DRAM is een essentieel onderdeel van computertechnologie, maar het heeft ook zijn gebreken. In dit artikel bekijken wij een nieuw voorgesteld geheugen – niet-vluchtig DRAM – en hoe het zich verhoudt tot de huidige geheugentechnologieën.
De voor- en nadelen van verschillende geheugentechnologieën
Wanneer we het over computerprestaties hebben, is het heel gemakkelijk om naar de CPU te kijken en een veronderstelling te maken op basis van zijn specificatie, inclusief het aantal kernen, geïntegreerde gespecialiseerde hardware (zoals hyperthreading), en het aantal caches dat hij bevat.
De externe I/O is echter net zo belangrijk als de CPU zelf. Dit is de reden waarom de snelste CPU op de markt even traag kan zijn als een CPU van 10 jaar oud als beide dezelfde externe hardware gebruiken. Het is ook de reden waarom bij het upgraden van een systeem, het essentieel is dat de ontwerper begrijpt wat hun systeem vertraagt.
Dit is waar de keuze van RAM een vitale rol speelt.
Hoewel dit artikel geenszins een uitgebreide bespreking is van alle geheugentechnologieën die er zijn, kunnen DRAM, SRAM, en FLASH ons nuttige vergelijkingspunten geven bij het bespreken van de voorgestelde geheugentechnologie.
DRAM
Hoewel er een breed scala aan verschillende RAM types beschikbaar is (met variërende snelheden), zijn ze bijna altijd van één specifiek type: DRAM. DRAM (dynamic random-access memory) is een geheugentechnologie op basis van het opladen van condensatoren, die ongelooflijk snel en goedkoop te implementeren is. Het maakt ook een hoge dichtheid mogelijk.
Maar DRAM is niet zonder gebreken.
Een bit in DRAM kan worden opgeslagen als de aan- of afwezigheid van lading op een condensator.
DRAM is een vluchtig geheugen, wat betekent dat het de inhoud van zijn geheugen verliest wanneer de condensatoren die de bits opslaan, ontladen. Hoe lang dit duurt kan variëren, maar meestal zal het binnen een paar milliseconden ontladen. Dientengevolge vereist DRAM verversingscycli waarbij de gegevensbits worden gelezen en vervolgens de gegevens opnieuw naar de chip worden geschreven om de opgeslagen gegevens opnieuw te versterken.
DRAM wordt ook destructief gelezen. Dit betekent dat wanneer een bit uit het DRAM wordt gelezen, de inhoud van de geheugenbit waartoe toegang werd verkregen, wordt vergeten en dat daarom een terugschrijfoperatie nodig is. Deze twee problemen hebben tot gevolg dat de prestaties van DRAM worden aangetast, omdat het voortdurend moet worden ververst en herschreven om zijn gegevens te behouden.
SRAM
Een andere geheugentechnologie die bestaat, SRAM genaamd, is een vluchtige geheugentechnologie die geen gebruik maakt van condensatoren om bits op te slaan. In plaats daarvan bevat het een eenvoudige vergrendeling van zes transistors.
Terwijl SRAM ook de opgeslagen informatie verliest wanneer het wordt uitgeschakeld, heeft het geen verversingscycli nodig omdat het ontwerp van de terugkoppellus gegevens vergrendelt wanneer deze worden geschreven. Dit betekent ook dat voor het lezen van gegevens uit een SRAM-cel geen terugschrijfoperatie nodig is om de gegevens te behouden; hierdoor is SRAM sneller dan DRAM.
SRAM-cel. Afbeelding (gewijzigd) gebruikt met dank aan Encyclopædia Britannica
SRAM is echter veel duurder per bit omdat er zes transistors voor nodig zijn, terwijl DRAM slechts één transistor en een condensator nodig heeft. Daarom wordt SRAM vaak gebruikt in CPU-cachegeheugens waar slechts een kleine hoeveelheid snel geheugen nodig is.
FLASH
FLASH is een geheugentechnologie die zowel op DRAM lijkt als daarvan verschilt.
Eerst bestaat elke bit in FLASH-geheugen uit een enkele transistor, maar deze transistors hebben een speciale laag die floating gate wordt genoemd. Bits worden in FLASH-geheugen opgeslagen door gebruik te maken van kwantumtunneling om elektronen in de zwevende poortlaag te vangen, waardoor de transistor min of meer geleidend wordt.
Wanneer een spanning over de transistorbit wordt aangelegd, hangt het geleidend vermogen van die transistor af van de vraag of er elektronen in de zwevende poort gevangen zitten.
In tegenstelling tot DRAM is FLASH-geheugen niet-vluchtig, wat betekent dat FLASH-geheugen alle gegevens behoudt die erop zijn opgeslagen wanneer het wordt uitgeschakeld. Hoewel FLASH-geheugen snel toegankelijk is en relatief weinig kost per bit, heeft het twee problemen die het onbruikbaar maken als CPU RAM.
Flash-cel. Image used courtesy of Cyferz
Het eerste probleem is dat NAND FLASH een geheugentopologie gebruikt waarbij afzonderlijke bits niet zelfstandig kunnen worden gewist. In plaats daarvan moet een heel blok geheugen worden gewist (voor het wijzigen van afzonderlijke bits is een grote wis/schrijf-cyclus nodig).
Het tweede probleem is dat FLASH-geheugen fysiek destructief is. De reden hiervoor is dat wanneer een FLASH-bit wordt gewist, een grote potentiaalspanning (ongeveer 20 V) nodig is om de elektronen te verwijderen die in een zwevende poort gevangen zitten. Dit veroorzaakt een kleine hoeveelheid afbraak in de oxidelaag en over vele schrijfcycli zal dit uiteindelijk de bit vernietigen.
Van dergelijke transistors kan worden verwacht dat ze wel 100.000 wiscycli overleven, wat geen probleem is voor verwijderbare opslag (zoals een USB-stick), maar onaanvaardbaar is voor gebruik in DRAM.
Het nieuwe voorstel
De problemen met FLASH en DRAM zijn wellicht opgelost met een nieuwe voorgestelde geheugentechnologie die de voordelen van DRAM met de voordelen van FLASH combineert.
Een recent paper gepubliceerd door IEEE en geschreven door Dominic Lane en Manus Hayne van het Department of Physics van Lancaster University legt uit hoe de nieuwe geheugentechnologie werkt op een methode die sterk lijkt op FLASH.
Elektronen worden opgeslagen op een zwevende poort om informatie vast te houden. De voorgestelde geheugenbits hebben echter een drievoudige AlSb/InAs laag die meerdere quantum wells produceert en dik genoeg is om een lange levensduur te garanderen of informatie op te slaan. De drievoudige putconfiguratie heeft ook lagere spanningsvereisten voor schrijven en wissen.
Schematische weergave van de architectuur van de voorgestelde NVRAM. Afbeelding gebruikt met dank aan Dominic Lane en Manus Hayne
Het gebruik van meerdere gestapelde geleidende banden verschilt van het traditionele FLASH-geheugen, aangezien FLASH-geheugens afhankelijk zijn van de oxidelaag voor het isoleren van de gevangen elektronen.
Het nieuwe voorgestelde geheugen maakt gebruik van alternerende halfgeleiderbarrières. De afwisselende banden produceren geleidende banden die achtereenvolgens grotere elektronenenergieën vasthouden, waardoor omgekeerd tunnelen van elektronen vanuit de zwevende poort vrijwel onmogelijk wordt (waardoor niet-volatiliteit ontstaat).
Het artikel vermeldt echter niet duidelijk waarom het nieuwe ontwerp een aanzienlijk lagere schrijf/wis-spanning vereist (minder dan 2,3 V). Verdere lezing suggereert dat het gebruik van meerdere barrières die dichter bij elkaar liggen, de spanning vermindert die nodig is voor elektronen om over de kloof te tunnelen.
De verminderde spanning vermindert de schade aan de lagen aanzienlijk. Naarmate elektronen in de geleidingslagen worden getunneld, verhogen zij de weerstand tegen elektronen die proberen er weer uit te tunnelen. Het gebruik van meervoudige geleidingsbanden (die verschillende energiebandgaps hebben) betekent dat de elektronen specifieke energie moeten hebben om in die gebieden te kunnen tunnelen.
Daarom zullen alle elektronen die in een specifieke put worden opgesloten gelijkaardige energieën hebben. Die energie, echter, zal het elektron niet toestaan om in een naburige band te tunnelen, waardoor het wordt opgesloten.
Conclusie
Het nieuwe geheugenmodel is om verschillende redenen veelbelovend als een nieuwe geheugentechnologie. Het geheugen is niet-vluchtig, wat betekent dat het zijn gegevens behoudt, zelfs wanneer het is uitgeschakeld. Maar dit betekent ook dat er geen verversingscycli nodig zijn, wat de prestaties drastisch kan verbeteren.
Het nieuwe geheugensysteem kan werken met snelheden die vergelijkbaar zijn met de toegangstijd tot DRAM – een kritische eigenschap als het DRAM moet vervangen.
Het nieuwe geheugenvoorstel gebruikt ook aanzienlijk minder energie vanwege de lagere poortspanningen die nodig zijn. Daarom zal het minder warmte per bit afgeven. Maar totdat een halfgeleiderproducent dit ontwerp op silicium kan zetten, zullen we genoegen moeten nemen met ouderwets DRAM.