La DRAM est un composant essentiel des technologies informatiques mais elle n’est pas sans défaut. Dans cet article, nous allons examiner une nouvelle mémoire proposée – la DRAM non volatile – et comment elle se compare aux technologies de mémoire actuelles.
Les avantages et les inconvénients des différentes technologies de mémoire
Lorsqu’on parle des performances d’un ordinateur, il est très facile de regarder le CPU et de faire une supposition par ses spécifications, notamment le nombre de cœurs, le matériel spécialisé intégré (comme l’hyperthreading) et le nombre de caches qu’il contient.
Cependant, les E/S externes sont tout aussi importantes que le CPU lui-même. C’est pourquoi le CPU le plus rapide du marché peut être aussi lent qu’un CPU vieux de 10 ans si les deux utilisent le même matériel externe. C’est aussi pourquoi, lors de la mise à niveau d’un système, il est essentiel que le concepteur comprenne ce qui ralentit son système.
C’est là que le choix de la mémoire vive joue un rôle essentiel.
Bien que cet article ne soit en aucun cas une discussion exhaustive de toutes les technologies de mémoire existantes, la DRAM, la SRAM et la FLASH peuvent nous donner des points de comparaison utiles lorsque nous discutons de la technologie de mémoire proposée.
DRAM
Bien qu’il existe un large éventail de différents types de RAM disponibles (avec des vitesses variables), ils sont presque toujours d’un type spécifique : DRAM. La DRAM (dynamic random-access memory) est une technologie de mémoire basée sur des condensateurs de charge qui est incroyablement rapide et bon marché à mettre en œuvre. Elle permet également une densité élevée.
Mais la DRAM n’est pas sans défaut.
Un bit en DRAM peut être stocké comme la présence ou l’absence de charge sur un condensateur.
La DRAM est une mémoire volatile, ce qui signifie qu’elle perd le contenu de sa mémoire au fur et à mesure que les condensateurs qui stockent les bits se déchargent. Le temps que cela prend peut varier, mais généralement, il se décharge en quelques millisecondes. Par conséquent, la DRAM nécessite des cycles de rafraîchissement qui lisent les bits de données et réécrivent ensuite les données sur la puce pour renforcer les données stockées.
La DRAM est également lue de manière destructive. Cela signifie que lorsqu’un bit est lu dans la DRAM, le contenu du bit de mémoire auquel on a accédé est oublié et nécessite donc une opération de réécriture. Ces deux problèmes font que la DRAM souffre de performances puisqu’elle nécessite un rafraîchissement et une réécriture constants pour conserver ses données.
SRAM
Une autre technologie de mémoire qui existe, appelée SRAM, est une technologie de mémoire volatile qui n’utilise pas de condensateurs pour stocker le bit. Au lieu de cela, elle comprend un simple verrou composé de six transistors.
Bien que la SRAM perde également ses informations stockées lorsqu’elle est éteinte, elle ne nécessite pas de cycles de rafraîchissement car sa conception en boucle de rétroaction verrouille les données lorsqu’elles sont écrites. Cela signifie également que la lecture des données d’une cellule SRAM ne nécessite pas d’opération de réécriture pour conserver les données ; cela rend la SRAM plus rapide que la DRAM.
Cellule SRAM. Image (modifiée) utilisée avec l’aimable autorisation de l’Encyclopædia Britannica
Cependant, la SRAM est beaucoup plus chère par bit car elle nécessite six transistors, alors que la DRAM ne nécessite qu’un seul transistor et un condensateur. Pour cette raison, la SRAM se trouve souvent dans un cache de CPU où seule une petite quantité de mémoire à haute vitesse est nécessaire.
FLASH
La FLASH est une technologie de mémoire qui est à la fois similaire et distincte de la DRAM.
Premièrement, chaque bit dans la mémoire FLASH est composé d’un seul transistor, mais ces transistors ont une couche spéciale appelée une porte flottante. Les bits sont stockés dans la mémoire FLASH en utilisant l’effet tunnel quantique pour piéger les électrons dans la couche de la grille flottante, ce qui rend le transistor plus ou moins conducteur.
Lorsqu’une tension est appliquée aux bornes du bit du transistor, la capacité conductrice de ce transistor dépendra de la présence ou non d’électrons piégés dans la grille flottante.
Contrairement à la DRAM, la mémoire FLASH est non volatile, ce qui signifie que la mémoire FLASH conservera toutes les données qui y sont stockées lorsqu’elle est éteinte. Cependant, alors que la mémoire FLASH peut être rapide à accéder et a un coût relativement faible par bit, elle a deux problèmes qui la rendent inutilisable comme mémoire vive de CPU.
Cellule flash. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Cyferz
Le premier problème est que NAND FLASH utilise une topologie de mémoire où les bits individuels ne peuvent pas être effacés seuls. Ils nécessitent au contraire l’effacement de tout un bloc de mémoire (la modification des bits individuels nécessite un grand cycle d’effacement/écriture).
Le deuxième problème est que la mémoire FLASH est physiquement destructrice. La raison en est que lorsqu’un bit FLASH est effacé, une tension potentielle importante (environ 20 V) est nécessaire pour éliminer les électrons piégés dans une grille flottante. Cela provoque une petite quantité de rupture dans la couche d’oxyde et, sur de nombreux cycles d’écriture, cela finira par détruire le bit.
On peut s’attendre à ce que de tels transistors survivent jusqu’à 100 000 cycles d’effacement, ce qui n’est pas un problème pour le stockage amovible (comme une clé USB), mais est inacceptable pour une utilisation dans la DRAM.
La nouvelle proposition
Les problèmes de la FLASH et de la DRAM ont peut-être été résolus avec une nouvelle technologie de mémoire proposée qui offre de combiner les avantages de la DRAM avec les avantages de la FLASH.
Un récent article publié par l’IEEE et rédigé par Dominic Lane et Manus Hayne du département de physique de l’université de Lancaster explique comment la nouvelle technologie de mémoire fonctionne selon une méthode très similaire à celle de la FLASH.
Des électrons sont stockés sur une grille flottante pour conserver les informations. Cependant, les bits de mémoire proposés ont une triple couche AlSb/InAs qui produit de multiples puits quantiques et est suffisamment épaisse pour assurer la longévité ou stocker des informations. La configuration à triple puits a également des exigences de tension plus faibles pour l’écriture et l’effacement.
Schéma de l’architecture de la NVRAM proposée. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Dominic Lane et Manus Hayne
L’utilisation de plusieurs bandes conductrices empilées diffère de la mémoire FLASH traditionnelle, car la mémoire FLASH s’appuie sur la couche d’oxyde pour isoler les électrons piégés.
La nouvelle mémoire proposée utilise des barrières semi-conductrices alternées. Les bandes alternées produisent des bandes conductrices qui retiennent successivement des énergies d’électrons plus importantes, ce qui rend pratiquement impossible l’effet tunnel inverse des électrons de la grille flottante (d’où la production de la non-volatilité).
Cependant, l’article n’indique pas clairement pourquoi la nouvelle conception nécessite une tension d’écriture/effacement considérablement plus faible (étant inférieure à 2,3 V). Une lecture plus approfondie suggère que l’utilisation de plusieurs barrières plus rapprochées réduit la tension nécessaire aux électrons pour traverser l’espace par effet tunnel.
La tension réduite réduit considérablement les dommages causés aux couches. Lorsque les électrons pénètrent par effet tunnel dans les couches de conduction, ils augmentent la résistance contre les électrons qui tentent de ressortir par effet tunnel. L’utilisation de plusieurs bandes de conduction (qui ont des bandes interdites d’énergie différentes) signifie que les électrons doivent avoir une énergie spécifique pour pouvoir entrer par effet tunnel dans ces régions.
Par conséquent, tous les électrons piégés dans un puits spécifique auront des énergies similaires. Cette énergie, cependant, ne permettra pas à l’électron d’entrer par effet tunnel dans une bande voisine, le piégeant ainsi.
Conclusion
Le nouveau modèle de mémoire est prometteur comme nouvelle technologie de mémoire pour plusieurs raisons. La mémoire est non volatile, ce qui signifie qu’elle conserve ses données même lorsqu’elle est éteinte. Mais cela signifie également qu’il n’y a pas besoin de cycles de rafraîchissement, ce qui peut améliorer considérablement les performances.
Le nouveau système de mémoire est capable de fonctionner à des vitesses similaires aux temps d’accès de la DRAM – une caractéristique critique si elle doit remplacer la DRAM.
La nouvelle proposition de mémoire utilise également beaucoup moins d’énergie en raison des tensions de grille inférieures requises. Par conséquent, elle dissipera moins de chaleur par bit. Mais jusqu’à ce qu’un producteur de semi-conducteurs puisse prendre cette conception et la mettre sur le silicium, nous devrons nous contenter de la bonne vieille DRAM.