Co nowego błyska?

Nowe technologie pamięci nieulotnych wkrótce zrewolucjonizują sposób pracy komputerów. Czas włączania komputer będzie porównywalny z czasem uruchamiania innych urządzeń gospodarstwa domowego, a komputer po wyłączeniu nie będzie tracił zawartości pamięci

Jak ważny dla producentów jest rynek pamięci nieulotnych, świadczą same wyniki sprzedaży tych urządzeń (patrz: ramka na $(LC90612: Co nowego błyska?)$). Nic więc dziwnego, że uzyskanie modułów o prędkości pracy odpowiadającej obecnym pamięciom DDR jest sprawą priorytetową. Na tyle priorytetową, że zainteresował się nią nawet Departament Obrony USA i sponsoruje prace badawcze w tej dziedzinie.

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
TechnologiaDzisiejsze technologie nieulotneTechnologie jutra
HDDFlash-NANDFlash-NORMRAMFERAMOUMRRAMPolimerowaFerro-polimerowaOrganicznaNano-mechaniczna
Zaletyduża pojemność, tania technologia produkcjiniski pobór prądu w trakcie pracy, nieulotnośćniski pobór prądu w trakcie pracy, nieulotnośćsuperkrótkie czasy dostępu do danych, nieulotność, niedestrukcyjny odczytszybki zapis i odczyt, bardzo mały pobór prądu, ograniczona żywotnośćszybki zapis i odczyt, niedestrukcyjny odczyt, małe rozmiary komórkiwysoka gęstość upakowania, niedestrukcyjny odczyt, mały pobór mocyb. wysoka gęstość upakowania, brak tranzystorów w komór- ce, niewielki pobór mocy, niskie koszty produkcji, możliwość nakładania wielu warstwbardzo wysoka gęstość upakowania, brak tranzystorów w komórce, niewielki pobór mocy, niskie koszty produkcjibardzo wysoka pojemność, niski pobór mocy, krótki czas dostępuwysoka pojemność
Wadyobecność elementów mechanicznych, wysoki pobór prąduograniczenia technologiczne pojemności modułówograniczenia technologiczne pojemności modułówskomplikowany proces produkcyjny, duże rozmiary komórekdestrukcyjny odczyt danych, skomplikowany proces produkcjiograniczona liczba cykli, wysoki pobór prądu podczas pracyskomplikowany proces produkcjiduży czas dostępuduży czas dostępubrak wdrożeńobecność elementów mechanicznych
Żywotnośćok. 100 000ok. 106 cykliok. 106 cyklinieograniczonaok. 1012 cykliok. 1012-1013 cyklibrak danychok. 108 cykliok. 108 cyklinieograniczonaobecnie 105 cykli
Zasilanie – pobór energiiwysokiniskiniskidosyć wysokibardzo niskiwysokiniewielkieniewielkiniewielkiniewielkiśredni
Czas dostępu zapis/odczyt5-20 msok. 50-100 ns50 ns2,3-3,0 ns20-30 ns100 nsbrak danychokoło 50 msokoło 50 ms5-50 nsbrak danych
Gęstość upakowaniaokoło 100 Gbit/cal2dosyć 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 Mbitbrak danychbrak danychbrak danych0,2-1,0 Tbit/cal2200 Gbit/cal2
Dostępność technologiidostępnadostępnadostępnaw fazie testóww fazie testóww fazie testóww fazie testóww fazie testóww fazie testóww fazie teoretycznejw fazie testów
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.