DRAMはコンピュータ技術に不可欠なコンポーネントですが、欠点がないわけではありません。 今回は、新しいメモリとして提案されている不揮発性DRAMについて、現在のメモリ技術と比較しながら見ていきます。
The Pros and Cons of Different Memory Technologies
コンピューターのパフォーマンスについて話すとき、CPU を見て、コアの数、ハイパースレッディングなどの統合特殊ハードウェア、内蔵キャッシュの数などの仕様から推測することは非常に簡単です。 このため、市場で最速の CPU が、同じ外部ハードウェアを使用している場合、10 年前の CPU と同じように遅くなることがあります。 また、システムをアップグレードする際に、何がシステムの速度を低下させているかを設計者が理解することが重要である理由もここにあります。
この記事は決して世の中のすべてのメモリ テクノロジーを包括的に論じたものではありませんが、DRAM、SRAM、および FLASH は、提案されたメモリ テクノロジーについて議論する際に有用な比較ポイントを与えてくれます。
DRAM
RAM には幅広い種類のものがありますが（速度はさまざま）、それらはほぼ常にある特定のタイプになります。 DRAM です。 DRAM (Dynamic random-access memory) は、充電コンデンサに基づくメモリ技術で、信じられないほど高速かつ安価に実装することができます。 しかし、DRAM にも欠点があります。
DRAM のビットは、コンデンサー上の電荷の有無として保存できます。
DRAMは揮発性メモリであり、ビットを格納するコンデンサが放電すると、記憶内容が失われる。 この時間の長さは様々ですが、通常は数ミリ秒以内に放電します。 その結果、DRAM は、データ ビットを読み取り、データをチップに再書き込みして保存データを再強化するリフレッシュ サイクルを必要とします。 つまり、DRAM からビットを読み出すと、アクセスしたメモリ ビットの内容を忘れてしまうため、ライトバック動作が必要になります。 この2つの問題により、DRAMはデータを保持するために常にリフレッシュと再書き込みを必要とするため、性能が低下してしまうのです。
SRAM
SRAMと呼ばれるもうひとつのメモリ技術は、ビットを格納するためにキャパシタを使用しない揮発性メモリ技術である。 その代わりに、6 つのトランジスタで構成される単純なラッチを含みます。
SRAM も電源を切ると保存した情報が失われますが、フィードバック ループ設計により、データが書き込まれるとラッチされるので、リフレッシュ サイクルを必要としません。 これは、SRAM セルからデータを読み取る際に、データを保持するためのライトバック動作が不要であることも意味します。 画像（修正）使用：Encyclopædia Britannica
しかし、DRAM が単一のトランジスタとコンデンサーで済むのに対し、SRAM は 6 つのトランジスタを必要とするので、ビットあたりのコストははるかに高くなります。 このため、SRAM は、少量の高速メモリしか必要としない CPU キャッシュでよく見られます。
FLASH
FLASH は、DRAM に似ていると同時に異なるメモリ テクノロジーです。 ビットは、量子トンネル効果を使ってフローティングゲート層に電子を閉じ込めることにより FLASH メモリに保存され、これによりトランジスタは多かれ少なかれ導電性になります。
トランジスタのビットに電圧がかかると、そのトランジスタの導電能力は、フローティングゲートに閉じ込められた電子があるかどうかに依存します。
DRAM とは異なり、Flash メモリは不揮発性で、つまり FLASH メモリに保存したデータはオフにしても保持されるのです。 しかし、FLASH メモリはアクセスが速く、ビットあたりのコストが比較的低い一方で、CPU RAM として使用できない 2 つの問題があります。
Flashセル。 Image used courtesy of Cyferz
最初の問題は、NAND フラッシュが、個々のビットを単独で消去することができないメモリ トポロジーを使用していることです。 代わりに、メモリ ブロック全体の消去が必要です (個々のビットを変更するには、大規模な消去/書き込みサイクルが必要です)。
2つ目の問題は、FLASH メモリが物理的に破壊的であるということです。 その理由は、FLASHのビットを消去するとき、フローティング・ゲートに捕捉された電子を取り除くために大きな電位電圧（約20V）が必要になるからです。 このようなトランジスタは、10 万回の消去サイクルに耐えることが期待されますが、USB メモリのようなリムーバブル ストレージでは問題ありませんが、DRAM では受け入れられません。
The New Proposal
FLASHとDRAMの問題は、DRAMの利点とFLASHの利点を組み合わせることを提案する新しいメモリ技術の提案で解決されたかもしれない。
ランカスター大学物理学部の Dominic Lane と Manus Hayne が執筆した、IEEE が発行した最近の論文では、新しいメモリ技術が FLASH と非常によく似た方法で動作することが説明されています。 しかし、提案されたメモリ・ビットは、複数の量子井戸を生成するトリプルAlSb/InAs層を持ち、長寿命を確保したり情報を保存したりするのに十分な厚みがある。 また、トリプルウェルの構成は、書き込みと消去に必要な電圧も低くなります。
提案されたNVRAMのアーキテクチャの概略図。 Image used courtesy of Dominic Lane and Manus Hayne
従来の FLASH メモリとは異なり、複数の積層された導電バンドを使用します。FLASH メモリは、トラップした電子を絶縁するために酸化膜に依存しているからです。
新しい提案メモリでは、半導体のバリアが交互に配置されています。 交互に配置されたバンドは、より大きな電子エネルギーを連続的に保持する導電バンドを生成し、フローティング・ゲートからの電子の逆トンネルを事実上不可能にする（それゆえ不揮発性をもたらす）。
しかし、この記事では、新しい設計がかなり低い書き込み/消去電圧 (2.3 V 未満) を必要とする理由を明確には説明していません。 さらに読み進めると、互いに接近した複数の障壁を使用することにより、電子がギャップを横切ってトンネルするために必要な電圧が低下することが示唆されています。 電子が伝導層にトンネル移動すると、トンネル移動して戻ってこようとする電子に対する抵抗が増加する。 複数の伝導帯 (異なるエネルギー バンド ギャップを持つ) を使用することは、電子がそれらの領域にトンネルできるように特定のエネルギーを持つ必要があることを意味します。
したがって、特定のウェルに閉じ込められたすべての電子は、同様のエネルギーを持つことになります。 しかし、そのエネルギーは、電子が隣のバンドにトンネルすることを許さず、それによって電子を閉じ込めてしまうのです。
Conclusion
新しいメモリモデルは、いくつかの理由で新しいメモリ技術として有望である。 このメモリは不揮発性であるため、電源を切ってもデータが保持される。 しかしこれは、リフレッシュ・サイクルが不要であることも意味し、パフォーマンスを劇的に向上させることができます。
この新しいメモリ・システムは、DRAM と同等のアクセス時間で動作可能で、DRAM を置き換えるには重要な特徴となっています。 したがって、ビットあたりの放熱が少なくなります。 しかし、半導体メーカーがこの設計をシリコン上に実装するまで、私たちは古き良きDRAMで満足しなければならないでしょう。