozložení elektronů. V běžných SSD discích dokáže MLC buňka (Multi Level Cell) uložit čtyři náboje na tranzistor, tedy dva bity. Proud elektronů je přiveden do plovoucího hradla, a pokud má být buňka znovu přepsána, je třeba uvolnit elektrony, které se v plovoucím hradle nacházejí. Při každém přepsání je však spotřebována část izolační oxidové vrstvy, čímž dochází k jejímu opotřebení. Za tím účelem je rozložení datových přepisů v rámci SSD disku řízeno řadičem, který se stará o co nejrovnoměrnější distribuci zápisu. Čím menší ale budou paměťové buňky, tím rychleji bude docházet k jejich opotřebení.
ŘEŠENÍ: Nejjednodušší cestou ke zvýšení kapacity SSD disků by bylo uložení tří bitů do jedné paměťové buňky, ale to by výrazně zvýšilo možnost výskytu chyb. V budoucnu se počítá s horizontálním umístěním flashových buněk. Společnost Toshiba chce od roku 2013 používat v SSD discích 3D paměťové buňky. Zatím není jasné, jak se 3D tranzistory osvědčí, i tak ale existuje ve vývojových laboratořích řada jiných nástupců flashové technologie, kteří mohou nabídnout vyšší spolehlivost i cca 10x vyšší rychlost.
Kromě memristorů (viz článek Chip 12/2010, str. 46) je jednou z dalších možností technologie Phase-Change Memory (PCM). PCM využívá směs materiálu zvanou chalkogenid, která je složena z germania, antimonu a teluru (GeSbTe). Ta přechází aplikací tepla z amorfní fáze do krystalického stavu. Rychlost čtení dat u tohoto typu paměti odpovídá pamětem RAM, zápis je ale pomalejší, protože pro změnu z krystalického stavu do stavu amorfního je třeba krátkodobě vyvinout teplotu okolo 600 °C. Prozatím však není jisté, zda se technologie PCM dočká stejného rozšíření jako paměť flashového typu. V současné době vyrábí společnost Samsung prototypy paměťových buněk PCM o velikosti 65 nm (viz vpravo). Větší miniaturizace prozatím naráží na tepelné problémy, jelikož k udržení stabilního stavu je třeba buňky velmi rychle ochladit.
Dalším kandidátem je magnetická RAM. Jejím základem je fakt, že elektrony mají kromě náboje také spin, který je buď ve stavu "horním", nebo "dolním". Spin lze měnit působením magnetického pole. Tento jev lze využít pro ukládání dat, protože mezi dvěma polovodiči probíhá proud elektronů, pokud mají elektrony v obou polovodičích stejný spin. Pokud se spin změní, proud elektronů se zastaví. Problém je, že čím menší polovodiče použijeme, tím silnější magnetické pole je třeba ke změně spinu vyvinout. Řešením je tzv. Spin Torque Transfer (STT). Při něm je paměťová buňka naplněna elektrony, které již mají "horní" i "dolní" spin. Paměťové buňky jsou řízené spinově polarizovaným proudem, magnetické pole je zbytečné. Potenciál STT-RAM je do budoucna ohromný, ale stále se jedná o velmi mladou technologii, takže první komerčně dostupné produkty očekáváme nejdříve za tři až čtyři roky.

Omezení
FLASH: ČÍM MENŠÍ, TÍM HORŠÍ
Velikost paměťových buněk SSD disků určuje i jejich životnost, protože menší buňky se rychleji opotřebují. 20nm buňky zatím představují hranici dalšího vývoje.
POČET ZAPISOVACÍCH/ MAZACÍCH CYKLŮ BUŇKY
Změna SSD disky OCZ Vertex 2 jsou nově vybaveny 25nm paměťovými buňkami.

Řešení
PHASE-CHANGE MEMORY
Možným základem budoucích datových úložišť jsou polykrystalické materiály, jejichž stav se působením tepla mění z krystalického na amorfní.
PROGRAMOVATELNÁ ČÁST
Krystalický Malý odpor Bitová hodnota = 0
Amorfní Velký odpor Bitová hodnota = 1
PRAM čip Samsung již rok vyrábí PCM paměti pro mobilní zařízení.
Vrchní elektroda
Polykrystalický materiál (GeSbTe)
Spodní elektroda

SPIN-TORQUE TRANSFER
Elektrony vykazují dva spinové stavy – horní a dolní. Pokud mají oba polovodiče stejný spin, cesta mezi nimi je průchozí.
Tunelová magnetorezistance Spinová polarizace proudu mění stav TMR. Díky tomu mohou paměťové buňky nabývat stavu "0" či "1".
Rozdílný spin Velký odpor: Proud neprobíhá.
Stejný spin Malý odpor: Proud prochází bariérou


VÝROBNÍ PROCES ČIPŮ
KAPACITA PEVNÝCH DISKŮ
FREKVENCE CPU