Какая память компьютера является энергозависимой
Память в современных микроконтроллерах принято разделять по признаку зависимости от энергоснабжения. К энергозависимой памяти относятся технологии DRAM и SRAM, к энергонезависимой — EEPROM/Flash Это разделение существует за счет того, что DRAM/SRAM обладают гораздо лучшим быстродействием по сравнению с энергонезависимой памятью. Но что было бы, если бы существовала энергонезависимая память, не уступающая энергозависимой памяти по скорости чтения/записи и энергопотреблению? Оказывается, такие технологии существуют. Одним из представителей этого класса памяти является технология FRAM или FeRAM. За подробностями прошу под кат.
Итак, FeRAM или Ferromagnetic Random Access non-volatile Memory — тип памяти, принцип работы которого основывается на эффекте гистерезиса в сегнетоэлектрике. При приложении к ячейке электрического поля она меняет свою поляризацию, переходя на другой участок петли гистерезиса. За счет этого можно получить два хорошо различимых по энергии состояния, а это достаточно для создания памяти на основе такой ячейки. Это хорошо иллюстрируется гифками с сайта Fujitsu — одного из основных производителей FRAM.
Рис.1 Принцип работы FRAM
Для того, чтобы понять, какие преимущества это дает перед классическими видами памяти, необходимо также вспомнить основные принципы работы других видов памяти.
Принцип работы DRAM (Dynamic RAM) основан на считывании и изменении заряда конденсатора. Если конденсатор заряжен — ячейка находится в состоянии «1», если разряжен — в состоянии «0». Просто как зонтик. Для увеличения быстродействия в ячейках памяти применяются конденсаторы небольшой ёмкости, заряд с которых относительно быстро утекает. Поэтому для обеспечения сохранности информации информацию приходится регенерировать. DRAM применяется в качестве оперативной памяти на современных компьютерах из-за дешевизны (в сравнении с SRAM) и высокого быстродействия (в сравнении с дисковыми накопителями).
Рис.2 Типичная ячейка памяти DRAM
Память SRAM (Static RAM) гораздо сложнее DRAM, и поэтому гораздо дороже. Ее принцип действия основан на применении КМОП-транзисторов. При объединении нескольких транзисторов можно получить триггер — ячейку, сохраняющую определенное логическое состояние. Для этого вида памяти нет необходимости в регенерации состояний, но тем не менее в отсутствие питания данные теряются, т.е. память остается энергозависимой. Этот вид памяти быстрее DRAM. Поскольку такая память стоит гораздо дороже DRAM, ее применяют там, где требуется очень малое время отклика — в кэш-памяти процессора.
Рис.3 Шеститранзисторная ячейка SRAM
10-20 лет), что позволяет применять EEPROM/Flash в качестве энергонезависимой памяти. Flash применяется для хранения кода программ в микроконтроллерных устройств, а также в картах памяти.
Рис.4 Транзистор с плавающим затвором
Чем же FRAM лучше этих видов памяти?
Основное преимущество FRAM перед SRAM — это энергонезависимость. При прекращении подачи питания на микросхему памяти она сохраняет свое предыдущее состояние. При это быстродействие этих видов памяти сравнимо между собой — цикл записи на FRAM занимает 150 наносекунд против 55 наносекунд в SRAM согласно сайту Fujitsu. Но FRAM обладает ограниченным (хотя и огромным — 10^13) числом циклов перезаписи, тогда как у SRAM нет таких ограничений. DRAM сильно проигрывает FRAM по энергопотреблению из-за необходимости регенерации данных. Поэтому DRAM не применяется в устройствах, чувствительных к энергопотреблению.
Тем не менее, хотя FRAM по характеристикам сравнима с SRAM, основной потенциал применения завязан на значительных преимуществах перед Flash-памятью. В первую очередь, это огромное быстродействие. Из той же ссылки на сайт Fujitsu время одного цикла записи на Flash порядка 10 микросекунд. Здесь следует упомянуть особенность применения flash-памяти — запись и стирание в ней производится достаточно большими блоками. Поэтому перезаписывать один байт во флеше — очень дорогое удовольствие как по времени, так и по энергопотреблению — нужно куда-то сохранить блок данных, изменить в нем байт, полностью стереть соответствующий участок блока и перезаписать в него обновленные данные. Здесь, кстати, еще одно преимущество FRAM — это память с произвольным доступом, а значит в ней можно менять отдельные биты, не задевая соседние. Но даже при записи больших блоков данных FRAM на порядок быстрее. Так, в контроллерах Texas Instrument запись блока размера 13 кБ занимает 10 мс в FRAM против 1 секунды в Flash (пруф). Еще один недостаток Flash — сильно ограниченное число циклов перезаписи — порядка 10^5.
Когда я узнал про все эти свойства, у меня остался один вопрос — почему FRAM до сих пор не убил Flash? Действительно, все характеристики FRAM на порядки лучше характеристик флеша. Вот тут и всплыли основные недостатки ферромагнитной RAM. В первую очередь это низкая плотность размещения информации в силу особенностей технологии. Из этого недостатка вытекает другой — ёмкость накопителей типа FRAM не может быть сделана достаточно большой. Fujitsu предлагает схемы памяти объемом до 4 Мбит, что не сравнить с многогигабайтными флешками. Еще один недостаток — достаточно высокая стоимость памяти. Сегодня FRAM занимает совершенно мизерную долю рынка полупроводниковых устройств.
Для каких же применений оптимальна память типа FRAM? Достаточно хороша FRAM в микроконтроллерах в комбинации с небольшим объёмом SRAM. Собственно, это то самое применение, которое привлекло меня к данному типу памяти. Например, компания Texas Instruments выпустила линейку FRAM-микроконтроллеров с полностью отсутствующими Flash/EEPROM. Код в них записывается в FRAM сегмент, а к данным в том же FRAM можно обращаться также, как к обычной RAM-памяти. Такое применение удобно там, где есть значительное количество данных, которое может часто переписываться. Например, портативный логгер, для которого важно энергопотребление. Можно записывать данные в FRAM в течение определенного времени, затем анализировать и, например, отправлять данные о средних величинах по беспроводному каналу. Flash память при таком использовании неудобна — она быстро посадит аккумулятор, а из-за ограниченности циклов записи через какое-то время могут появиться проблемы с поврежденными ячейками памяти. Таким образом, FRAM выгодна для low-power приложений с относительно большим объемом и высокой частотой записи в энергонезависимую память. Вообще, TI на своем сайте указывает, в каких областях по их мнению такая память наиболее удобна.
Надеюсь, мне удалось привлечь ваше внимание к этой интересной и необычной технологии, про которую, к сожалению, на Хабре/Гиктаймс практически нет никакой информации.
Любая микропроцессорная система, вне зависимости от типа используемого микроконтроллера или процессора, в обязательном порядке требует памяти (рис. 1). В памяти хранится исполняемая процессором программа. Там же помещаются данные, используемые при вычислениях. Данные могут поступать от датчиков или появляться в результате расчетов, они также могут изначально размещаться в памяти при программировании.
Рис. 1. Процессор использует память для хранения программ и данных
В идеальном мире для хранения данных и программ будет достаточно одного вида памяти. Однако в реальности существующие технологии памяти вынуждают пользователя искать компромисс между несколькими параметрами, например, между скоростью доступа, стоимостью и длительность сохранения данных.
Например, жесткий диск (HDD), используемый в большинстве ПК, может хранить большой объем информации и имеет относительно низкую стоимость. Кроме того, информация, размещенная на HDD, не теряется при выключении ПК. В то же время скорость обмена при работе с жестким диском оказывается достаточно низкой.
Оперативная память ПК хотя и отличается высокой ценой и не сохраняет данные при отключении питания, но вместе с тем скорость обмена данными между ОЗУ и процессором оказывается гораздо выше, чем при работе с жестким диском.
Память можно разделить на две основные категории: энергозависимую (volatile) и энергонезависимую (non-volatile). Энергозависимая память теряет свое содержимое при отключении питания. Энергонезависимая память сохраняет данные даже при отключении питания.
В общем случае энергонезависимая память работает медленнее, но стоит дешевле, чем энергозависимая память. Чаще всего энергонезависимая память используется для хранения программ и пользовательских данных. Энергозависимая память в основном необходима для хранения часто используемых данных. Кроме того, в высокопроизводительных устройствах после запуска процессора программа копируется из энергонезависимой памяти в ОЗУ и далее выполняется оттуда.
Энергонезависимая память
Почти вся энергонезависимая память использует одну и ту же базовую технологию для хранения битов данных. Значение каждого бита по существу определяется наличием или отсутствием заряда, хранимого на плавающем затворе МОП-транзистора. От заряда на этом плавающем затворе зависит, находится ли канал МОП-транзистора в проводящем состоянии или нет, тем самым, кодируется логический уровень элементарной ячейки памяти.
Инжекция или удаление заряда изолированного затвора осуществляется за счет подачи высокого напряжения определенной полярности на традиционный затвор транзистора. В результате энергонезависимая память имеет несколько важных особенностей.
Во-первых, чтобы перезаписать бит памяти, его необходимо сначала стереть. При этом механизм записи с переносом заряда характеризуется таким негативным эффектом, как деградация ячейки памяти. Деградация приводит тому, что после многочисленных циклов записи/стирания ячейка памяти теряет способность хранить заряд, то есть перестает выполнять свою главную функцию.
Различные виды энергонезависимой памяти отличаются способом организации битов в микросхеме, что в свою очередь определяет, насколько легко и как быстро к ним можно получить доступ. Таким образом, когда речь заходит об энергонезависимой памяти помимо показателей скорости и стоимости в игру вступают дополнительные факторы. Эти факторы привели к появлению различных технологий энергонезависимой памяти.
Flash
Flash чаще всего используется для хранения программ и констант в микроконтроллерах, а также для хранения загрузчика в ПК.
Существует два основных типа Flash: NAND и NOR. Оба типа Flash имеют свои достоинства и недостатки и применяются в различных приложениях.
NOR Flash, как правило, выступает в роли XIP-памяти (Execute In Place), то есть может использоваться как для хранения, так и для выполнения программ. В большинстве случаев, NOR Flash оказывается дороже и быстрее, чем NAND Flash.
NAND Flash обычно используется в SSD-дисках, USB-накопителях, а также является основным типом памяти для SD-карт.
EEPROM
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) – достаточно медленный и относительно дорогой тип памяти. Вместе с тем EEPROM обеспечивает простоту доступа к данным. Если во Flash организован постраничный доступ к памяти, то EEPROM позволяет записывать и стирать отдельные байты. Таким образом, EEPROM является оптимальным вариантом для хранения данных конфигурации и пользовательской информации во встраиваемых системах.
SSD и SD
В SSD-накопителях (Solid State Drives) и SD-картах (Secure Digital) используется NAND Flash (рис. 2). В таких накопителях работа ведется с большими блоками данных. SSD-накопители и SD-карты обеспечивают более высокую надежность, по сравнению традиционными жесткими дисками (HDD).
Рис. 2. Карта памяти SD (32 ГБ)
Для уменьшения влияния недостатков базовой технологии, в первую очередь деградации, в SSD используются специальные технологии, в том числе, схема обнаружения и исправления ошибок, а также схема равномерного использования ячеек памяти.
В отличие от SSD, SD-карты, в силу своего размера, обычно не отличаются большой емкостью и не обладают технологиями, повышающими надежность хранения данных. Следовательно, они в основном используются в приложениях, требующих не очень частого доступа к данным.
Дискретные микросхемы Flash-памяти большого объема (более нескольких Мбайт) оказываются весьма дорогими, если речь идет о мелком и среднесерийном производстве.
Таким образом, если вашему устройству требуется большой объем Flash (сотни Мбайт - Гбайты), то в большинстве случаев более экономичным решением станет использование SD-карты, по крайней мере, до тех пор, пока вы не достигнете крупносерийного производства, при котором стоимость дискретных микросхем Flash не опуститься до разумного значения.
Другие типы энергонезависимой памяти
В этом разделе кратко описаны некоторые другие типы энергонезависимой памяти, которые широко использовались в прошлом.
Постоянная память ROM. Содержимое этой памяти программируется на этапе производства и не может быть изменено в процессе эксплуатации.
Однократно программируемая пользователем память PROM (Programmable ROM). Содержимое этой памяти может быть однократно запрограммировано пользователем.
Стираемая память EPROM (Erasable Programmable ROM). Микросхемы EPROM имеют небольшое окно для стирания содержимого с помощью ультрафиолетового излучения. После стирания память EPROM может быть снова запрограммирована.
Рис. 3. Пример устаревшей микросхемы EPROM с окном для стирания УФ-светом
Энергозависимая память
Энергозависимая память RAM (Random Access Memory) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – это запоминающее устройство, которое сохраняет свое содержимое только при наличии напряжения питания. Существует два типа RAM: статическая и динамическая.
Ячейка динамического RAM или DRAM не только нуждается в присутствии напряжения питания, но и отличается постоянной потерей заряда, из-за чего содержимое DRAM требует периодической регенерации.
Статическая RAM или SRAM не требует регенерации и сохраняет свое содержимое при наличии напряжения питания.
В каких же случаях необходимо использовать SRAM или DRAM вместо любого из описанных выше энергонезависимых типов памяти? Ответ прост – в тех случаях, когда необходима высокая скорость и простота доступа к данным. Оперативная память оказывается не только намного быстрее энергонезависимых типов памяти, но и обеспечивает произвольный доступ к хранящимся в ней данным. Можно записывать или читать данные из любой области памяти с очень высокой скоростью, не беспокоясь о стирании страниц или блоков. Вместе с тем основным недостатком RAM является высокая стоимость. Таким образом, в большинстве вычислительных систем обычно используют комбинацию из RAM и flash-памяти. При этом каждый из этих типов памяти решает конкретные задачи, с учетом оптимального использования их преимуществ.
В категории энергозависимой памяти SRAM оказывается быстрее, чем DRAM, но при этом отличается и более высокой стоимостью. Это связано с тем, что для реализации ячейки SRAM требуется от четырех до шести транзисторов, а для ячейки DRAM требуется только один. Следовательно, на кристалле одного и того же размера можно уместить гораздо больше ячеек DRAM, чем ячеек SRAM.
В то же время для работы с DRAM требуется контроллер, который будет автоматически выполнять периодическую регенерацию содержимого памяти. Таким образом, использование DRAM вместо SRAM имеет смысл только в том случае, если стоимость контроллера перекрывается дешевизной DRAM-памяти.
SRAM чаще всего применяется в тех случаях, когда высокая скорость доступа имеет критическое значение, а объем необходимой памяти оказывается относительно небольшим.
Таким образом, SRAM обычно используется в микроконтроллерах, где небольшой объем статической памяти обеспечивает меньшую стоимость по сравнению с DRAM с собственным контроллером памяти. SRAM также используется в качестве высокоскоростной кэш-памяти внутри микропроцессоров, благодаря высокой скорости доступа.
Виды DRAM
Существуют различные виды DRAM. Исторически первые микросхемы DRAM сначала уступили место FPRAM (Fast Page RAM), которые в свою очередь были заменены на EDO RAM (Extended Data Output RAM), на смену которым, в конце концов, пришли микросхемы синхронной памяти DRAM или SDRAM.
Новые поколения SDRAM используют двойную скорость передачи данных (SDRAM included Double Data Rate). Речь идет о DDR2, DDR3 и DDR4.
Хотя каждое новое поколение SDRAM имело некоторые улучшения по сравнению с предыдущими поколениями, следует отметить, что сама базовая динамическая ячейка ОЗУ оставалась практически без изменений и обеспечивала лишь незначительное увеличение скорости доступа. С другой стороны, плотность размещения ячеек памяти или общее количество битов, упакованных в один чип, значительно увеличилось с течением времени. Тем не менее, основные улучшения в новых поколениях SDRAM были связаны именно с увеличением скорости передачи данных и уменьшением удельного энергопотребления.
SDRAM является основой для всех современных видов DRAM. До появления SDRAM память DRAM использовала асинхронной обмен, то есть после запроса на чтение данные сразу же появлялись на шине данных. В SDRAM данные синхронизируются с помощью тактового сигнала.
Например, после того, как SDRAM-память получает команду чтения, она начинает выставлять данные спустя определенное количество тактов. Эта задержка известна как строб адреса столбца CAS (Column Address Strobe). Она имеет фиксированное значение для каждого модуля памяти.
Кроме того, в SDRAM считывание данных всегда синхронизируется по фронту тактового сигнала. Таким образом, процессор точно знает, когда ожидать запрошенные данные.
DDR DRAM
Говоря о первом поколении SDRAM, его часто называют памятью с однократной скоростью передачи данных или SDR (Single Data Rate). Следующим эволюционным шагом в развитии SDRAM стало появление DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) или памяти с удвоенной скоростью передачи данных.
На рис. 4 показана разница в обмене данными при работе с SDR и DDR SDRAM. Обратите внимание, что на этом рисунке задержка CAS не показана.
Рис. 4. Передача данных при работе с SDR и DDR. Прием данных DDR выполняется как по фронту, так и по срезу тактового сигнала
DDR2, DDR3 и DDR4
При переходе от SDR к DDR передача данных стала вестись как по фронту, так и по срезу тактового сигнала. Далее при переходе от DDR2 к DDR4 SDRAM скорость передачи возрастала за счет использования некоторых хитрых приемов. При этом, как уже упоминалось ранее, скорость доступа к содержимому ячейки памяти DRAM не сильно изменилась из-за ограничений базовой технологии. В реальности эту скорость удалось увеличить всего в два раза.
Рис. 5. Модуль DDR-памяти, используемый в компьютерах
Не вдаваясь в технические тонкости, можно отметить, что одним из «хитрых» способов повышения скорости передачи является увеличение разрядности шины данных. Очевидно, что если организация памяти позволяет считать за один цикл доступа сразу несколько битов, то это приводит к кратному увеличению скорости передачи данных.
Поскольку доступ к памяти обычно осуществляется последовательно, CAS определяет некоторую задержку между подачей команды чтения и готовностью данных. Следовательно, еще одна хитрость, позволяющая увеличить скорость чтения, заключается в поддержке циклов многократного чтения или в возможности предварительного выбора данных. Эти функции позволяют контроллеру памяти заранее подготовить новый блок данных для следующей передачи.
Наконец, достижения в кремниевой полупроводниковой технологии позволяют снизить рабочее напряжение, а значит уменьшить удельное потребление на бит и увеличить объем памяти при том же энергопотреблении.
Заключение
В большинстве микропроцессорных устройств требуется как энергонезависимая, так и энергозависимая память. Однако выбор оптимального типа памяти зависит от особенностей конкретного приложения.
Память оказывает большое влияние на производительность, стоимость и энергопотребление. По этой причине выбор оптимального типа памяти является очень важной задачей.
Как и в случае со всеми инженерными задачами, разработка электронных устройств очень часто требует поиска компромиссных решений. Теперь, когда вы знаете о достоинствах и недостатках различных типов памяти, вы сможете выбрать оптимальный тип памяти для вашего нового устройства.
Энергозависимой памятью является компьютерная память, требующая для хранения информации наличия электроэнергии (в отличие от энергонезависимой). Пока источник питания подключен к этому виду памяти, данные сохраняются. Как только тот отключается, информация быстро теряется.
Существует несколько областей применения энергозависимых запоминающих устройств. Они даже могут использоваться в качестве основного хранилища данных. Ключевым их преимуществом перед жесткими дисками является быстрая скорость обмена информацией. Кроме того, свойство энергозависимости помогает защитить сведения ограниченного доступа, поскольку они становятся недоступными при отключении источника питания. Большинство видов оперативной памяти (Random-Access Memory, RAM) — энергозависимые.
Существуют следующие основные виды энергозависимой памяти:
Статическая память
Главное преимущество статической оперативной памяти (Static RAM, SRAM) заключается в том, что она намного быстрее динамической. Ее недостаток — высокая цена. Статической памяти не требуется постоянная регенерация. Но в то же время она нуждается в непрерывном токе для поддержания разности напряжений. Для хранения одного бита информации чип статической памяти использует ячейку из 6 транзисторов.
Четыре транзистора M1-M4 формируют 2 инвертора с перекрестными обратными связями и непосредственно применяются для хранения одного бита данных. Ячейка памяти имеет 2 устойчивых состояния, которые нужны для хранения 0 или 1. Дополнительные два транзистора управляют доступом к ячейке памяти во время операций считывания и записи данных.
Энергопотребление статической памяти
Энергопотребление зависит от того, как часто осуществляется доступ к статической энергозависимой памяти, но в целом имеет небольшое значение. Иногда она может потреблять столько же электроэнергии, сколько динамическая память (при использовании на высоких частотах). С другой стороны, при нахождении в состоянии ожидания она потребляет совсем небольшое количество электроэнергии: несколько микроватт.
Применение статической памяти
Встроенная в чип статическая память применяется:
- как оперативная память или кэш-память в 32-битных микроконтроллерах;
- как основная кэш-память в мощных процессорах, например, семейства Х86;
- в интегральных схемах специального назначения (ASIC);
- в программируемых пользователем вентильных матрицах (FPGA);
- в программируемых логических интегральных микросхемах (ПЛИС, CPLD).
Кроме того, статическая энергозависимая память используется:
- в научных и промышленных подсистемах, в автомобильной электронике;
- в персональных компьютерах, маршрутизаторах и периферийном оборудовании в качестве внутренней кэш-памяти процессора и буфера жесткого диска или маршрутизатора;
- в жидкокристаллических дисплеях (LCD-дисплеях) и принтерах для хранения отображаемого или печатаемого изображения.
Преимущества и недостатки статической памяти
- невысокое энергопотребление;
- простота (не требуется наличия схемы регенерации);
- надежность.
- высокая стоимость;
- небольшая емкость;
- большие размеры;
- изменяющееся энергопотребление.
Динамическая память
Несмотря на то что оба вида энергозависимой памяти требуют наличия электрического тока для сохранения данных, они имеют некоторые различия. Динамическое оперативное запоминающее устройство (динамическое ОЗУ, DRAM) имеет большую популярность вследствие своей эффективности и стоимости. Для хранения одного бита информации в DRAM на интегральной микросхеме используется один конденсатор и один транзистор. Это позволяет эффективно применять пространство интегральной схемы и делает названный вид памяти недорогим.
Регенерация памяти
Процесс периодического считывания информации из ячеек компьютерной памяти и немедленной ее перезаписи в эти же ячейки без изменения называется регенерацией памяти. Это фоновый процесс для сохранения данных в динамической энергозависимой памяти. Он является определяющей характеристикой для такой разновидности.
Информация в динамической памяти хранится в виде наличия или отсутствия заряда на миниатюрном конденсаторе. С течением времени заряд уменьшается. Поэтому если данные своевременно не регенерировать, их можно полностью потерять. Для защиты от потери данных осуществляются их периодическое считывание и перезапись с помощью внешней схемы. В результате заряд конденсатора восстанавливается до исходного состояния.
Виды динамической памяти
Асинхронная динамическая память — первый тип DRAM, появившийся в конце 1960-х годов. Активно применялся до 1997 года, пока не был заменен синхронной DRAM. Память названа асинхронной вследствие того, что доступ к ней не синхронизируется с тактовым сигналом компьютерной системы.
Синхронная динамическая память нашла широкое применение в современных механизмах. Данный вид энергозависимой памяти компьютера отвечает на сигналы чтения и записи синхронно с сигналом системного тактового генератора. Синхронная память работает на более высоких скоростях по сравнению с асинхронной. С 1993 года этот тип является преобладающим в персональных компьютерах пользователей по всему миру.
Изначально синхронная динамическая память называлась SDRAM. В дальнейшем скорость передачи данных увеличилась в 2 раза и на рынке память появилась под названием DDR1. В дальнейшем были выпущены DDR2, DDR3 и DDR4. Последнее поколение (DDR4) было создано во второй половине 2014 года. В марте 2017 года началась разработка энергозависимых устройств памяти DDR5.
Современная память, в том числе продукты Kingston, прекрасно справляется с стоящими перед ней задачами, но мир меняется и не исключено, что через некоторое время мы будем вспоминать о привычной всем DRAM, как об устаревшей технологии. Одним из кандидатов на замену является магниторезистивная память MRAM.
У каждого вида устройств памяти есть свои недостатки. Например, NAND отличается низкой скоростью записи, память SRAM не позволяет близко размещать ячейки (и поэтому добиться высокой плотности), а также вместе с DRAM является энергозависимой – то есть обнуляется при исчезновении питающего напряжения. Именно поэтому ученые постоянно ведут поиск более совершенных технологий для решения самых разных задач.
В последнее время очень много внимания уделяют трехмерной vNAND, которая позволяет радикально повысить емкость накопителей, а также новой разработке Intel и Micron, получившей название 3D XPoint. Последняя вообще обещает быть лучше существующей памяти практически во всем, но производители пока скрывают истинную технологию работы этой энергонезависимой памяти. PR-машина Intel создала немало шумихи вокруг новой технологии, затмившей не менее перспективные разработки, такие как MRAM или Magnetoresistive RAM.
Магнитный момент или электрический заряд?
Технология работы MRAM
С технической точки зрения MRAM сильно отличается от других перспективных видов памяти – того же 3D XPoint или сегнетоэлектрической памяти (FRAM), так как в основе MRAM лежат магнитные элементы памяти, работающие по принципу магнитного туннельного перехода (MTJ – magnetic tunnel junction).
Чтобы понять суть этого эффекта, погрузимся немного в теорию полупроводников. Каждая ячейка MTJ состоит из управляющего транзистора, а также двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким слоем диэлектрика (туннельный слой). Первый слой представляет собой постоянный магнит, имеющий определенный и четко фиксированный вектор магнитного поля. А вот второй ферромагнитный слой – это уже переменный магнит, который меняет свою поляризацию (направление намагниченности), например, в зависимости от приложенного магнитного поля.
Определить значение бита в ферромагнитной ячейке можно, проверив совпадают ли векторы намагниченности двух слоев или они противоположны друг другу. Благодаря эффекту туннельного магнитосопротивления, при одинаковой поляризации ферромагнитных слоев электрическое сопротивление ячейки уменьшается, и такое положение вещей считается логическим нулем. В противоположном случае сопротивление ячейки определяют проводящие свойства диэлектрика в чистом виде – и ячейка сохраняет значение логической единицы. Управляющий транзистор в данном случае выполняет роль «тестера», который пропускает ток через ячейку, чтобы определить, какое значение бита в ней записано.
Эволюция и появление STT-MRAM
Известная проблема памяти MRAM заключается в записи значения в ферромагнитную ячейку. Изначально для этого нужно было приложить формирующее магнитное поле. Однако это весьма затратно с точки зрения расхода электроэнергии (что ставило крест на MRAM для мобильных устройств), а также ограничивает развитие технологии, ведь при переходе на меньший техпроцесс будет все сложнее создать точечное магнитное поле, которое не испортит данные в соседних ячейках.
Как ответ на эти вызовы была разработана улучшенная технология STT-MRAM (spin-torque-transfer MRAM). В самом принципе хранения информации ничего не поменялось, но вот метод записи стал в корне иным. В STT-MRAM происходит перенос спина электронов, попадающих в свободный слой. В нормальных условиях электроны вращаются в разные стороны, но если специально направлять в свободный ферромагнитный слой предварительно ориентированные носители заряда, поляризация будет меняться в соответствии с тем направлением, которое имеет момент импульса поступающих электронов. Проще говоря, перезапись информации в ячейке происходит путем направления специально подготовленных электронов с одинаковым спином.
Изначально спин электронов для записи в памяти STT-MRAM формировался в той же плоскости, что и сами ферромагнитные слои. Однако перенос спина в перпендикулярную плоскость позволил уменьшить ток переключения ячейки, а также ее размер, увеличивая плотность размещения ячеек на кристалле. И теперь STT-MRAM действительно начинает походить на память будущего, которая сможет объединить в себе лучшее из двух миров.
В поисках своей ниши
Прежде чем мы сможем говорить о замене SRAM или DRAM, технология STT-MRAM должна изрядно повзрослеть, преодолеть «детские болезни», которые обязательно появятся, и доказать свою надежность. Но учитывая, что коммерческие образцы новой магнитной памяти уже существуют, для нее могут найтись специфические ниши.
Например, в SSD-накопителях и RAID-системах пока часто используются микросхемы DRAM, которые хранят кэшируемые операции. Но при отключении питания все данные с DRAM стираются. Это может стать проблемой, если важная информация еще не успела сохраниться на диске и поэтому в SSD устанавливаются конденсаторы, а в RAID-системы – дополнительные батареи. Они должны помочь записать всю информацию до полного отключения питания. Эти элементы деградируют со временем, конденсаторы и аккумуляторы увеличивают стоимость готовых продуктов и делают их более сложными. Тем временем STT-MRAM, как энергонезависимая память, может решить этот вопрос, и сейчас производители таких чипов активно продвигают подобный метод их использования.
Мы в Kingston тщательно следим за развитием всего спектра новых технологий памяти, но для коммерческих продуктов используем только зрелые решения, зарекомендовавшие себя и показавшие высокие уровни надежности. Учитывая сегодняшнюю ситуацию, не исключено, что через несколько лет STT-MRAM или еще более совершенная модификация этой памяти окажется быстрее и надежнее существующих сегодня решений, но пока эти технологии находятся в стадии первых экспериментов и не готовы работать в качестве тех самых универсальных накопителей, можно выбрать лучшие из существующих решений, к которым, несомненно, относятся и наши модули оперативной памяти.
Подписывайтесь и оставайтесь с нами — будет интересно!
Для получения дополнительной информации о продукции Kingston и HyperX обращайтесь на официальный сайт компании.
Читайте также: