Badania prowadzone przez wielkich komputerowych potentatów idą równolegle w wielu kierunkach. Ogólnie nie chodzi tylko o opracowanie metody pozwalającej zastąpić tradycyjne technologie wykorzystywane do produkcji modułów flash (tzw. technologie NOR oraz NAND), które powoli zmierzają do granic swoich możliwości, ale również o stworzenie uniwersalnego zamiennika wszelkich tradycyjnych pamięci ( w tym również operacyjnej) – układów nietracących zawartości po wyłączeniu, tanich w produkcji, pobierających niewiele prądu i dostatecznie szybkich, by można było uruchamiać z nich bezpośrednio programy.
MRAM
MRAM, czyli pamięci magnetorezystywne, w przeciwieństwie do obecnie stosowanych krzemowych technologii bazują na zjawiskach magnetycznych. Dane składowane są na podobnej zasadzie jak ta stosowana w przypadku taśm magnetycznych czy np. dysków twardych. Znane są dwie metody budowy komórek pamięci MRAM. Jedna bazuje na teorii zmiany spinu elektronów wykorzystywanej np. w głowicach magnetorezystywnych dysków twardych, druga natomiast korzysta ze zjawiska tzw. tunelowej oporności magnetycznej (TMR).
Na tej drugiej technologii skoncentrowały się w swoich pracach badawczych firmy IBM i Infineon. W ich przypadku komórki pamięci MRAM zbudowane są (w dużym uproszczeniu) z dwóch warstw magnetycznych mikroskopijnej wielkości, odseparowanych od siebie warstwą dielektryczną, tworząc tzw. tunel MJT (Magnetic Tunnel Junction). Tak jak w przypadku innych substancji magnetycznych, każdej ze wspomnianych warstw nadaje się określoną polaryzację. Dzięki specjalnym zabiegom (dodatkowej warstwie antyferromagnetycznej) dolna warstwa magnetyczna ma stałą polaryzację, górna może natomiast zostać spolaryzowana w tym samym lub przeciwnym kierunku. Przepływ prądu elektrycznego w zależności od kierunku zmienia polaryzację komórek, zapisując do nich odpowiednio wartości “0” lub “1”. W efekcie zmiany polaryzacji magnetycznej zmienia się rezystancja układu, co pozwala łatwo odczytać zapisaną informację.
Największe moduły, jakie udało się obecnie uzyskać, mają pojemność 128 kilobitów i wykonano je w technologii 0,18 mikrometra. Pojedyncza komórka ma zaledwie 1,4 mikrometra kwadratowego powierzchni i jest około 20 milionów razy mniejsza od kulki z wkładu do długopisu. Przewiduje się, że pamięci MRAM mogą uzyskać czas zapisu wynoszący 2,3 nanosekundy, czyli około 1000 razy krótszy od dostępnych obecnie modułów pamięci nieulotnych i około 10 razy krótszy od pamięci FERAM. Odczyt danych jest równie szybki – 3 ns to około 20 razy szybciej, niż oferują obecne pamięci DRAM. Moduły MRAM charakteryzują się też dużą odpornością na wysoką temperaturę, większą niż w przypadku pamięci statycznych SRAM.
Niestety, do masowej produkcji jeszcze droga daleka. Przed producentami piętrzą się problemy technologiczne. Na przykład drobna różnica 0,1 mikrometra w grubości połączeń tunelu magnetycznego może zmienić rezystancję o kilkanaście procent, a w efekcie uczynić pamięć zupełnie bezużyteczną. Uzyskanie warstw o idealnej grubości na waflu o średnicy 8 cali nie jest jednak sprawą łatwą i tanią. Obecnie trwają próby obejścia tego problemu (np. poprzez wbudowanie w układ lokalnych elementów referencyjnych, stanowiących odniesienie – rezystancję wzorcową – dla reszty komórek).
Aktualnie nad modułami MRAM pracuje kilka korporacji. Poza wspomnianym duetem IBM/Infineon do gry przyłączył się też Samsung. Motorola zapowiada na ten rok przeznaczone dla systemów przenośnych moduły czteromegabitowe, Toshiba i NEC natomiast poinformowały, że chcą wprowadzić kości o pojemności 256 megabitów.
Porównanie współczesnych i przyszłych technologii pamięci | |||||||||||
Technologia | Dzisiejsze technologie nieulotne | Technologie jutra | |||||||||
HDD | Flash-NAND | Flash-NOR | MRAM | FERAM | OUM | RRAM | Polimerowa | Ferro-polimerowa | Organiczna | Nano-mechaniczna | |
Zalety | duża pojemność, tania technologia produkcji | niski pobór prądu w trakcie pracy, nieulotność | niski pobór prądu w trakcie pracy, nieulotność | superkrótkie czasy dostępu do danych, nieulotność, niedestrukcyjny odczyt | szybki zapis i odczyt, bardzo mały pobór prądu, ograniczona żywotność | szybki zapis i odczyt, niedestrukcyjny odczyt, małe rozmiary komórki | wysoka gęstość upakowania, niedestrukcyjny odczyt, mały pobór mocy | b. wysoka gęstość upakowania, brak tranzystorów w komór- ce, niewielki pobór mocy, niskie koszty produkcji, możliwość nakładania wielu warstw | bardzo wysoka gęstość upakowania, brak tranzystorów w komórce, niewielki pobór mocy, niskie koszty produkcji | bardzo wysoka pojemność, niski pobór mocy, krótki czas dostępu | wysoka pojemność |
Wady | obecność elementów mechanicznych, wysoki pobór prądu | ograniczenia technologiczne pojemności modułów | ograniczenia technologiczne pojemności modułów | skomplikowany proces produkcyjny, duże rozmiary komórek | destrukcyjny odczyt danych, skomplikowany proces produkcji | ograniczona liczba cykli, wysoki pobór prądu podczas pracy | skomplikowany proces produkcji | duży czas dostępu | duży czas dostępu | brak wdrożeń | obecność elementów mechanicznych |
Żywotność | ok. 100 000 | ok. 106 cykli | ok. 106 cykli | nieograniczona | ok. 1012 cykli | ok. 1012-1013 cykli | brak danych | ok. 108 cykli | ok. 108 cykli | nieograniczona | obecnie 105 cykli |
Zasilanie – pobór energii | wysoki | niski | niski | dosyć wysoki | bardzo niski | wysoki | niewielkie | niewielki | niewielki | niewielki | średni |
Czas dostępu zapis/odczyt | 5-20 ms | ok. 50-100 ns | 50 ns | 2,3-3,0 ns | 20-30 ns | 100 ns | brak danych | około 50 ms | około 50 ms | 5-50 ns | brak danych |
Gęstość upakowania | około 100 Gbit/cal2 | dosyć duża (do 8 GB/moduł) | dosyć duża (do 8 GB/moduł) | niewielka (obecnie moduły 128 Kb, teoretycznie 256 Mbit) | dosyć duża (obecnie moduły 4-64 Mbit) | obecnie moduły 4 Mbit | brak danych | brak danych | brak danych | 0,2-1,0 Tbit/cal2 | 200 Gbit/cal2 |
Dostępność technologii | dostępna | dostępna | dostępna | w fazie testów | w fazie testów | w fazie testów | w fazie testów | w fazie testów | w fazie testów | w fazie teoretycznej | w fazie testów |