DRAM é um componente essencial nas tecnologias computacionais, mas não é sem as suas falhas. Neste artigo, vamos olhar para uma nova proposta de memória – DRAM não volátil – e como ela se compara com as tecnologias de memória atuais.
As vantagens e desvantagens de diferentes tecnologias de memória
Quando se fala de desempenho do computador, é muito fácil olhar para a CPU e assumir pela sua especificação, incluindo o número de núcleos, hardware especializado integrado (como hyperthreading), e o número de caches que ela contém.
No entanto, a E/S externa é tão importante quanto a própria CPU. É por isso que a CPU mais rápida do mercado pode ser tão lenta como uma CPU com 10 anos de idade, se ambas utilizarem o mesmo hardware externo. É também por isso que ao atualizar um sistema, é essencial que o projetista entenda o que está tornando seu sistema lento.
Aqui é onde a escolha da RAM tem um papel vital.
Embora este artigo não seja de forma alguma uma discussão abrangente de todas as tecnologias de memória disponíveis, DRAM, SRAM e FLASH podem nos dar pontos de comparação úteis ao discutir a tecnologia de memória proposta.
DRAM
Embora haja uma ampla gama de diferentes tipos de RAM disponíveis (com velocidades variáveis), eles são quase sempre de um tipo específico: DRAM. DRAM (Dynamic random-access memory) é uma tecnologia de memória baseada em capacitores de carregamento que é incrivelmente rápida e barata de implementar. Ela também permite alta densidade.
Mas DRAM não é sem suas falhas.
Um bit em DRAM pode ser armazenado como a presença ou ausência de carga em um capacitor.
DRAM é uma memória volátil, o que significa que ela perderá o conteúdo de sua memória como os capacitores que armazenam a descarga dos bits. O tempo que isto leva pode variar, mas normalmente descarregará em poucos milissegundos. Como resultado, a DRAM requer ciclos de atualização que lêem os bits de dados e depois reescreve os dados de volta ao chip para reforçar os dados armazenados.
DRAM também é lida destrutivamente. Isto significa que quando um bit é lido a partir da DRAM, o conteúdo do bit de memória que foi acessado é esquecido e, portanto, requer uma operação de write-back. Estes dois problemas significam que a DRAM sofre em desempenho, uma vez que requer constante atualização e reescrita para reter seus dados.
SRAM
Outra tecnologia de memória que existe, chamada SRAM, é uma tecnologia de memória volátil que não utiliza condensadores para armazenar bits. Em vez disso, inclui uma simples trava feita de seis transistores.
Embora a SRAM também perca sua informação armazenada quando desligada, ela não requer ciclos de atualização porque seu design de loop de realimentação trava os dados quando é escrita. Isto também significa que a leitura de dados de uma célula SRAM não requer uma operação de write-back para reter os dados; isto torna a SRAM mais rápida que a DRAM.
célula SRAM. Image (modified) used courtesy of Encyclopædia Britannica
No entanto, a SRAM é muito mais cara por bit, pois requer seis transistores, enquanto a DRAM requer um único transistor e capacitor. Por causa disso, a SRAM é frequentemente encontrada em um cache de CPU onde apenas uma pequena quantidade de memória de alta velocidade é necessária.
FLASH
FLASH é uma tecnologia de memória que é similar e distinta da DRAM.
Primeiro, cada bit na memória FLASH é composto por um único transistor, mas estes transistores têm uma camada especial chamada de porta flutuante. Os bits são armazenados na memória FLASH usando tunelização quântica para prender elétrons na camada da porta flutuante, o que torna o transistor mais ou menos condutivo.
Quando uma tensão é aplicada através do bit do transistor, a capacidade condutiva desse transistor dependerá se há elétrons presos na porta flutuante.
Não semelhante à DRAM, a memória FLASH não é volátil, o que significa que a memória FLASH irá reter qualquer dado armazenado nela quando desligada. Entretanto, enquanto a memória FLASH pode ser de acesso rápido e tem um custo relativamente baixo por bit, ela tem dois problemas que a tornam inutilizável como uma RAM de CPU.
Célula flash. Imagem usada por cortesia do Cyferz
O primeiro problema é que o NAND FLASH usa uma topologia de memória onde os bits individuais não podem ser apagados por si mesmos. Em vez disso, eles requerem o apagamento de um bloco inteiro de memória (mudar bits individuais requer um grande ciclo de apagamento/escrita).
O segundo problema é que a memória FLASH é fisicamente destrutiva. A razão para isso é que quando um bit FLASH é apagado, uma grande tensão potencial (aproximadamente 20 V) é necessária para remover os elétrons presos em uma porta flutuante. Isto causa uma pequena quantidade de quebra na camada de óxido e durante muitos ciclos de escrita, isto eventualmente destruirá o bit.
Tal transistores podem ser esperados para sobreviver até 100.000 ciclos de apagamento, o que não é um problema para armazenamento removível (como um stick USB), mas é inaceitável para uso em DRAM.
A Nova Proposta
Os problemas com FLASH e DRAM podem ter sido resolvidos com uma nova tecnologia de memória proposta que oferece combinar os benefícios da DRAM com os benefícios do FLASH.
Um artigo recente publicado pelo IEEE e de autoria de Dominic Lane e Manus Hayne no Departamento de Física da Universidade de Lancaster explica como a nova tecnologia de memória funciona num método muito semelhante ao FLASH.
Electrões são armazenados numa porta flutuante para reter informação. No entanto, os bits de memória propostos têm uma camada tripla AlSb/InAs que produz múltiplos poços quânticos e é suficientemente espessa para garantir a longevidade ou armazenar informação. A configuração de poços triplos também tem requisitos de tensão mais baixos para escrita e apagamento.
Squemática da arquitetura proposta da NVRAM. Imagem usada por cortesia de Dominic Lane e Manus Hayne
O uso de múltiplas bandas condutoras empilhadas difere da memória FLASH tradicional uma vez que a memória FLASH se baseia na camada de óxido para isolar os elétrons presos.
A nova memória proposta usa barreiras semicondutoras alternadas. As bandas alternadas produzem bandas condutoras que sucessivamente retêm maiores energias de electrões, tornando praticamente impossível a escavação inversa de electrões a partir da porta flutuante (produzindo assim não-volatilidade).
No entanto, o artigo não diz claramente porque é que o novo design requer uma tensão de escrita/erase consideravelmente menor (sendo inferior a 2,3 V). Leituras adicionais sugerem que o uso de múltiplas barreiras que estão mais próximas umas das outras reduz a tensão necessária para que os elétrons possam atravessar o túnel.
A tensão reduzida reduz significativamente os danos causados às camadas. À medida que os elétrons são tunelizados para as camadas de condução, eles aumentam a resistência contra os elétrons que tentam fazer o túnel recuar para fora. O uso de múltiplas bandas de condução (que têm diferentes aberturas de banda de energia) significa que os elétrons devem ter energia específica para poderem túneis nessas regiões.
Por isso, todos os elétrons presos em um poço específico terão energias similares. Essa energia, porém, não permitirá que o elétron faça um túnel para uma banda vizinha, prendendo-o assim.
Conclusão
O novo modelo de memória mostra promessa como uma nova tecnologia de memória por várias razões. A memória é não volátil, o que significa que retém os seus dados mesmo quando desligada. Mas isto também significa que não há necessidade de ciclos de atualização, o que pode melhorar dramaticamente o desempenho.
O novo sistema de memória é capaz de operar em velocidades similares aos tempos de acesso DRAM – uma característica crítica se for para substituir DRAM.
A nova proposta de memória também consome significativamente menos energia devido às menores tensões de porta necessárias. Portanto, ela dissipará menos calor por bit. Mas até que um produtor de semicondutores possa pegar neste design e colocá-lo em silício, teremos de nos contentar com a boa e antiquada DRAM.