DRAM ist eine wesentliche Komponente in der Computertechnologie, aber sie ist nicht ohne Mängel. In diesem Artikel befassen wir uns mit einem neuen vorgeschlagenen Speicher, dem nichtflüchtigen DRAM, und wie er im Vergleich zu den aktuellen Speichertechnologien abschneidet.
Die Vor- und Nachteile verschiedener Speichertechnologien
Wenn es um die Leistung von Computern geht, ist es sehr einfach, die CPU zu betrachten und anhand ihrer Spezifikation, einschließlich der Anzahl der Kerne, der integrierten Spezialhardware (z. B. Hyperthreading) und der Anzahl der Caches, die sie enthält, eine Vermutung anzustellen.
Allerdings ist die externe E/A genauso wichtig wie die CPU selbst. Aus diesem Grund kann die schnellste CPU auf dem Markt genauso langsam sein wie eine 10 Jahre alte CPU, wenn beide die gleiche externe Hardware verwenden. Das ist auch der Grund, warum es bei der Aufrüstung eines Systems wichtig ist, dass der Entwickler weiß, was sein System verlangsamt.
Hier spielt die Wahl des Arbeitsspeichers eine entscheidende Rolle.
Auch wenn dieser Artikel keineswegs eine umfassende Erörterung aller Speichertechnologien darstellt, können DRAM, SRAM und FLASH uns nützliche Vergleichspunkte liefern, wenn wir die vorgeschlagene Speichertechnologie erörtern.
DRAM
Es gibt zwar eine breite Palette verschiedener RAM-Typen (mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten), aber sie sind fast immer von einem bestimmten Typ: DRAM. DRAM (Dynamic Random-Access Memory) ist eine Speichertechnologie, die auf der Aufladung von Kondensatoren basiert und unglaublich schnell und billig zu implementieren ist. Sie ermöglicht auch eine hohe Speicherdichte.
Doch DRAM ist nicht ohne Schwächen.
Ein Bit in DRAM kann als das Vorhandensein oder Fehlen einer Ladung auf einem Kondensator gespeichert werden.
DRAM ist ein flüchtiger Speicher, was bedeutet, dass der Inhalt des Speichers verloren geht, wenn sich die Kondensatoren, die die Bits speichern, entladen. Wie lange das dauert, kann variieren, aber normalerweise entlädt es sich innerhalb weniger Millisekunden. Daher benötigt DRAM Auffrischungszyklen, in denen die Datenbits gelesen und dann wieder in den Chip zurückgeschrieben werden, um die gespeicherten Daten wiederherzustellen.
DRAM wird auch destruktiv gelesen. Das bedeutet, dass beim Auslesen eines Bits aus DRAM der Inhalt des Bits, auf das zugegriffen wurde, vergessen wird und daher ein Rückschreibvorgang erforderlich ist. Diese beiden Probleme führen dazu, dass die Leistung von DRAM leidet, da er ständig aufgefrischt und zurückgeschrieben werden muss, um seine Daten zu behalten.
SRAM
Eine andere Speichertechnologie, SRAM genannt, ist eine flüchtige Speichertechnologie, die keine Kondensatoren zum Speichern von Bits verwendet. Stattdessen enthält sie einen einfachen Zwischenspeicher aus sechs Transistoren.
SRAM verliert zwar auch seine gespeicherten Informationen, wenn es ausgeschaltet wird, benötigt aber keine Auffrischungszyklen, da seine Rückkopplungsschleife die Daten beim Schreiben verriegelt. Dies bedeutet auch, dass beim Lesen von Daten aus einer SRAM-Zelle kein Rückschreibvorgang erforderlich ist, um die Daten zu erhalten; dies macht SRAM schneller als DRAM.
SRAM-Zelle. Bild (modifiziert) mit freundlicher Genehmigung der Encyclopædia Britannica
Doch SRAM ist pro Bit viel teurer, da es sechs Transistoren benötigt, während DRAM nur einen Transistor und einen Kondensator benötigt. Aus diesem Grund wird SRAM häufig in einem CPU-Cache eingesetzt, wenn nur eine kleine Menge an Hochgeschwindigkeitsspeicher benötigt wird.
FLASH
FLASH ist eine Speichertechnologie, die DRAM sowohl ähnelt als auch von ihm abweicht.
Erstens besteht jedes Bit im FLASH-Speicher aus einem einzigen Transistor, aber diese Transistoren haben eine spezielle Schicht, die Floating Gate genannt wird. Bits werden im FLASH-Speicher durch Quanten-Tunneling gespeichert, um Elektronen in der Floating-Gate-Schicht einzufangen, wodurch der Transistor mehr oder weniger leitfähig wird.
Wenn eine Spannung an das Transistor-Bit angelegt wird, hängt die Leitfähigkeit des Transistors davon ab, ob Elektronen im Floating-Gate eingefangen sind.
Im Gegensatz zu DRAM ist FLASH-Speicher nicht flüchtig, d. h., dass FLASH-Speicher alle darin gespeicherten Daten auch nach dem Ausschalten beibehält. Der FLASH-Speicher ist zwar schnell zugänglich und hat relativ niedrige Kosten pro Bit, hat jedoch zwei Probleme, die ihn als CPU-RAM unbrauchbar machen.
Flash-Zelle. Bild mit freundlicher Genehmigung von Cyferz
Das erste Problem besteht darin, dass NAND FLASH eine Speichertopologie verwendet, bei der einzelne Bits nicht allein gelöscht werden können. Stattdessen ist das Löschen eines ganzen Speicherblocks erforderlich (das Ändern einzelner Bits erfordert einen großen Lösch-/Schreibzyklus).
Das zweite Problem ist, dass FLASH-Speicher physikalisch zerstörerisch ist. Der Grund dafür ist, dass beim Löschen eines FLASH-Bits eine große potenzielle Spannung (etwa 20 V) erforderlich ist, um die in einem schwebenden Gate gefangenen Elektronen zu entfernen. Dies verursacht einen kleinen Durchbruch in der Oxidschicht, der über viele Schreibzyklen hinweg das Bit schließlich zerstört.
Solche Transistoren können bis zu 100.000 Löschzyklen überstehen, was für Wechselspeicher (z. B. USB-Sticks) kein Problem darstellt, aber für DRAM nicht akzeptabel ist.
Der neue Vorschlag
Die Probleme mit FLASH und DRAM könnten mit einer neuen vorgeschlagenen Speichertechnologie gelöst werden, die die Vorteile von DRAM mit den Vorteilen von FLASH kombiniert.
Ein kürzlich von der IEEE veröffentlichtes Papier, das von Dominic Lane und Manus Hayne vom Fachbereich Physik der Universität Lancaster verfasst wurde, erklärt, wie die neue Speichertechnologie ähnlich wie FLASH funktioniert.
Elektronen werden auf einem Floating Gate gespeichert, um Informationen zu bewahren. Die vorgeschlagenen Speicherbits haben jedoch eine dreifache AlSb/InAs-Schicht, die mehrere Quantentöpfe erzeugt und dick genug ist, um Langlebigkeit zu gewährleisten oder Informationen zu speichern. Die Triple-Well-Konfiguration hat auch geringere Spannungsanforderungen für das Schreiben und Löschen.
Schematische Darstellung der Architektur des vorgeschlagenen NVRAM. Bild mit freundlicher Genehmigung von Dominic Lane und Manus Hayne
Die Verwendung mehrerer gestapelter leitender Bänder unterscheidet sich von herkömmlichen FLASH-Speichern, da FLASH-Speicher auf die Oxidschicht zur Isolierung der eingeschlossenen Elektronen angewiesen sind.
Der neue vorgeschlagene Speicher verwendet alternierende Halbleiterbarrieren. Die alternierenden Bänder erzeugen leitende Bänder, die nacheinander größere Elektronenenergien halten, wodurch ein umgekehrtes Tunneln von Elektronen aus dem Floating Gate praktisch unmöglich wird (und somit keine Flüchtigkeit entsteht).
Aus dem Artikel geht jedoch nicht klar hervor, warum das neue Design eine wesentlich niedrigere Schreib-/Löschspannung erfordert (weniger als 2,3 V). Die weitere Lektüre deutet darauf hin, dass die Verwendung mehrerer, näher beieinander liegender Barrieren die für das Tunneln der Elektronen über die Lücke erforderliche Spannung verringert.
Die geringere Spannung verringert die Beschädigung der Schichten erheblich. Wenn Elektronen in die Leitungsschichten getunnelt werden, erhöhen sie den Widerstand gegen Elektronen, die versuchen, wieder herauszutunneln. Die Verwendung mehrerer Leitungsbänder (die unterschiedliche Energiebandlücken aufweisen) bedeutet, dass die Elektronen eine bestimmte Energie haben müssen, um in diese Bereiche zu tunneln.
Daher haben alle in einer bestimmten Vertiefung gefangenen Elektronen ähnliche Energien. Diese Energie erlaubt es dem Elektron jedoch nicht, in ein benachbartes Band zu tunneln, wodurch es gefangen wird.
Fazit
Das neue Speichermodell ist aus mehreren Gründen vielversprechend für eine neue Speichertechnologie. Der Speicher ist nichtflüchtig, das heißt, er behält seine Daten auch im ausgeschalteten Zustand. Das bedeutet aber auch, dass keine Auffrischungszyklen erforderlich sind, was die Leistung erheblich verbessern kann.
Das neue Speichersystem ist in der Lage, mit ähnlichen Geschwindigkeiten wie DRAM-Zugriffszeiten zu arbeiten – ein entscheidendes Merkmal, wenn es DRAM ersetzen soll.
Das neue Speichermodell verbraucht aufgrund der erforderlichen niedrigeren Gate-Spannungen auch deutlich weniger Energie. Daher wird pro Bit weniger Wärme abgeleitet. Aber bis ein Halbleiterhersteller dieses Design in Silizium umsetzen kann, müssen wir uns mit dem guten alten DRAM begnügen.