DRAM er en vigtig komponent i computerteknologier, men det er ikke uden fejl. I denne artikel vil vi se på en ny foreslået hukommelse – ikke-flygtig DRAM – og hvordan den kan sammenlignes med de nuværende hukommelsesteknologier.
For- og ulemperne ved forskellige hukommelsesteknologier
Når man taler om computerydelse, er det meget nemt at se på CPU’en og foretage en antagelse ud fra dens specifikationer, herunder antallet af kerner, integreret specialiseret hardware (såsom hyperthreading) og antallet af caches, som den indeholder.
Den eksterne I/O er imidlertid lige så vigtig som selve CPU’en. Det er derfor, at den hurtigste CPU på markedet kan være lige så langsom som en 10 år gammel CPU, hvis begge bruger den samme eksterne hardware. Det er også derfor, at det ved opgradering af et system er vigtigt, at designeren forstår, hvad der bremser deres system.
Det er her, at valget af RAM spiller en afgørende rolle.
Selv om denne artikel på ingen måde er en omfattende diskussion af alle de hukommelsesteknologier, der findes, kan DRAM, SRAM og FLASH give os nyttige sammenligningspunkter, når vi diskuterer den foreslåede hukommelsesteknologi.
DRAM
Selv om der findes en lang række forskellige RAM-typer (med varierende hastigheder), er de næsten altid af én bestemt type: DRAM. DRAM (dynamic random-access memory) er en hukommelsesteknologi baseret på opladning af kondensatorer, som er utrolig hurtig og billig at implementere. Den giver også mulighed for høj tæthed.
Men DRAM er ikke uden fejl.
En bit i DRAM kan lagres som tilstedeværelsen eller fraværet af ladning på en kondensator.
DRAM er en flygtig hukommelse, hvilket betyder, at den vil miste indholdet af sin hukommelse, når kondensatorerne, der lagrer bitsene, aflader sig selv. Hvor lang tid det tager, kan variere, men normalt vil den aflade inden for få millisekunder. Som følge heraf kræver DRAM opdateringscyklusser, der læser databittene og derefter skriver dataene tilbage til chippen for at forstærke de lagrede data igen.
DRAM er også destruktivt læst. Det betyder, at når en bit læses fra DRAM, glemmes indholdet af den hukommelsesbit, der blev tilgået, og det kræver derfor en tilbageskrivningsoperation. Disse to problemer betyder, at DRAM’s ydeevne bliver dårligere, da det kræver konstant genopfriskning og genindskrivning for at bevare sine data.
SRAM
En anden eksisterende hukommelsesteknologi, kaldet SRAM, er en flygtig hukommelsesteknologi, der ikke bruger kondensatorer til at lagre bit. I stedet indeholder den en simpel latch, der består af seks transistorer.
Mens SRAM også mister sine lagrede oplysninger, når den slukkes, kræver den ikke opdateringscyklusser, fordi dens feedback loop-design låser data, når de skrives. Dette betyder også, at læsning af data fra en SRAM-celle ikke kræver en tilbageskrivningsoperation for at bevare dataene; dette gør SRAM hurtigere end DRAM.
SRAM-celle. Billede (modificeret) anvendt med tilladelse fra Encyclopædia Britannica
SRAM er imidlertid langt dyrere pr. bit, da det kræver seks transistorer, mens DRAM kun kræver en enkelt transistor og en kondensator. På grund af dette findes SRAM ofte i en CPU-cache, hvor der kun er behov for en lille mængde højhastighedshukommelse.
FLASH
FLASH er en hukommelsesteknologi, der både ligner og adskiller sig fra DRAM.
For det første består hver bit i FLASH-hukommelse af en enkelt transistor, men disse transistorer har et særligt lag kaldet en floating gate. Bits lagres i FLASH-hukommelse ved hjælp af kvantetunnling til at fange elektroner i floating gate-laget, hvilket gør transistoren mere eller mindre ledende.
Når der påføres en spænding over transistorens bit, vil den pågældende transistors ledende evne afhænge af, om der er elektroner fanget i floating gate.
I modsætning til DRAM er FLASH-hukommelse ikke-flygtig, hvilket betyder, at FLASH-hukommelse bevarer alle data, der er gemt på den, når den er slukket. Men selv om FLASH-hukommelse kan være hurtig at få adgang til og har en relativt lav pris pr. bit, har den to problemer, der gør den ubrugelig som CPU RAM.
Flash-celle. Billede anvendt med tilladelse fra Cyferz
Det første problem er, at NAND FLASH anvender en hukommelsestopologi, hvor de enkelte bits ikke kan slettes på egen hånd. De kræver i stedet, at en hel blok af hukommelsen slettes (ændring af individuelle bits kræver en stor slette/skrivecyklus).
Det andet problem er, at FLASH-hukommelse er fysisk ødelæggende. Årsagen hertil er, at når en FLASH-bit slettes, kræves der en stor potentiel spænding (ca. 20 V) for at fjerne de elektroner, der er fanget i en flydende gate. Dette forårsager et lille sammenbrud i oxidlaget, og over mange skrivecyklusser vil dette i sidste ende ødelægge bitten.
Disse transistorer kan forventes at overleve op til 100.000 sletningscyklusser, hvilket ikke er et problem for flytbar lagring (f.eks. en USB-stick), men er uacceptabelt til brug i DRAM.
Det nye forslag
Problemerne med FLASH og DRAM er måske blevet løst med en ny foreslået hukommelsesteknologi, der tilbyder at kombinere fordelene ved DRAM med fordelene ved FLASH.
Et nyligt offentliggjort dokument fra IEEE og forfattet af Dominic Lane og Manus Hayne fra Institut for Fysik på Lancaster University forklarer, hvordan den nye hukommelsesteknologi fungerer på en metode, der minder meget om FLASH.
Elektroner lagres på en flydende gate for at fastholde information. De foreslåede hukommelsesbits har imidlertid et tredobbelt AlSb/InAs-lag, der producerer flere kvantebrønde og er tykt nok til at sikre lang levetid eller lagre information. Den tredobbelte brøndkonfiguration har også lavere spændingskrav til skrivning og sletning.
Skematisk fremstilling af den foreslåede NVRAM’s arkitektur. Billedet er anvendt med tilladelse fra Dominic Lane og Manus Hayne
Brugen af flere stablede ledende bånd adskiller sig fra traditionel FLASH-hukommelse, da FLASH-hukommelse er afhængig af oxidlaget til at isolere de indfangede elektroner.
Den nye foreslåede hukommelse anvender vekslende halvlederbarrierer. De vekslende bånd producerer ledende bånd, der successivt holder større elektronenergier, hvilket gør omvendt tunnelføring af elektroner fra den flydende gate praktisk talt umulig (og dermed skaber ikke-flygtighed).
I artiklen fremgår det imidlertid ikke klart, hvorfor det nye design kræver en betydeligt lavere skrive-/slettespænding (mindre end 2,3 V). Yderligere læsning tyder på, at brugen af flere barrierer, der er tættere på hinanden, reducerer den spænding, der er nødvendig for, at elektronerne kan tunnelere over kløften.
Den reducerede spænding reducerer i væsentlig grad den skade, der påføres lagene. Når elektroner tunnles ind i ledningslagene, øger de modstanden mod de elektroner, der forsøger at tunnle ud igen. Brugen af flere ledningsbånd (som har forskellige energibåndgab) betyder, at elektroner skal have en bestemt energi for at kunne tunnle ind i disse områder.
Dermed vil alle de elektroner, der er fanget i et bestemt brønd, have samme energi. Denne energi vil imidlertid ikke gøre det muligt for elektronen at tunnelere ind i et nabobånd og dermed fange den.
Slutning
Den nye hukommelsesmodel er lovende som en ny hukommelsesteknologi af flere grunde. Hukommelsen er ikke-flygtig, hvilket betyder, at den bevarer sine data, selv når den er slukket. Men det betyder også, at der ikke er behov for opdateringscyklusser, hvilket kan forbedre ydeevnen dramatisk.
Det nye hukommelsessystem er i stand til at fungere ved lignende hastigheder som DRAM-adgangstider – en kritisk egenskab, hvis det skal erstatte DRAM.
Det nye hukommelsesforslag bruger også betydeligt mindre energi på grund af de lavere gate-spændinger, der er nødvendige. Det vil derfor afgive mindre varme pr. bit. Men indtil en halvlederproducent kan tage dette design og sætte det på silicium, må vi nøjes med god gammeldags DRAM.