A DRAM a számítástechnika alapvető eleme, de nem mentes a hibáitól. Ebben a cikkben egy új javasolt memóriát – a nem-illékony DRAM-ot – fogjuk megvizsgálni, és azt, hogy hogyan viszonyul a jelenlegi memóriatechnológiákhoz.
A különböző memóriatechnológiák előnyei és hátrányai
A számítógép teljesítményéről beszélve nagyon könnyű megnézni a CPU-t, és annak specifikációja alapján feltételezéseket tenni, beleértve a magok számát, a beépített speciális hardvert (például a hyperthreadinget) és a benne található gyorsítótárak számát.
A külső I/O azonban ugyanolyan fontos, mint maga a CPU. Ezért lehet a piacon kapható leggyorsabb CPU ugyanolyan lassú, mint egy 10 éves CPU, ha mindkettő ugyanazt a külső hardvert használja. Ezért is fontos, hogy egy rendszer frissítésekor a tervező tisztában legyen azzal, hogy mi lassítja a rendszerét.
Ez az a pont, ahol a RAM kiválasztása létfontosságú szerepet játszik.
Bár ez a cikk korántsem az összes létező memóriatechnológia átfogó tárgyalása, a DRAM, az SRAM és a FLASH hasznos összehasonlítási pontokat adhat a javasolt memóriatechnológia megvitatásakor.
DRAM
Míg a különböző RAM-típusok széles választéka áll rendelkezésre (változó sebességgel), ezek szinte mindig egy adott típusba tartoznak: DRAM. A DRAM (dinamikus véletlen hozzáférésű memória) egy töltőkondenzátorokon alapuló memóriatechnológia, amely hihetetlenül gyors és olcsón megvalósítható. Nagy sűrűséget is lehetővé tesz.
A DRAM azonban nem hibátlan.
A DRAM-ban egy bitet úgy lehet tárolni, mint egy kondenzátoron lévő töltés jelenlétét vagy hiányát.
A DRAM illékony memória, ami azt jelenti, hogy a biteket tároló kondenzátorok lemerülésével elveszíti a memória tartalmát. Ennek időtartama változó lehet, de általában néhány milliszekundumon belül lemerül. Ennek eredményeként a DRAM-nak frissítési ciklusokra van szüksége, amelyek kiolvassák az adatbiteket, majd újra visszaírják az adatokat a chipre, hogy újra megerősítsék a tárolt adatokat.
A DRAM-ot destruktív módon is ki lehet olvasni. Ez azt jelenti, hogy amikor egy bitet kiolvasnak a DRAM-ból, a memóriabit tartalma, amelyhez hozzáfértek, elfelejtődik, és ezért visszaírási műveletet igényel. Ez a két probléma azt jelenti, hogy a DRAM teljesítménye csökken, mivel az adatok megőrzéséhez folyamatos frissítésre és újraírásra van szükség.
SRAM
Egy másik létező memóriatechnológia, az úgynevezett SRAM egy olyan illékony memóriatechnológia, amely nem használ kondenzátorokat a bit tárolásához. Ehelyett egy egyszerű, hat tranzisztorból álló reteszt tartalmaz.
Míg az SRAM kikapcsoláskor szintén elveszíti a tárolt információt, nincs szükség frissítési ciklusokra, mivel a visszacsatolási hurok kialakítása az adatokat íráskor reteszeli. Ez azt is jelenti, hogy egy SRAM-cellából történő adatolvasáshoz nem szükséges visszaírási művelet az adatok megőrzéséhez; ez teszi az SRAM-ot gyorsabbá, mint a DRAM-ot.
SRAM-cella. A (módosított) képet az Encyclopædia Britannica
Az SRAM azonban bitenként jóval drágább, mivel hat tranzisztort igényel, míg a DRAM egyetlen tranzisztort és kondenzátort. Emiatt az SRAM gyakran megtalálható a CPU gyorsítótárában, ahol csak kis mennyiségű nagysebességű memóriára van szükség.
FLASH
A FLASH egy olyan memóriatechnológia, amely egyszerre hasonlít és különbözik a DRAM-tól.
Először is, a FLASH memóriában minden bit egyetlen tranzisztorból áll, de ezek a tranzisztorok egy speciális réteggel rendelkeznek, amelyet lebegő kapunak neveznek. A bitek tárolása a FLASH-memóriában úgy történik, hogy a kvantumalagút segítségével az elektronok csapdába esnek a lebegő kapurétegben, ami a tranzisztort többé-kevésbé vezetővé teszi.
Ha a tranzisztor bitjén feszültséget kapcsolunk, a tranzisztor vezetőképessége attól függ, hogy vannak-e a lebegő kapuban csapdába esett elektronok.
A DRAM-tól eltérően a FLASH-memória nem illékony, ami azt jelenti, hogy a FLASH-memória kikapcsolás után is megőrzi a rajta tárolt adatokat. Bár azonban a FLASH-memória gyorsan hozzáférhető és viszonylag alacsony bitenkénti költséggel rendelkezik, két olyan problémája van, amelyek miatt CPU RAM-ként használhatatlanná válik.
Flash-cella. A képet a Cyferz
jóvoltából használtuk
Az első probléma az, hogy a NAND FLASH olyan memóriatopológiát használ, ahol az egyes bitek nem törölhetők önmagukban. Ehelyett egy egész memóriablokk törlésére van szükség (az egyes bitek megváltoztatása nagy törlési/írási ciklust igényel).
A második probléma az, hogy a FLASH memória fizikailag romboló hatású. Ennek oka, hogy egy FLASH bit törlésekor nagy potenciális feszültség (kb. 20 V) szükséges a lebegő kapuban csapdába esett elektronok eltávolításához. Ez az oxidrétegben kis mértékű áttörést okoz, és sok írási ciklus során ez végül tönkreteszi a bitet.
Az ilyen tranzisztorok várhatóan akár 100 000 törlési ciklust is túlélnek, ami nem jelent problémát a cserélhető tárolók (például egy USB-stick) esetében, de elfogadhatatlan a DRAM-ban való felhasználásnál.
Az új javaslat
A FLASH és a DRAM problémáit talán megoldja egy új javasolt memóriatechnológia, amely a DRAM és a FLASH előnyeit kínálja.
A Lancaster Egyetem Fizika Tanszékén Dominic Lane és Manus Hayne által jegyzett, az IEEE által nemrég közzétett tanulmány elmagyarázza, hogyan működik az új memóriatechnológia a FLASH-hez nagyon hasonló módszerrel.
Elektronokat tárolnak egy lebegő kapun az információ megőrzéséhez. A javasolt memóriabitek azonban egy hármas AlSb/InAs réteggel rendelkeznek, amely több kvantumkutat hoz létre, és elég vastag ahhoz, hogy hosszú élettartamot biztosítson vagy információt tároljon. A hármas kútkonfigurációnak alacsonyabb feszültségigénye is van az íráshoz és a törléshez.
A javasolt NVRAM felépítésének vázlata. A képet Dominic Lane és Manus Hayne
A több egymásra helyezett vezető sáv használata eltér a hagyományos FLASH memóriától, mivel a FLASH memória a csapdába esett elektronok szigetelésében az oxidrétegre támaszkodik.
A javasolt új memória váltakozó félvezető gátakat használ. A váltakozó sávok olyan vezető sávokat hoznak létre, amelyek egymás után nagyobb elektronenergiákat tartanak meg, így gyakorlatilag lehetetlenné teszik az elektronok fordított alagútját a lebegő kapuról (így előállítva a nem-volatilitást).
A cikkből azonban nem derül ki egyértelműen, hogy az új konstrukció miért igényel lényegesen alacsonyabb írási/ törlési feszültséget (2,3 V-nál kisebbet). További olvasmányok azt sugallják, hogy a több, egymáshoz közelebb eső gát alkalmazása csökkenti az elektronok számára a résen való átalagozáshoz szükséges feszültséget.
A csökkentett feszültség jelentősen csökkenti a rétegek károsodását. Ahogy az elektronok a vezetőrétegekbe alagutaznak, növelik az ellenállást a visszaalagutatni próbáló elektronokkal szemben. A több vezetési sáv használata (amelyek különböző energiájú sávhézagokkal rendelkeznek) azt jelenti, hogy az elektronoknak meghatározott energiával kell rendelkezniük ahhoz, hogy képesek legyenek alagutat építeni ezekbe a régiókba.
Ezért az összes, egy adott kútban csapdába esett elektron hasonló energiájú lesz. Ez az energia azonban nem teszi lehetővé, hogy az elektron egy szomszédos sávba alagútba menjen, és ezáltal csapdába essen.
Következtetés
Az új memóriamodell több okból is ígéretes új memóriatechnológiaként. A memória nem illékony, ami azt jelenti, hogy kikapcsolt állapotban is megőrzi az adatokat. Ez azonban azt is jelenti, hogy nincs szükség frissítési ciklusokra, ami drámaian javíthatja a teljesítményt.
Az új memóriarendszer a DRAM hozzáférési idejéhez hasonló sebességgel képes működni – ez kritikus tulajdonság, ha a DRAM-ot fel akarja váltani.
Az új memóriajavaslat a szükséges alacsonyabb kapufeszültségek miatt jelentősen kevesebb energiát is fogyaszt. Ezért bitenként kevesebb hőt fog elvezetni. De amíg egy félvezetőgyártó nem tudja ezt a tervezetet szilíciumra vinni, addig be kell érnünk a jó öreg DRAM-mal.