DRAM är en viktig komponent i datortekniken, men det är inte utan brister. I den här artikeln kommer vi att titta på ett nytt föreslaget minne – icke-flyktigt DRAM – och hur det förhåller sig till nuvarande minnesteknik.
Fördelar och nackdelar med olika minnestekniker
När man talar om datorprestanda är det mycket lätt att titta på CPU:n och göra ett antagande utifrån dess specifikation, inklusive antalet kärnor, integrerad specialiserad hårdvara (t.ex. hyperthreading) och antalet cacheminnen som den innehåller.
Det är dock så att extern I/O är lika viktigt som själva CPU:n. Det är därför den snabbaste CPU:n på marknaden kan vara lika långsam som en tio år gammal CPU om båda använder samma externa hårdvara. Det är också därför som det vid uppgradering av ett system är viktigt att konstruktören förstår vad som bromsar deras system.
Det är här som valet av RAM-minne spelar en avgörande roll.
Den här artikeln är visserligen inte på något sätt en heltäckande diskussion om alla minnestekniker som finns, men DRAM, SRAM och FLASH kan ge oss användbara jämförelsepunkter när vi diskuterar den föreslagna minnestekniken.
DRAM
Sedan dess att det finns ett stort antal olika RAM-typer tillgängliga (med varierande hastigheter), är de nästan alltid av en specifik typ: DRAM. DRAM (dynamic random-access memory) är en minnesteknik som bygger på laddning av kondensatorer och som är otroligt snabb och billig att genomföra. Den möjliggör också hög densitet.
Men DRAM är inte utan brister.
En bit i DRAM kan lagras som närvaron eller frånvaron av laddning på en kondensator.
DRAM är ett flyktigt minne, vilket innebär att det förlorar innehållet i minnet när kondensatorerna som lagrar bitarna urladdas. Hur lång tid detta tar kan variera, men vanligtvis sker urladdningen inom några millisekunder. DRAM kräver därför uppdateringscykler som läser databitarna och sedan skriver tillbaka data till chippet för att förstärka de lagrade uppgifterna.
DRAM är också destruktivt läst. Detta innebär att när en bit läses från DRAM, glöms innehållet i den minnesbit som man fick tillgång till och kräver därför en återskrivningsoperation. Dessa två problem innebär att DRAM har sämre prestanda eftersom det krävs ständig uppdatering och omskrivning för att behålla data.
SRAM
En annan minnesteknik som finns, kallad SRAM, är en flyktig minnesteknik som inte använder kondensatorer för att lagra bit. Istället innehåller den en enkel latch bestående av sex transistorer.
Som SRAM också förlorar sin lagrade information när den stängs av, kräver den inga uppdateringscykler eftersom dess design med återkopplingsslinga låser data när den skrivs. Detta innebär också att det för att läsa data från en SRAM-cell inte krävs någon återskrivningsoperation för att behålla data, vilket gör SRAM snabbare än DRAM.
SRAM-cell. Bild (modifierad) används med tillstånd av Encyclopædia Britannica
Däremot är SRAM mycket dyrare per bit eftersom det kräver sex transistorer, medan DRAM kräver en enda transistor och en kondensator. På grund av detta återfinns SRAM ofta i en CPU-cache där endast en liten mängd höghastighetsminne krävs.
FLASH
FLASH är en minnesteknik som både liknar och skiljer sig från DRAM.
För det första består varje bit i FLASH-minnet av en enda transistor, men dessa transistorer har ett särskilt lager som kallas floating gate. Bits lagras i FLASH-minnet genom att använda kvanttunnling för att fånga elektroner i lagret med flytande grind, vilket gör transistorn mer eller mindre ledande.
När en spänning läggs över transistorbiten beror transistorens ledande förmåga på om det finns elektroner som är fångade i den flytande grinden.
Till skillnad från DRAM är FLASH-minnet icke-flyktigt, vilket innebär att FLASH-minnet behåller alla data som lagrats i det när det är stängt. Även om FLASH-minnet kan vara snabbt åtkomligt och har en relativt låg kostnad per bit har det dock två problem som gör det oanvändbart som CPU RAM.
Flash-cell. Image used courtesy of Cyferz
Det första problemet är att NAND FLASH använder en minnestopologi där enskilda bitar inte kan raderas på egen hand. De kräver istället att ett helt minnesblock raderas (för att ändra enskilda bitar krävs en stor raderings-/skrivcykel).
Det andra problemet är att FLASH-minnet är fysiskt destruktivt. Anledningen till detta är att när en FLASH-bit raderas krävs en stor potentiell spänning (cirka 20 V) för att avlägsna de elektroner som är fångade i en flytande gate. Detta orsakar en liten mängd avbrott i oxidskiktet och under många skrivcykler kommer detta så småningom att förstöra biten.
Dessa transistorer kan förväntas överleva så många som 100 000 raderingscykler, vilket inte är något problem för flyttbar lagring (t.ex. en USB-sticka), men det är oacceptabelt för användning i DRAM.
Det nya förslaget
Problemen med FLASH och DRAM kan ha lösts med en ny föreslagen minnesteknik som erbjuder att kombinera fördelarna med DRAM med fördelarna med FLASH.
I en nyligen publicerad artikel från IEEE och författad av Dominic Lane och Manus Hayne vid institutionen för fysik vid Lancaster University förklaras hur den nya minnestekniken fungerar på ett sätt som är mycket likt FLASH.
Elektroner lagras på en flytande grind för att bevara information. De föreslagna minnesbitarna har dock ett tredubbelt AlSb/InAs-skikt som producerar flera kvantbrunnar och är tillräckligt tjockt för att säkerställa livslängd eller lagra information. Den tredubbla brunnskonfigurationen har också lägre spänningskrav för skrivning och radering.
Schematisk bild av den föreslagna NVRAM-arkitekturen. Bilden används med tillstånd av Dominic Lane och Manus Hayne
Användningen av flera staplade ledande band skiljer sig från det traditionella FLASH-minnet eftersom FLASH-minnet förlitar sig på oxidskiktet för att isolera de instängda elektronerna.
Det nya föreslagna minnet använder sig av alternerande halvledarbarriärer. De alternerande banden ger upphov till ledande band som successivt håller större elektronenergier, vilket gör omvänd tunnling av elektroner från den flytande grinden praktiskt taget omöjlig (vilket ger icke-flyktighet).
I artikeln anges dock inte tydligt varför den nya konstruktionen kräver en betydligt lägre skriv- och raderingsspänning (mindre än 2,3 V). Ytterligare läsning tyder på att användningen av flera barriärer som ligger närmare varandra minskar den spänning som behövs för att elektroner ska kunna tunnla över gapet.
Den minskade spänningen minskar avsevärt skadorna på skikten. När elektroner tunnlas in i ledningsskikten ökar de motståndet mot elektroner som försöker tunnla ut igen. Användningen av flera ledningsband (som har olika energibandgap) innebär att elektronerna måste ha en specifik energi för att kunna tunnla in i dessa områden.
Därmed kommer alla elektroner som fångas i en specifik brunn att ha liknande energier. Denna energi kommer dock inte att göra det möjligt för elektronen att tunnla in i ett angränsande band, vilket gör att den fångas in.
Slutsats
Den nya minnesmodellen är lovande som ny minnesteknik av flera skäl. Minnet är icke-flyktigt, vilket innebär att det behåller sina data även när det är avstängt. Men detta innebär också att det inte behövs några uppdateringscykler, vilket kan förbättra prestandan dramatiskt.
Det nya minnessystemet kan arbeta med liknande hastigheter som DRAM:s åtkomsttider – en kritisk egenskap om det ska ersätta DRAM.
Det nya minnesförslaget förbrukar också betydligt mindre energi på grund av de lägre grindspänningar som krävs. Det kommer därför att avge mindre värme per bit. Men tills en halvledartillverkare kan ta denna konstruktion och sätta den på kisel måste vi nöja oss med gammaldags DRAM.