DRAM este o componentă esențială în tehnologiile de calcul, dar nu este lipsită de defecte. În acest articol, vom analiza o nouă memorie propusă – DRAM non-volatilă – și cum se compară aceasta cu tehnologiile de memorie actuale.
Proșurile și dezavantajele diferitelor tehnologii de memorie
Când vorbim despre performanța calculatoarelor, este foarte ușor să ne uităm la procesor și să facem o presupunere după specificațiile sale, inclusiv numărul de nuclee, hardware-ul specializat integrat (cum ar fi hyperthreading) și numărul de memorii cache pe care le conține.
Cu toate acestea, I/O-ul extern este la fel de important ca și procesorul în sine. Acesta este motivul pentru care cel mai rapid procesor de pe piață poate fi la fel de lent ca un procesor vechi de 10 ani, dacă ambele utilizează același hardware extern. Este, de asemenea, motivul pentru care, atunci când se actualizează un sistem, este esențial ca proiectantul să înțeleagă ce îi încetinește sistemul.
Acesta este motivul pentru care alegerea memoriei RAM joacă un rol vital.
Deși acest articol nu este nicidecum o discuție cuprinzătoare a tuturor tehnologiilor de memorie existente, DRAM, SRAM și FLASH ne pot oferi puncte de comparație utile atunci când discutăm despre tehnologia de memorie propusă.
DRAM
Deși există o gamă largă de tipuri diferite de memorie RAM disponibile (cu viteze diferite), acestea sunt aproape întotdeauna de un singur tip specific: DRAM. DRAM (dynamic random-access memory – memorie dinamică cu acces aleatoriu) este o tehnologie de memorie bazată pe condensatori de încărcare care este incredibil de rapidă și ieftin de implementat. De asemenea, permite o densitate mare.
Dar DRAM nu este lipsită de defecte.
Un bit în DRAM poate fi stocat ca prezență sau absență de sarcină pe un condensator.
DRAM este o memorie volatilă, ceea ce înseamnă că va pierde conținutul memoriei sale pe măsură ce condensatorii care stochează biții se descarcă. Durata acestui proces poate varia, dar, de obicei, se va descărca în câteva milisecunde. Ca urmare, DRAM necesită cicluri de reîmprospătare care citesc biții de date și apoi rescriu datele înapoi pe cip pentru a întări datele stocate.
DRAM este, de asemenea, citită distructiv. Aceasta înseamnă că atunci când un bit este citit din DRAM, conținutul bitului de memorie care a fost accesat este uitat și, prin urmare, necesită o operațiune de rescriere. Aceste două probleme înseamnă că DRAM are de suferit în ceea ce privește performanța, deoarece necesită o reîmprospătare și rescriere constantă pentru a-și păstra datele.
SRAM
O altă tehnologie de memorie care există, numită SRAM, este o tehnologie de memorie volatilă care nu utilizează condensatori pentru a stoca bitul. În schimb, include o simplă zăvorâre formată din șase tranzistori.
În timp ce SRAM își pierde, de asemenea, informația stocată atunci când este oprită, nu necesită cicluri de reîmprospătare deoarece designul său de buclă de reacție zăvorăște datele atunci când acestea sunt scrise. Acest lucru înseamnă, de asemenea, că citirea datelor dintr-o celulă SRAM nu necesită o operație de rescriere pentru a reține datele; acest lucru face ca SRAM să fie mai rapidă decât DRAM.
Celula SRAM. Imagine (modificată) utilizată prin amabilitatea Encyclopædia Britannica
Cu toate acestea, SRAM este mult mai scumpă per bit, deoarece necesită șase tranzistoare, în timp ce DRAM necesită un singur tranzistor și un condensator. Din această cauză, SRAM se găsește adesea în memoria cache a unei unități centrale de procesare, unde este necesară doar o cantitate mică de memorie de mare viteză.
FLASH
FLASH este o tehnologie de memorie care este atât similară cât și distinctă de DRAM.
În primul rând, fiecare bit din memoria FLASH este alcătuit dintr-un singur tranzistor, dar acești tranzistori au un strat special numit poartă flotantă. Biții sunt stocați în memoria FLASH prin utilizarea tunelării cuantice pentru a capta electronii în stratul de poartă flotantă, ceea ce face tranzistorul mai mult sau mai puțin conductiv.
Când se aplică o tensiune peste bitul tranzistorului, capacitatea conductivă a acelui tranzistor va depinde de faptul dacă există sau nu electroni captați în poarta flotantă.
Spre deosebire de DRAM, memoria FLASH este non-volatilă, ceea ce înseamnă că memoria FLASH va păstra orice date stocate în ea atunci când este oprită. Cu toate acestea, deși memoria FLASH poate fi accesată rapid și are un cost relativ scăzut pe bit, are două probleme care o fac inutilizabilă ca memorie RAM a procesorului.
Celulă flash. Imagine utilizată prin amabilitatea lui Cyferz
Prima problemă este că NAND FLASH utilizează o topologie de memorie în care biții individuali nu pot fi șterși singuri. În schimb, aceștia necesită ștergerea unui întreg bloc de memorie (schimbarea biților individuali necesită un ciclu mare de ștergere/scriere).
A doua problemă este că memoria FLASH este distructivă din punct de vedere fizic. Motivul este că, atunci când un bit FLASH este șters, este necesară o tensiune de potențial mare (aproximativ 20 V) pentru a elimina electronii prinși într-o poartă flotantă. Acest lucru cauzează o mică defalcare a stratului de oxid și, pe parcursul mai multor cicluri de scriere, acest lucru va distruge în cele din urmă bitul.
Se poate aștepta ca astfel de tranzistori să supraviețuiască până la 100.000 de cicluri de ștergere, ceea ce nu reprezintă o problemă pentru stocarea detașabilă (cum ar fi un stick USB), dar este inacceptabil pentru utilizarea în DRAM.
Noua propunere
Problemele cu FLASH și DRAM ar putea fi rezolvate cu o nouă tehnologie de memorie propusă, care se oferă să combine avantajele DRAM cu cele ale FLASH.
Un articol recent publicat de IEEE și semnat de Dominic Lane și Manus Hayne de la Departamentul de Fizică al Universității Lancaster explică modul în care funcționează noua tehnologie de memorie printr-o metodă foarte asemănătoare cu FLASH.
Electronii sunt stocați pe o poartă flotantă pentru a reține informațiile. Cu toate acestea, biții de memorie propuși au un strat triplu AlSb/InAs care produce mai multe puțuri cuantice și este suficient de gros pentru a asigura longevitatea sau stocarea informațiilor. Configurația cu triplu puț are, de asemenea, cerințe de tensiune mai mici pentru scriere și ștergere.
Schema arhitecturii NVRAM propuse. Imagine utilizată prin amabilitatea lui Dominic Lane și Manus Hayne
Utilizarea mai multor benzi conductoare suprapuse diferă de memoria FLASH tradițională, deoarece memoria FLASH se bazează pe stratul de oxid pentru izolarea electronilor prinși.
Noua memorie propusă utilizează bariere semiconductoare alternative. Benzile alternante produc benzi conductoare care rețin succesiv energii mai mari ale electronilor, făcând practic imposibilă tunelarea inversă a electronilor de la poarta flotantă (producând astfel non-volatilitate).
Cu toate acestea, articolul nu precizează în mod clar de ce noul proiect necesită o tensiune de scriere/ștergere considerabil mai mică (fiind mai mică de 2,3 V). O lectură ulterioară sugerează că utilizarea mai multor bariere mai apropiate una de alta reduce tensiunea necesară pentru ca electronii să traverseze prin tunel spațiul dintre ele.
Tensiunea redusă reduce semnificativ deteriorarea straturilor. Pe măsură ce electronii sunt tunelizați în straturile de conducție, aceștia cresc rezistența împotriva electronilor care încearcă să tunelizeze înapoi afară. Utilizarea mai multor benzi de conducție (care au benzi de bandă de energie diferite) înseamnă că electronii trebuie să aibă o energie specifică pentru a putea intra prin tunelare în acele regiuni.
Din acest motiv, toți electronii prinși într-un anumit puț vor avea energii similare. Cu toate acestea, acea energie nu va permite electronului să tuneleze într-o bandă învecinată, prinzându-l astfel în capcană.
Concluzie
Noul model de memorie este promițător ca o nouă tehnologie de memorie din mai multe motive. Memoria este non-volatilă, ceea ce înseamnă că își păstrează datele chiar și atunci când este deconectată. Dar acest lucru înseamnă, de asemenea, că nu este nevoie de cicluri de reîmprospătare, ceea ce poate îmbunătăți dramatic performanța.
Noul sistem de memorie este capabil să funcționeze la viteze similare cu timpii de acces DRAM – o caracteristică critică dacă se dorește înlocuirea DRAM.
Noua propunere de memorie utilizează, de asemenea, semnificativ mai puțină energie datorită tensiunilor de poartă mai mici necesare. Prin urmare, va disipa mai puțină căldură pe bit. Dar până când un producător de semiconductori va putea lua acest proiect și îl va pune pe siliciu, va trebui să ne mulțumim cu DRAM-ul de modă veche.
.