DRAM on olennainen osa tietotekniikkaa, mutta siinä on myös puutteita. Tässä artikkelissa tarkastelemme uutta ehdotettua muistia – haihtumatonta DRAM-muistia – ja sitä, miten se vertautuu nykyisiin muistitekniikoihin.
Erilaisten muistitekniikoiden hyvät ja huonot puolet
Tietokoneen suorituskyvystä puhuttaessa on hyvin helppoa tarkastella suorittimen toimintaa ja tehdä oletus sen spesifikaatioiden perusteella, mukaan lukien ytimien määrä, integroitu erikoislaitteisto (kuten hyperthreading) ja sen sisältämien välimuistien määrä.
Ulkoisen I/O:n merkitys on kuitenkin yhtä suuri kuin itse suorittimen. Tämän vuoksi markkinoiden nopein prosessori voi olla yhtä hidas kuin 10 vuotta vanha prosessori, jos molemmat käyttävät samaa ulkoista laitteistoa. Siksi on myös tärkeää, että järjestelmää päivitettäessä suunnittelija ymmärtää, mikä hidastaa hänen järjestelmäänsä.
Tässä kohtaa RAM-muistin valinnalla on tärkeä rooli.
Vaikka tämä artikkeli ei suinkaan ole kattava keskustelu kaikista muistitekniikoista, DRAM, SRAM ja FLASH voivat antaa meille hyödyllisiä vertailukohtia, kun keskustelemme ehdotetusta muistitekniikasta.
DRAM
Vaikka erilaisia RAM-muistityyppejä on saatavana laaja valikoima (vaihtelevilla nopeuksilla), ne ovat melkein aina yhtä tiettyä tyyppiä: DRAM. DRAM (dynamic random-access memory) on latauskondensaattoreihin perustuva muistitekniikka, joka on uskomattoman nopea ja halpa toteuttaa. Se mahdollistaa myös suuren muistitiheyden.
Mutta DRAM ei ole täysin virheetön.
DRAM-muistissa bitti voidaan tallentaa kondensaattorin varauksen läsnäolona tai puuttumisena.
DRAM on haihtuva muisti, mikä tarkoittaa, että se menettää muistinsa sisällön, kun bittejä tallentavat kondensaattorit purkautuvat. Tämän kesto voi vaihdella, mutta yleensä se purkautuu muutamassa millisekunnissa. Tämän seurauksena DRAM-muisti vaatii päivityssyklejä, jotka lukevat databitit ja kirjoittavat sitten tiedot takaisin sirulle, jotta tallennetut tiedot vahvistuisivat uudelleen.
DRAM-muisti on myös tuhoutuvasti luettavissa. Tämä tarkoittaa sitä, että kun bitti luetaan DRAM-muistista, sen muistibitin sisältö, jota käytettiin, unohtuu ja vaatii näin ollen takaisinkirjoitusoperaation. Nämä kaksi ongelmaa tarkoittavat, että DRAM-muistin suorituskyky kärsii, koska se vaatii jatkuvaa päivittämistä ja uudelleenkirjoittamista säilyttääkseen tietonsa.
SRAM
Toinen olemassa oleva muistitekniikka, nimeltään SRAM, on haihtuva muistitekniikka, joka ei käytä kondensaattoreita bitin tallentamiseen. Sen sijaan se sisältää yksinkertaisen, kuudesta transistorista koostuvan salpaimen.
Vaikka myös SRAM menettää tallennetun tiedon, kun se kytketään pois päältä, se ei vaadi päivityssyklejä, koska sen takaisinkytkentäsilmukan rakenne salpaa tiedon, kun sitä kirjoitetaan. Tämä tarkoittaa myös sitä, että tiedon lukeminen SRAM-solusta ei vaadi takaisinkirjoitusoperaatiota tiedon säilyttämiseksi; tämä tekee SRAM:sta DRAM:ia nopeamman.
SRAM-solu. Kuva (muokattu) Encyclopædia Britannica
Kuva (muokattu) Encyclopædia Britannica
SRAM on kuitenkin paljon kalliimpi bittiä kohti, koska se vaatii kuusi transistoria, kun taas DRAM vaatii yhden transistorin ja kondensaattorin. Tämän vuoksi SRAM löytyy usein suorittimen välimuistista, jossa tarvitaan vain pieni määrä nopeaa muistia.
FLASH
FLASH on muistitekniikka, joka sekä muistuttaa DRAMia että eroaa siitä.
Ensinnäkin FLASH-muistissa jokainen bitti koostuu yhdestä transistorista, mutta näissä transistoreissa on erityinen kerros, jota kutsutaan kelluvaksi portiksi. Bitit tallennetaan FLASH-muistiin käyttämällä kvanttitunnelointia elektronien vangitsemiseksi kelluvaan porttikerrokseen, mikä tekee transistorista enemmän tai vähemmän johtavan.
Kun transistorin bitin yli kytketään jännite, kyseisen transistorin johtavuus riippuu siitä, onko kelluvaan porttiin vangittuja elektroneja.
Toisin kuin DRAM-muisti, FLASH-muisti on haihtumaton, mikä tarkoittaa sitä, että FLASH-muisti säilyttää siihen tallennetun datan myös silloin, kun se on sammutettu. Vaikka FLASH-muistia voidaan käyttää nopeasti ja sen bittikohtaiset kustannukset ovat suhteellisen alhaiset, siinä on kuitenkin kaksi ongelmaa, jotka tekevät siitä käyttökelvottoman suorittimen RAM-muistina.
Flash-kenno. Image used courtesy of Cyferz
Ensimmäinen ongelma on, että NAND FLASH käyttää muistitopologiaa, jossa yksittäisiä bittejä ei voi poistaa yksinään. Sen sijaan ne edellyttävät koko muistilohkon pyyhkimistä (yksittäisten bittien muuttaminen vaatii suuren pyyhkimis-/kirjoitussyklin).
Toinen ongelma on se, että FLASH-muisti on fyysisesti tuhoisaa. Tämä johtuu siitä, että kun FLASH-bitti pyyhitään, tarvitaan suuri potentiaalijännite (noin 20 V) kelluvaan porttiin jääneiden elektronien poistamiseksi. Tämä aiheuttaa pienen läpilyönnin oksidikerroksessa, ja monien kirjoitussyklien aikana tämä lopulta tuhoaa bitin.
Tällaisten transistorien voidaan odottaa kestävän jopa 100 000 pyyhintäsykliä, mikä ei ole ongelma irrotettavassa muistissa (kuten USB-muistissa), mutta sitä ei voida hyväksyä DRAM-muistissa käytettäväksi.
Uusi ehdotus
FLASH- ja DRAM-muistien ongelmat on ehkä ratkaistu uudella ehdotetulla muistitekniikalla, joka tarjoaa mahdollisuuden yhdistää DRAMin ja FLASHin edut.
IEEE:n julkaisemassa tuoreessa artikkelissa, jonka kirjoittajina ovat Dominic Lane ja Manus Hayne Lancasterin yliopiston fysiikan laitokselta, selitetään, miten uusi muistitekniikka toimii hyvin samankaltaisella menetelmällä kuin FLASH.
Elektronit tallennetaan kelluvaan porttiin tiedon säilyttämiseksi. Ehdotetuissa muistibiteissä on kuitenkin kolminkertainen AlSb/InAs-kerros, joka tuottaa useita kvanttikaivoja ja on tarpeeksi paksu varmistamaan pitkäikäisyys tai tallentamaan tietoa. Kolminkertaisella kuoppakokoonpanolla on myös alhaisemmat jännitevaatimukset kirjoittamista ja pyyhkimistä varten.
Skeema ehdotetun NVRAMin arkkitehtuurista. Image used courtesy of Dominic Lane and Manus Hayne
Moninkertaisten päällekkäisten johtavien kaistojen käyttö eroaa perinteisestä FLASH-muistista, sillä FLASH-muisti luottaa siihen, että oksidikerros eristää loukkuun jääneet elektronit.
Uudessa ehdotetussa muistissa käytetään vuorottelevia puolijohde-esteitä. Vuorotellen vaihtuvat kaistat tuottavat johtavia kaistoja, jotka pidättävät peräkkäin suurempia elektronienergioita, mikä tekee elektronien käänteistunneloitumisen kelluvasta portista käytännöllisesti katsoen mahdottomaksi (ja tuottaa siten haihtumattomuuden).
Artikkelista ei kuitenkaan käy selvästi ilmi, miksi uusi rakenne vaatii huomattavasti pienemmän kirjoitus-/ pyyhintäjännitteen (alle 2,3 V). Tarkempi lukeminen viittaa siihen, että useiden lähempänä toisiaan olevien esteiden käyttö vähentää jännitettä, joka tarvitaan elektronien tunneloitumiseen raon yli.
Vähentynyt jännite vähentää merkittävästi kerroksiin kohdistuvia vaurioita. Kun elektronit tunneloituvat johtaviin kerroksiin, ne lisäävät vastusta elektroneita vastaan, jotka yrittävät tunneloitua takaisin ulos. Useiden johtavuuskaistojen käyttö (joilla on erilaiset energiakaistan raot) tarkoittaa, että elektroneilla on oltava tietty energia, jotta ne voivat tunneloitua näille alueille.
Siten kaikilla tiettyyn kuoppaan loukkuun jääneillä elektroneilla on samanlaiset energiat. Tuo energia ei kuitenkaan salli elektronin tunneloitumista naapurikaistalle, jolloin se jää loukkuun.
Johtopäätös
Uusi muistimalli on lupaava uudeksi muistitekniikaksi useista syistä. Muisti on haihtumaton, eli se säilyttää tietonsa myös sammutettuna. Tämä tarkoittaa kuitenkin myös sitä, että päivityssyklejä ei tarvita, mikä voi parantaa suorituskykyä dramaattisesti.
Uusi muistijärjestelmä pystyy toimimaan samankaltaisilla nopeuksilla kuin DRAM:n käyttöajat – tämä on kriittinen ominaisuus, jos sillä halutaan korvata DRAM.
Uusi muistiehdotus kuluttaa myös huomattavasti vähemmän energiaa, koska vaaditut alhaisemmat porttijännitteet ovat käytössä. Siksi se haihduttaa vähemmän lämpöä bittiä kohden. Mutta ennen kuin puolijohdevalmistaja pystyy ottamaan tämän mallin käyttöön piissä, meidän on tyydyttävä vanhaan kunnon DRAM-muistiin.