DRAM jest istotnym elementem technologii obliczeniowych, ale nie jest pozbawiona wad. W tym artykule przyjrzymy się nowej proponowanej pamięci – nieulotnej DRAM – i jak wypada ona w porównaniu z obecnymi technologiami pamięci.
Podstawy i wady różnych technologii pamięci
Gdy mówimy o wydajności komputera, bardzo łatwo jest spojrzeć na procesor i przyjąć założenie na podstawie jego specyfikacji, w tym liczby rdzeni, zintegrowanego sprzętu specjalistycznego (takiego jak hyperthreading) i liczby pamięci podręcznych, które zawiera.
Jednakże zewnętrzne wejścia/wyjścia są równie ważne jak sam procesor. To dlatego najszybszy procesor na rynku może być tak wolny jak 10-letni procesor, jeśli oba korzystają z tego samego sprzętu zewnętrznego. Jest to również powód, dla którego podczas modernizacji systemu, istotne jest, aby projektant rozumiał, co spowalnia ich system.
To jest, gdzie wybór pamięci RAM odgrywa istotną rolę.
Although this article is by no means a comprehensive discussion of all the memory technologies out there, DRAM, SRAM, and FLASH can give us useful points of comparison when discussing the proposed memory technology.
DRAM
While there is a wide range of different RAM types available (with varying speeds), they are almost always of one specific type: DRAM. DRAM (dynamic random-access memory) jest technologią pamięci opartą na ładowaniu kondensatorów, która jest niewiarygodnie szybka i tania w implementacji. Pozwala również na wysoką gęstość.
Ale DRAM nie jest bez wad.
Bit w DRAM może być przechowywany jako obecność lub brak ładunku na kondensatorze.
DRAM jest lotna pamięć, co oznacza, że straci zawartość swojej pamięci, jak kondensatory, które przechowują bity rozładowania. Czas trwania tego procesu może być różny, ale zazwyczaj rozładowuje się w ciągu kilku milisekund. W rezultacie DRAM wymaga cykli odświeżania, które odczytują bity danych, a następnie zapisują dane z powrotem do chipa, aby ponownie wzmocnić przechowywane dane.
DRAM jest również odczytywana destrukcyjnie. Oznacza to, że gdy bit jest odczytywany z DRAM, zawartość bitu pamięci, do którego uzyskano dostęp, jest zapominana i dlatego wymaga operacji ponownego zapisu. Te dwa problemy oznaczają, że DRAM cierpi na wydajności, ponieważ wymaga ciągłego odświeżania i ponownego zapisu, aby zachować swoje dane.
SRAM
Inna technologia pamięci, która istnieje, zwana SRAM, jest lotną technologią pamięci, która nie używa kondensatorów do przechowywania bitów. Zamiast tego zawiera prosty zatrzask wykonany z sześciu tranzystorów.
While SRAM również traci przechowywane informacje po wyłączeniu, nie wymaga cykli odświeżania, ponieważ jego konstrukcja pętli sprzężenia zwrotnego zatrzaskuje dane, gdy jest napisane. Oznacza to również, że odczyt danych z komórki SRAM nie wymaga operacji write-back w celu zachowania danych; dzięki temu pamięć SRAM jest szybsza niż DRAM.
Komórka SRAM. Image (modified) used courtesy of Encyclopædia Britannica
Jednakże SRAM jest znacznie droższa na bit, ponieważ wymaga sześciu tranzystorów, podczas gdy DRAM wymaga pojedynczego tranzystora i kondensatora. Z tego powodu SRAM często znajduje się w pamięci podręcznej procesora, gdzie wymagana jest tylko niewielka ilość szybkiej pamięci.
FLASH
FLASH to technologia pamięci, która jest zarówno podobna, jak i różna od DRAM.
Po pierwsze, każdy bit w pamięci FLASH składa się z pojedynczego tranzystora, ale tranzystory te mają specjalną warstwę zwaną bramką pływającą. Bity są przechowywane w pamięci FLASH dzięki wykorzystaniu tunelowania kwantowego do uwięzienia elektronów w warstwie pływającej bramki, co sprawia, że tranzystor jest mniej lub bardziej przewodzący.
Gdy napięcie jest przyłożone do bitu tranzystora, zdolność przewodzenia tego tranzystora zależy od tego, czy elektrony są uwięzione w pływającej bramce.
W przeciwieństwie do pamięci DRAM, pamięć FLASH jest nieulotna, co oznacza, że pamięć FLASH zachowa wszelkie zapisane w niej dane po wyłączeniu. Jednakże, podczas gdy pamięć FLASH może być szybko dostępna i ma stosunkowo niski koszt na bit, ma dwa problemy, które czynią ją bezużyteczną jako pamięć RAM procesora.
Komórka flash. Image used courtesy of Cyferz
Pierwszym problemem jest to, że NAND FLASH używa topologii pamięci, w której pojedyncze bity nie mogą być kasowane samodzielnie. Zamiast tego wymagają one wymazania całego bloku pamięci (zmiana pojedynczych bitów wymaga dużego cyklu kasowania/zapisu).
Drugi problem polega na tym, że pamięć FLASH jest fizycznie niszcząca. Powodem tego jest to, że kiedy bit FLASH jest kasowany, duże napięcie potencjalne (około 20 V) jest wymagane do usunięcia elektronów uwięzionych w pływającej bramce. Powoduje to niewielką przerwę w warstwie tlenku i przez wiele cykli zapisu ostatecznie zniszczy bit.
Oczekuje się, że takie tranzystory przetrwają nawet 100 000 cykli kasowania, co nie stanowi problemu w przypadku wymiennej pamięci (takiej jak pamięć USB), ale jest nie do przyjęcia w przypadku stosowania w DRAM.
Nowa propozycja
Problemy z FLASH i DRAM mogły zostać rozwiązane dzięki nowej proponowanej technologii pamięci, która oferuje połączenie korzyści DRAM z korzyściami FLASH.
Ostatni artykuł opublikowany przez IEEE, którego autorami są Dominic Lane i Manus Hayne z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Lancaster, wyjaśnia jak nowa technologia pamięci działa w sposób bardzo podobny do FLASH.
Elektrony są przechowywane na pływającej bramce w celu zachowania informacji. Jednak proponowane bity pamięci mają potrójną warstwę AlSb/InAs, która wytwarza wiele studni kwantowych i jest wystarczająco gruba, aby zapewnić długowieczność lub przechowywać informacje. Konfiguracja potrójnej studni ma również niższe wymagania napięciowe dla zapisu i kasowania.
Schemat proponowanej architektury NVRAM. Image used courtesy of Dominic Lane and Manus Hayne
Użycie wielu ułożonych w stos pasm przewodzących różni się od tradycyjnej pamięci FLASH, ponieważ pamięć FLASH opiera się na warstwie tlenku do izolowania uwięzionych elektronów.
Nowa proponowana pamięć wykorzystuje naprzemienne bariery półprzewodnikowe. Naprzemienne pasma wytwarzają pasma przewodzące, które kolejno utrzymują większe energie elektronów, co sprawia, że tunelowanie wsteczne elektronów z pływającej bramki jest praktycznie niemożliwe (stąd brak lotności).
Jednakże artykuł nie określa jasno, dlaczego nowy projekt wymaga znacznie niższego napięcia zapisu/odczytu (wynoszącego mniej niż 2,3 V). Dalsze czytanie sugeruje, że użycie wielu barier, które są bliżej siebie, zmniejsza napięcie potrzebne elektronom do tunelowania przez szczelinę.
Zmniejszone napięcie znacznie zmniejsza uszkodzenia warstw. Ponieważ elektrony są tunelowane do warstw przewodzących, zwiększają one opór przeciwko elektronom próbującym tunelować z powrotem. Użycie wielu pasm przewodzenia (które mają różne energetyczne przerwy między pasmami) oznacza, że elektrony muszą mieć określoną energię, aby móc tunelować do tych regionów.
W związku z tym wszystkie elektrony uwięzione w konkretnej studni będą miały podobną energię. Ta energia, jednak, nie pozwoli na elektron do tunelu do sąsiedniego pasma, a tym samym uwięzienie go.
Wniosek
Nowy model pamięci jest obiecujący jako nowa technologia pamięci z kilku powodów. Pamięć jest nieulotna, co oznacza, że zachowuje swoje dane nawet po wyłączeniu. Ale oznacza to również, że nie ma potrzeby cykli odświeżania, co może znacznie poprawić wydajność.
Nowy system pamięci jest w stanie działać z prędkościami podobnymi do czasów dostępu DRAM – krytyczna cecha, jeśli ma zastąpić DRAM.
Nowa propozycja pamięci wykorzystuje również znacznie mniej energii z powodu niższych napięć bramki wymagane. Dlatego będzie rozpraszać mniej ciepła na bit. Ale dopóki producent półprzewodników nie będzie w stanie przenieść tego projektu na krzem, będziemy musieli zadowolić się starą, dobrą pamięcią DRAM.
.