La DRAM è una componente essenziale nelle tecnologie informatiche, ma non è priva di difetti. In questo articolo, esamineremo una nuova memoria proposta – la DRAM non volatile – e come si confronta con le attuali tecnologie di memoria.
Pro e contro delle diverse tecnologie di memoria
Quando si parla di prestazioni del computer, è molto facile guardare la CPU e fare una supposizione in base alle sue specifiche, compreso il numero di core, l’hardware specializzato integrato (come l’hyperthreading), e il numero di cache che contiene.
Tuttavia, l’I/O esterno è importante quanto la CPU stessa. Questo è il motivo per cui la CPU più veloce sul mercato può essere lenta come una CPU di 10 anni fa se entrambe usano lo stesso hardware esterno. È anche per questo che quando si aggiorna un sistema, è essenziale che il progettista capisca cosa sta rallentando il suo sistema.
Ecco dove la scelta della RAM gioca un ruolo vitale.
Anche se questo articolo non è assolutamente una discussione completa di tutte le tecnologie di memoria là fuori, DRAM, SRAM e FLASH possono darci utili punti di confronto quando si discute la tecnologia di memoria proposta.
DRAM
Sebbene ci sia una vasta gamma di diversi tipi di RAM disponibili (con diverse velocità), sono quasi sempre di un tipo specifico: DRAM. La DRAM (memoria dinamica ad accesso casuale) è una tecnologia di memoria basata su condensatori di carica che è incredibilmente veloce ed economica da implementare. Permette anche un’alta densità.
Ma la DRAM non è senza difetti.
Un bit nella DRAM può essere memorizzato come presenza o assenza di carica su un condensatore.
La DRAM è una memoria volatile, il che significa che perde il contenuto della sua memoria quando i condensatori che immagazzinano i bit si scaricano. La durata di questo processo può variare, ma di solito si scarica in pochi millisecondi. Di conseguenza, la DRAM richiede cicli di aggiornamento che leggono i bit di dati e poi riscrivono i dati al chip per rinforzare i dati memorizzati.
La DRAM viene anche letta in modo distruttivo. Ciò significa che quando un bit viene letto dalla DRAM, il contenuto del bit di memoria a cui si è acceduto viene dimenticato e quindi richiede un’operazione di write-back. Questi due problemi fanno sì che la DRAM soffra in termini di prestazioni, poiché richiede continui refresh e riscritture per conservare i suoi dati.
SRAM
Un’altra tecnologia di memoria che esiste, chiamata SRAM, è una tecnologia di memoria volatile che non usa condensatori per immagazzinare bit. Invece, include un semplice latch fatto di sei transistor.
Anche se la SRAM perde le sue informazioni memorizzate quando viene spenta, non richiede cicli di aggiornamento perché il suo design ad anello di feedback blocca i dati quando vengono scritti. Questo significa anche che la lettura dei dati da una cella SRAM non richiede un’operazione di write-back per conservare i dati; questo rende la SRAM più veloce della DRAM.
Cella SRAM. Immagine (modificata) usata per gentile concessione di Encyclopædia Britannica
Tuttavia, la SRAM è molto più costosa per bit poiché richiede sei transistor, mentre la DRAM richiede un singolo transistor e un condensatore. A causa di questo, la SRAM si trova spesso nella cache di una CPU dove è richiesta solo una piccola quantità di memoria ad alta velocità.
FLASH
FLASH è una tecnologia di memoria che è sia simile che distinta dalla DRAM.
In primo luogo, ogni bit nella memoria FLASH è costituito da un singolo transistor, ma questi transistor hanno uno strato speciale chiamato floating gate. I bit vengono memorizzati nella memoria FLASH utilizzando il tunneling quantistico per intrappolare gli elettroni nello strato del gate flottante, che rende il transistor più o meno conduttivo.
Quando viene applicata una tensione attraverso il bit del transistor, la capacità conduttiva di quel transistor dipenderà dalla presenza o meno di elettroni intrappolati nel gate flottante.
A differenza della DRAM, la memoria FLASH è non volatile, il che significa che la memoria FLASH manterrà tutti i dati memorizzati quando viene spenta. Tuttavia, mentre la memoria FLASH può essere di rapido accesso e ha un costo relativamente basso per bit, ha due problemi che la rendono inutilizzabile come RAM della CPU.
Cella flash. Immagine usata per gentile concessione di Cyferz
Il primo problema è che la NAND FLASH usa una topologia di memoria in cui i singoli bit non possono essere cancellati da soli. Richiedono invece la cancellazione di un intero blocco di memoria (cambiare i singoli bit richiede un grande ciclo di cancellazione/scrittura).
Il secondo problema è che la memoria FLASH è fisicamente distruttiva. La ragione di ciò è che quando un bit FLASH viene cancellato, è necessaria una grande tensione potenziale (circa 20 V) per rimuovere gli elettroni intrappolati in un gate flottante. Questo causa una piccola quantità di rottura nello strato di ossido e in molti cicli di scrittura, questo finirà per distruggere il bit.
Questi transistor possono sopravvivere fino a 100.000 cicli di cancellazione, che non è un problema per la memorizzazione rimovibile (come una chiavetta USB), ma è inaccettabile per l’uso in DRAM.
La nuova proposta
I problemi con FLASH e DRAM potrebbero essere stati risolti con una nuova tecnologia di memoria proposta che offre di combinare i vantaggi della DRAM con quelli della FLASH.
Un recente documento pubblicato da IEEE e redatto da Dominic Lane e Manus Hayne presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Lancaster spiega come funziona la nuova tecnologia di memoria con un metodo molto simile alla FLASH.
Gli elettroni sono memorizzati su un gate flottante per conservare le informazioni. Tuttavia, i bit di memoria proposti hanno un triplo strato AlSb/InAs che produce pozzi quantici multipli ed è abbastanza spesso per garantire la longevità o conservare le informazioni. La configurazione a triplo pozzo ha anche requisiti di tensione inferiori per la scrittura e la cancellazione.
Schema dell’architettura della NVRAM proposta. Immagine usata per gentile concessione di Dominic Lane e Manus Hayne
L’uso di bande conduttive multiple impilate differisce dalla memoria FLASH tradizionale poiché la memoria FLASH si basa sullo strato di ossido per isolare gli elettroni intrappolati.
La nuova memoria proposta usa barriere semiconduttive alternate. Le bande alternate producono bande conduttive che tengono successivamente energie di elettroni più grandi, rendendo praticamente impossibile il tunneling inverso di elettroni dal gate fluttuante (producendo così la non-volatilità).
Tuttavia, l’articolo non dice chiaramente perché il nuovo design richiede una tensione di scrittura/cancellazione notevolmente inferiore (essendo inferiore a 2,3 V). Ulteriori letture suggeriscono che l’uso di barriere multiple che sono più vicine tra loro riduce la tensione necessaria agli elettroni per attraversare in tunnel il gap.
La tensione ridotta riduce significativamente i danni fatti agli strati. Man mano che gli elettroni entrano negli strati di conduzione, aumentano la resistenza contro gli elettroni che cercano di uscire. L’uso di bande di conduzione multiple (che hanno band gap energetici diversi) significa che gli elettroni devono avere un’energia specifica per poter tunnelare in quelle regioni.
Quindi, tutti gli elettroni intrappolati in un pozzo specifico avranno energie simili. Questa energia, tuttavia, non permetterà all’elettrone di tunnelare in una banda vicina, intrappolandolo così.
Conclusione
Il nuovo modello di memoria mostra la promessa di una nuova tecnologia di memoria per diverse ragioni. La memoria non è volatile, il che significa che conserva i suoi dati anche quando è spenta. Ma questo significa anche che non c’è bisogno di cicli di aggiornamento, il che può migliorare drasticamente le prestazioni.
Il nuovo sistema di memoria è in grado di funzionare a velocità simili ai tempi di accesso della DRAM – una caratteristica critica se si vuole sostituire la DRAM.
La nuova proposta di memoria usa anche molta meno energia a causa delle tensioni di gate più basse richieste. Pertanto, dissiperà meno calore per bit. Ma fino a quando un produttore di semiconduttori può prendere questo progetto e metterlo sul silicio, dovremo accontentarci della buona vecchia DRAM.