DRAM je základní součástí výpočetních technologií, ale není bez chyb. V tomto článku se podíváme na nově navrhovanou paměť – nevolatilní DRAM – a na její srovnání se současnými paměťovými technologiemi.
Výhody a nevýhody různých paměťových technologií
Když mluvíme o výkonu počítače, je velmi snadné podívat se na procesor a udělat si předpoklad podle jeho specifikace, včetně počtu jader, integrovaného specializovaného hardwaru (například hyperthreadingu) a počtu cache, které obsahuje.
Vnější I/O jsou však stejně důležité jako samotný procesor. Proto může být nejrychlejší procesor na trhu stejně pomalý jako deset let starý procesor, pokud oba používají stejný externí hardware. Je to také důvod, proč je při upgradu systému nezbytné, aby návrhář pochopil, co jeho systém zpomaluje.
Tady hraje zásadní roli výběr operační paměti.
Ačkoli tento článek není v žádném případě vyčerpávajícím pojednáním o všech existujících paměťových technologiích, DRAM, SRAM a FLASH nám mohou poskytnout užitečné srovnávací body při diskusi o navrhované paměťové technologii.
DRAM
Ačkoli je k dispozici široká škála různých typů pamětí RAM (s různou rychlostí), téměř vždy se jedná o jeden konkrétní typ: DRAM. DRAM (dynamická paměť s náhodným přístupem) je paměťová technologie založená na nabíjení kondenzátorů, která je neuvěřitelně rychlá a levná na implementaci. Umožňuje také vysokou hustotu.
Paměť DRAM však není bez chyb.
Bit v paměti DRAM lze uložit jako přítomnost nebo nepřítomnost náboje na kondenzátoru.
DRAM je volatilní paměť, což znamená, že ztratí obsah své paměti, jakmile se kondenzátory, které uchovávají bity, vybijí. Doba, po kterou to trvá, se může lišit, ale obvykle se vybijí během několika milisekund. V důsledku toho paměť DRAM vyžaduje obnovovací cykly, které přečtou datové bity a poté je znovu zapíší do čipu, aby se uložená data znovu posílila.
Paměť DRAM je také destruktivně čitelná. To znamená, že při čtení bitu z paměti DRAM je obsah paměťového bitu, ke kterému byl získán přístup, zapomenut, a proto vyžaduje operaci zpětného zápisu. Tyto dva problémy znamenají, že paměť DRAM trpí výkonem, protože vyžaduje neustálé obnovování a opětovný zápis, aby si zachovala svá data.
SRAM
Další existující paměťová technologie, nazývaná SRAM, je volatilní paměťová technologie, která k ukládání bitů nepoužívá kondenzátory. Místo toho obsahuje jednoduchou západku tvořenou šesti tranzistory.
Při vypnutí paměti SRAM sice také dochází ke ztrátě uložených informací, nevyžaduje však obnovovací cykly, protože její konstrukce se zpětnovazebnou smyčkou data při zápisu zafixuje. To také znamená, že čtení dat z buňky SRAM nevyžaduje operaci zpětného zápisu, aby se data zachovala; díky tomu je paměť SRAM rychlejší než DRAM.
Buňka SRAM. Obrázek (upravený) použit s laskavým svolením Encyclopædia Britannica
Je však mnohem dražší na jeden bit, protože vyžaduje šest tranzistorů, zatímco DRAM vyžaduje jediný tranzistor a kondenzátor. Z tohoto důvodu se paměť SRAM často vyskytuje ve vyrovnávací paměti procesoru, kde je požadováno pouze malé množství vysokorychlostní paměti.
FLASH
FLASH je paměťová technologie, která je podobná paměti DRAM a zároveň se od ní liší.
V první řadě je každý bit v paměti FLASH tvořen jedním tranzistorem, ale tyto tranzistory mají speciální vrstvu zvanou plovoucí hradlo. Bity jsou v paměti FLASH ukládány pomocí kvantového tunelování k zachycení elektronů ve vrstvě plovoucího hradla, čímž se tranzistor stává více či méně vodivým.
Když je na bit tranzistoru přivedeno napětí, vodivost tohoto tranzistoru závisí na tom, zda jsou v plovoucím hradle zachyceny elektrony.
Na rozdíl od paměti DRAM je paměť FLASH nevolatilní, což znamená, že paměť FLASH si zachová všechna data do ní uložená i po vypnutí. Přestože však paměť FLASH může být rychle přístupná a má relativně nízké náklady na bit, má dva problémy, které ji činí nepoužitelnou jako operační paměť procesoru.
Buňka FLASH. Obrázek použit s laskavým svolením Cyferz
Prvním problémem je, že NAND FLASH používá topologii paměti, kde jednotlivé bity nelze samostatně vymazat. Místo toho vyžadují vymazání celého bloku paměti (změna jednotlivých bitů vyžaduje velký cyklus vymazání/zápisu).
Druhým problémem je, že paměť FLASH je fyzicky destruktivní. Důvodem je to, že při vymazání bitu FLASH je zapotřebí velké potenciální napětí (přibližně 20 V), aby se odstranily elektrony zachycené v plovoucím hradle. To způsobí malý průraz v oxidové vrstvě a během mnoha cyklů zápisu nakonec dojde ke zničení bitu.
Takové tranzistory mohou přežít až 100 000 cyklů mazání, což není problém pro vyměnitelnou paměť (např. USB flash disk), ale je to nepřijatelné pro použití v DRAM.
Nový návrh
Problémy s FLASH a DRAM by mohla vyřešit nová navrhovaná paměťová technologie, která nabízí kombinaci výhod DRAM s výhodami FLASH.
Nedávno zveřejněný článek IEEE, jehož autory jsou Dominic Lane a Manus Hayne z katedry fyziky Lancasterské univerzity, vysvětluje, jak nová paměťová technologie funguje velmi podobným způsobem jako FLASH.
Elektrony se ukládají na plovoucí hradlo, které uchovává informace. Navrhované paměťové bity však mají trojitou vrstvu AlSb/InAs, která vytváří několik kvantových jamek a je dostatečně silná, aby zajistila dlouhou životnost nebo uchování informace. Konfigurace s trojitou jamkou má také nižší požadavky na napětí pro zápis a mazání.
Schéma navrhované architektury paměti NVRAM. Obrázek použit s laskavým svolením Dominica Lanea a Manuse Haynea
Použití více na sobě uložených vodivých pásů se liší od tradičních pamětí FLASH, protože paměti FLASH se spoléhají na oxidovou vrstvu pro izolaci zachycených elektronů.
Nově navržená paměť používá střídavé polovodičové bariéry. Střídavé pásy vytvářejí vodivé pásy, které postupně zadržují větší energie elektronů, čímž prakticky znemožňují zpětné tunelování elektronů z plovoucího hradla (a tím vytvářejí nevolatilitu).
V článku však není jasně uvedeno, proč nová konstrukce vyžaduje podstatně nižší napětí pro zápis/mazání (je nižší než 2,3 V). Z dalšího čtení vyplývá, že použití více bariér, které jsou blíže u sebe, snižuje napětí potřebné pro tunelování elektronů přes mezeru.
Snížené napětí výrazně snižuje poškození vrstev. Při tunelování elektronů do vodivostních vrstev se zvyšuje odpor proti elektronům, které se snaží tunelovat zpět ven. Použití více vodivostních pásů (které mají různé energetické mezery) znamená, že elektrony musí mít specifickou energii, aby mohly do těchto oblastí tunelovat.
Všechny elektrony zachycené v určité jamce proto budou mít podobnou energii. Tato energie však neumožní elektronu tunelovat do sousedního pásu, čímž dojde k jeho uvěznění.
Závěr
Nový model paměti je slibný jako nová paměťová technologie z několika důvodů. Paměť je nevolatilní, což znamená, že si uchovává data i po vypnutí. To však také znamená, že není potřeba obnovovacích cyklů, což může výrazně zvýšit výkon.
Nový paměťový systém je schopen pracovat s podobnou rychlostí jako přístupové doby DRAM – což je kritická vlastnost, pokud má nahradit DRAM.
Nový návrh paměti také spotřebovává výrazně méně energie díky nižším potřebným napětím hradel. Proto bude na jeden bit odvádět méně tepla. Dokud však výrobce polovodičů nedokáže tento návrh převést na křemík, budeme se muset spokojit se starou dobrou pamětí DRAM.