Технологии и особенности оперативной памяти

• Введение
• 1 История
• 2 Современная оперативная память
• 3 DRAM
• 3.1 Ядро DRAM
• 3.2 Интерфейс DRAM
• 4 SRAM
• 4.1 Ядро SRAM
• 4.2 Интерфейс SRAM
• 5 Память с изменением фазового состояния (PRAM)
• 6 Магниторезистивная память
• 7 T-RAM
• Заключение
• Библиографический список

Введение

Одним из важнейших устройств компьютера является память, или запоминающее устройство (ОЗУ). По определению, данном в книге «Информатика в понятиях и терминах», ОЗУ — «функциональная часть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде.» Однако под это определение попадает как собственно память, так и внешние запоминающие устройства (типа накопителей на жестких и гибких дисках, магнитной ленты, CD-ROM), которые лучше отнести к устройствам ввода/вывода информации. Таким образом под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только «внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память». Итак, рассмотрим классификацию внутренней памяти компьютера.

Оператимвная паммять (англ. Random Access Memory, RAM, память с произвольным доступом, ОЗУ) — это энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.

Оперативное запоминающее устройство является, пожалуй, одним из самых первых устройств вычислительной машины. Она присутствовала уже в первом поколении ЭВМ по архитектуре («Информатика в понятиях и терминах»), созданных в сороковых — в начале пятидесятых годов двадцатого века. За эти пятьдесят лет сменилось не одно поколение элементной базы, на которых была построена память. Поэтому автор приводит некоторую классификацию ОЗУ по элементной базе и конструктивным особенностям.

Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится:

— непосредственно;

— через сверхбыструю память 0-го уровня — регистры в АЛУ, либо при наличии аппаратного кэша процессора — через кэш.

Содержащиеся в современной полупроводниковой оперативной памяти данные доступны и сохраняются только тогда, когда на модули памяти подаётся напряжение. Выключение питания оперативной памяти, даже кратковременное, приводит к искажению либо полному разрушению хранимой информации.

Энергосберегающие режимы работы материнской платы компьютера позволяют переводить его в режим сна, что значительно сокращает уровень потребления компьютером электроэнергии. В режиме гибернации питание ОЗУ отключается. В этом случае для сохранения содержимого ОЗУ операционная система (ОС) перед отключением питания записывают содержимого ОЗУ на устройство постоянного хранения данных (как правило, жёсткий диск). Например, в ОС Windows XP содержимое памяти сохраняется в файл hiberfil. sys, в ОС семейства Unix — на специальный swap-раздел жёсткого диска.

В общем случае, ОЗУ содержит программы и данные ОС и запущенные прикладные программы пользователя и данные этих программ, поэтому от объёма оперативной памяти зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер под управлением ОС.

Оперативное запоминающее устройство, ОЗУ — техническое устройство, реализующее функции оперативной памяти.

ОЗУ может изготавливаться как отдельный внешний модуль или располагаться на одном кристалле с процессором, например, в однокристальных ЭВМ или однокристальных микроконтроллерах.

1 История В 1834 году Чарльз Бэббидж начал разработку Аналитической машины. Одну из важных частей этой машины он называл «Склад» (store), эта часть предназначалась для хранения промежуточных результатов вычислений. Информация в «складе» запоминалась в чисто механическом устройстве в виде поворотов валов и шестерней.

ЭВМ первого поколения можно считать ещё полуэкспериментальными, поэтому в них использовалось множество разновидностей и конструкций запоминающих устройств, основанных на различных физических принципах: на электромагнитных реле, на акустических линиях задержки, электронно-лучевых и электростатических трубках. В качестве ОЗУ использовались также магнитные барабаны обеспечивавшие достаточно малое для ранних компьютеров время доступа и использовался в качестве основной памяти для хранения программ и данных.

Второе поколение требовало более технологичных, дешёвых и быстродействующих ОЗУ. Наиболее распространённым видом ОЗУ в то время стала память на магнитных сердечниках.

Начиная с третьего поколения большинство электронных узлов компьютеров стали выполнять на микросхемах, в том числе и ОЗУ. Наибольшее распространение получили два вида ОЗУ: на основе электрических конденсаторов (динамическая память) в которой информация хранится в виде электрического заряда конденсатора и статическая память, в которой информация хранится в виде состояний бистабильных устройств — триггеров. Оба этих вида памяти не сохраняют информацию при отключении питания. Для этого используется Энергонезависимая память.

2 Современная оперативная память Сейчас в большинстве случаев применяются и развиваются следующие виды ОЗУ:

— статическое (SRAM) память в виде массивов триггеров;

— динамическое (DRAM) память в виде массивов конденсаторов;

— основанном на изменении фазы (PRAM);

— магниторезистивная (MRAM)

— тиристорная (T-RAM).

В основном на данный момент используются SRAM и DRAM.

3 DRAM

DRAM (Dynamic random access memory, Динамическая память с произвольным доступом) — тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом; DRAM широко используемая в качестве оперативной памяти современных компьютеров, а также в качестве постоянного хранилища информации в системах, требовательных к задержкам.

Физически DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, строку от 1 до 4 бит. Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.

Как запоминающее устройство, DRAM представляет собой модуль памяти различных конструктивов, состоящий из электрической платы, на которой расположены микросхемы памяти и разъёма, необходимого для подключения модуля к материнской плате.

3.1 Ядро DRAM

Ядро микросхемы динамической памяти состоит из множества ячеек, каждая из которых хранит всего один бит информации. На физическом уровне ячейки объединяются в прямоугольную матрицу, горизонтальные линейки которой называются строками (ROW), а вертикальные — столбцами (Column) или страницами (Page).

Линейки представляют собой обыкновенные проводники, на пересечении которых находится «сердце» ячейки — несложное устройство, состоящее из одного транзистора и одного конденсатора.

Конденсатору отводится роль непосредственного хранителя информации. Правда, хранит он очень немного — всего один бит. Отсутствие заряда на обкладках соответствует логическому нулю, а его наличие — логической единице. Транзистор же играет роль «ключа», удерживающего конденсатор от разряда. В спокойном состоянии транзистор закрыт, но, стоит подать на соответствующую строку матрицы электрический сигнал, как спустя мгновение-другое (конкретное время зависит от конструктивных особенностей и качества изготовления микросхемы) он откроется, соединяя обкладку конденсатора с соответствующим ей столбцом.

Чувствительный усилитель, подключенный к каждому из столбцов матрицы, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю страницу целиком. Поэтому именно страница является минимальной порцией обмена с ядром динамической памяти. Чтение/запись отдельно взятой ячейки невозможно! Действительно, открытие одной строки приводит к открытию всех, подключенных к ней транзисторов, а, следовательно, — разряду закрепленных за этими транзисторами конденсаторов.

Чтение ячейки деструктивно по своей природе, поскольку чувствительный усилитель разряжает конденсатор в процессе считывания его заряда. «Благодаря» этому динамическая память представляет собой память разового действия. Разумеется, такое положение дел никого устроить не может, и потому во избежание потери информации считанную строку приходится тут же перезаписывать вновь. В зависимости от конструктивных особенностей эту миссию выполняет либо контроллер памяти, либо сама микросхема памяти. Практически все современные микросхемы принадлежат к последней категории.

Ввиду микроскопических размеров, а, следовательно, емкости конденсатора записанная на нем информация хранится крайне недолго, — буквально сотые, а то тысячные доли секунды. Причина тому — саморазряд конденсатора. Несмотря на использование высококачественных диэлектриков с огромным удельным сопротивлением, заряд стекает очень быстро, ведь количество электронов, накопленных конденсатором на обкладках, относительно невелико. Для борьбы с «забывчивостью» памяти прибегают к ее регенерации — периодическому считыванию ячеек с последующей перезаписью. В зависимости от конструктивных особенностей «регенератор» может находиться как в контроллере, так и в самой микросхеме памяти. Сегодня же регенератор чаще всего встраивается внутрь самой микросхемы, причем перед регенерацией содержимое обновляемой строки копируется в специальный буфер, что предотвращает блокировку доступа к информации.

3.2 Интерфейс DRAM

Физически микросхема памяти (не путать с модулями памяти) представляет собой прямоугольный кусок керамики (или пластика) с множеством ножек. Что это за ножки?

В первую очередь выделим среди них линии адреса и линии данных. Линии адреса, как и следует из их названия, служат для выбора адреса ячейки памяти, а линии данных — для чтения и для записи ее содержимого. Необходимый режим работы определяется состоянием специального вывода Write Enable (Разрешение Записи).

Низкий уровень сигнала WE готовит микросхему к считыванию состояния линий данных и записи полученной информации в соответствующую ячейку, а высокий, наоборот, заставляет считать содержимое ячейки и «выплюнуть» его значения в линии данных.

Совмещение выводов микросхемы увеличивает скорость обмена с памятью, но не позволяет осуществлять чтение и запись одновременно (однако размещенные внутри кристалла процессора микросхемы кэш-памяти, благодаря своим микроскопическим размерам на количество ножек не скупятся и беспрепятственно считывают ячейку во время записи другой).

Столбцы и строки матрицы памяти тем же самым способом совмещаются в единых адресных линиях. В случае квадратной матрицы количество адресных линий сокращается вдвое, но и выбор конкретной ячейки памяти отнимает вдвое больше тактов, ведь номера столбца и строки приходится передавать последовательно. Причем, возникает неоднозначность, что именно в данный момент находится на адресной линии: номер строки или номер столбца? А, быть может, и вовсе не находится ничего? Решение этой проблемы потребовало двух дополнительных выводов, сигнализирующих о наличии столбца или строки на адресных линиях и окрещенных RAS (от row address strobe — строб адреса строки) и CAS (от column address strobe — строб адреса столбца) соответственно. В спокойном состоянии на обоих выводах поддерживается высокий уровень сигнала, что говорит микросхеме: никакой информации на адресных линиях нет и никаких действий предпринимать не требуется.

Когда возникает необходимость прочесть содержимое некоторой ячейки памяти, контроллер преобразует физический адрес в пару чисел — номер строки и номер столбца, а затем посылает первый из них на адресные линии. Дождавшись, когда сигнал стабилизируется, контроллер сбрасывает сигнал RAS в низкий уровень, сообщая микросхеме памяти о наличии информации на линии. Микросхема считывает этот адрес и подает на соответствующую строку матрицы электрический сигнал. Все транзисторы, подключенные к этой строке, открываются и бурный поток электронов, срываясь с насиженных обкладок конденсатора, устремляется на входы чувствительного усилителя. Чувствительный усилитель декодирует всю строку, преобразуя ее в последовательность нулей и единиц, и сохраняет полученную информацию в специальном буфере. Все это (в зависимости от конструктивных особенностей и качества изготовления микросхемы) занимает от двадцати до сотни наносекунд, в течение которых контроллер памяти выдерживает терпеливую паузу. Наконец, когда микросхема завершает чтение строки и вновь готова к приему информации, контроллер подает на адресные линии номер колонки и, дав сигналу стабилизироваться, сбрасывает CAS в низкое состояние. Затем микросхема и преобразует номер колонки в смещение ячейки внутри буфера. Остается всего лишь прочесть ее содержимое и выдать его на линии данных. Это занимает еще какое-то время, в течение которого контроллер ждет запрошенную информацию. На финальной стадии цикла обмена контроллер считывает состояние линий данных, дезактивирует сигналы RAS и CAS, устанавливая их в высокое состояние, а микросхема берет определенный тайм-аут на перезарядку внутренних цепей и восстановительную перезапись строки.

Задержка между подачей номера строки и номера столбца на техническом жаргоне называется «RAS to CAS delay» (на сухом официальном языке — tRCD). Задержка между подачей номера столбца и получением содержимого ячейки на выходе — «CAS delay» (или tCAC), а задержка между чтением последней ячейки и подачей номера новой строки — «RAS precharge» (tRP).

Рисунок 1 DRAM DDR3

4 SRAM

Статическая оперативная память с произвольным доступом (SRAM, static random access memory) — полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный или троичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние без регенерации, необходимой в динамической памяти (DRAM). Тем не менее, сохранять данные без перезаписи SRAM может только пока есть питание, то есть SRAM остается энергозависимым типом памяти. Произвольный доступ (RAM — random access memory) — возможность выбирать для записи/чтения любой из битов (тритов) (чаще байтов (трайтов), зависит от особенностей конструкции), в отличие от памяти с последовательным доступом (SAM — sequential access memory).

4.1 Ядро SRAM

Ядро микросхемы статической оперативной памяти (SRAM — Static Random Access Memory) представляет собой совокупность триггеров — логических устройств, имеющих два устойчивых состояния, одно из которых условно соответствует логическому нулю, а другое — логической единице. Другими словами, каждый триггер хранит один бит информации, — ровно столько же, сколько и ячейка динамической памяти.

Между тем, триггер как минимум по двум позициям обыгрывает конденсатор:

— состояния триггера устойчивы и при наличии питания могут сохраняться бесконечно долго, в то время как конденсатор требует периодической регенерации;

— триггер, обладая мизерной инертностью, без проблем работает на частотах вплоть до нескольких ГГц, тогда как конденсаторы «сваливаются» уже на 75−100 МГц.

К недостаткам триггеров следует отнести их высокую стоимость и низкую плотность хранения информации. Если для создания ячейки динамической памяти достаточного всего одного транзистора и одного конденсатора, то ячейка статической памяти состоит как минимум из четырех, а в среднем шести — восьми транзисторов, поэтому мегабайт статической памяти оказывается по меньшей мере в несколько раз дороже.

4.2 Интерфейс SRAM

По своему устройству, интерфейсная обвязка матрицы статической памяти, практически ничем не отличается от аналогичной ей обвязки матрицы динамической памяти. Поэтому, не будем подробно останавливаться на этом вопросе и рассмотрим его лишь в общих чертах.

Пожалуй, единственное различие в интерфейсах статической и динамической памяти заключается в том, что микросхемы статической памяти имея значительно меньшую емкость (а, следовательно — и меньшее количество адресных линий) и геометрически располагаясь гораздо ближе к процессору, могут позволить себе роскошь не прибегать к мультиплексированию. И потому, для достижения наивысшей производительности, номера строк и столбцов чаще всего передаются одновременно.

Если статическая память выполнена в виде самостоятельной микросхемы, а не располагается непосредственно на кристалле процессора, линии ее входа зачастую объединяют с линиями выхода, и требуемый режим работы приходится определять по состоянию специального вывода WE (Write Enable). Высокое состояние вывода WE готовит микросхему к чтению данных, а низкое — к записи. Статическая память, размещенную на одном кристалле вместе с процессором, обычно не мультиплексирует, и в этом случае содержимое одной ячейки можно читать параллельно с записью другой.

Номера столбцов и строк поступают на декодеры столбца и строки соответственно. После декодирования расшифрованный номер строки поступает на дополнительный декодер, вычисляющий, принадлежащую ей матрицу. Оттуда он попадает непосредственно на выборщик строки, который открывает «защелки» требуемой страницы. В зависимости от выбранного режима работы чувствительный усилитель, подсоединенный к битовым линейкам матрицы, либо считывает состояние триггеров соответствующей raw-линейки, либо «перещелкает» их согласно записываемой информации.

Рисунок 2 Модуль памяти SRAM 8Mb

5 Память с изменением фазового состояния (PRAM)

Phase-change memory (память на основе фазового перехода) (также известна как PCM, PRAM, PCRAM, Ovonic Unified Memory, Chalcogenide RAM и C-RAM) — новый тип энергонезависимой памяти. PRAM основывается на уникальном поведении халькогенида, который при нагреве может «переключаться» между двумя состояниями: кристаллическим и аморфным. В последних версиях смогли добавить ещё два дополнительных состояния, эффективно удвоив информационную емкость чипов. PRAM — одна из новых технологий памяти, созданная в попытке превзойти в области энергонезависимой памяти почти универсальную флеш-память, обладающую некоторым количеством практических проблем, решить которые как раз надеялись в PRAM.

Свойства халькогенида с точки зрения потенциальной технологии памяти впервые были исследованы Стэнфордом Овшинским из компании Energy Conversion Devices в 1960;х. В 1970 года в сентябрьском выпуске Electronics, Гордон Мур — один из основателей Intel — опубликовал статью, касающуюся технологии. Однако, качество материала и энергопотребление не позволили перевести технологию в коммерческое русло. Уже гораздо позже вновь возник интерес к этой технологии, равно как и исследования по ней, тогда как технологии флэш и DRAM-памяти согласно расчетами должны были столкнуться с проблемами масштабирования при уменьшении размерности процессов литографии чипов.

Кристаллическое и аморфное состояния халькогенида кардинально различаются электрическим сопротивлением, а это лежит в основе хранения информации. Аморфное состояние, обладающее высоким сопротивлением, используется для представления двоичного 0, a кристаллическое состояние, обладающее низким уровнем сопротивления, представляет. Халькогенид — это тот же самый материал, что используется в перезаписываемых оптических носителях (как например, CD-RW и DVD-RW). В таких носителях оптические свойства материала поддаются управлению лучше, чем его электрическое сопротивление, так как показатель преломления халькогенида также меняется в зависимости от состояния материала.

Хотя PRAM пока не достиг коммерческого успеха в области бытовой электроники, почти все прототипы используют халькогениды в сочетании с германием, сурьмой и теллуром (GeSbTe), сокращенно именуемыми GST. Стехиометрический состав или коэффициенты элементов Ge: Sb:Te равны 2:2:5. При нагревании GST до высокой температуры (свыше 600 °C) его халькогенидная составляющая теряет свою кристаллическую структуру. При остывании она превращается в аморфную стеклоподобную форму, а его электрическое сопротивление возрастает. При нагревании халькогенида до температуры выше его точки кристаллизации, но ниже температуры плавления, он переходит в кристаллическое состояние с существенно более низким сопротивлением. Время полного перехода к этой фазе зависит от температуры. Более холодные части халькогенида дольше кристаллизуются, а перегретые части могут расплавиться. В общем случае, используемое время кристаллизации составляет порядка 100 нс. Это несколько дольше, чем у обычной энергозависимой памяти, как например, современные DRAM-чипы, чье время переключения составляет порядка двух наносекунд. Однако, в январе 2006 года корпорация Samsung Electronics запатентовала технологию, свидетельствующую о том, что PRAM может достигать времени переключения в пять наносекунд.

Более поздние исследования Intel и ST Microelectronics позволили контролировать состояние материала более тщательно, позволяя ему превращаться в одно из четырёх состояний: два предыдущих (аморфное и кристаллическое) и два новых (частично кристаллических). Каждое из этих состояний обладает собственными электрическими свойствами, которые могут замеряться при чтении, позволяя одной ячейке хранить два бита, удваивая тем самым плотность памяти.

Рисунок 3 Упрощенная архитектура PRAM

Наибольшей проблемой памяти на основе фазового перехода является требование плотности программируемого в активной фазе. Благодаря этому область воздействия становится значительно меньше, чем у управляющего транзистора. Из-за данного различия структуры памяти на основе фазового перехода приходится упаковывать более горячий и склонный к произвольному фазовому переходу материал в литографические размеры. Из-за этого стоимость процесса по цене проигрывает в сравнении с флеш-памятью.

Контакт между горячей областью фазового перехода и соседним диэлектриком — ещё один из нерешенных фундаментальных вопросов. Диэлектрик может допустить утечку заряда при повышении температуры, или может отрываться от материала с фазовым переходом при расширении на различных этапах.

Память с фазовым переходом весьма восприимчива к произвольному фазовому переходу. Это происходит в основном из-за того факта, что фазовый переход — температурно управляемый процесс по сравнению с электронным. Термические условия, допускающие быструю кристаллизацию, не должны быть близки к условиям сохранения устойчивого состояния, например, комнатной температуре. В противном случае, удерживание данных не будет сколько-нибудь продолжительным.

При соответствующей энергии активации кристаллизации возможно достичь быстрой кристаллизации путем задания соответствующих условий, в то время как при обычных условиях будет происходит очень медленная кристаллизация.

Вероятно, наибольшей проблемой памяти с изменением фазового состояния является постепенное изменение сопротивления и порогового напряжения с течением времени. Сопротивление аморфного состояния медленно возрастает по степенному закону. Это несколько ограничивает возможность использования многоуровневых ячеек памяти (в дальнейшем нижележащее промежуточное состояние будет путаться с вышележащим промежуточным состоянием) и может подвергать опасности стандартную двухфазовую операцию, в случае если пороговое напряжение превысит предусмотренное значение.

6 Магниторезистивная память В отличие от других типов запоминающих устройств, информация в магниторезистивной памяти хранится не в виде электрических зарядов или токов, а в магнитных элементах памяти. Магнитные элементы сформированы из двух ферромагнитных слоёв, разделенных тонким слоем диэлектрика. Один из слоёв представляет собой постоянный магнит, намагниченный в определённом направлении, а намагниченность другого слоя изменяется под действием внешнего поля. Устройство памяти организовано по принципу сетки, состоящей из отдельных «ячеек», содержащих элемент памяти и транзистор.

Считывание информации осуществляется измерением электрического сопротивления ячейки. Отдельная ячейка (обычно) выбирается подачей питания на соответствующий ей транзистор, который подаёт ток от источника питания через ячейку памяти на общую землю микросхемы. Вследствие эффекта туннельного магнетосопротивления, электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от взаимной ориентации намагниченностей в слоях. По величине протекающего тока, можно определить сопротивление данной ячейки, и как следствие, полярность перезаписываемого слоя. Обычно одинаковая ориентация намагниченности в слоях элемента интерпретируется как «0», в то время как противоположное направление намагниченности слоёв, характеризующееся более высоким сопротивлением — как «1».

Информацию можно записывать в ячейки, используя множество способов. В простейшем случае, каждая ячейка лежит между двумя линиями записи, размещёнными под прямым углом друг к другу, одна над, а другая под ячейкой. Когда ток проходит через них, в точке пересечения линий записи наводится магнитное поле, которое воздействует на перезаписываемый слой. Такой же способ записи использовался в памяти на магнитных сердечниках, которая использовалась в 1960х годах. Этот способ требует достаточно большого тока, необходимого для создания поля, и это делает их не очень подходящими для применения в портативных устройствах для которых важна малое потребление энергии, это один из основных недостатков MRAM. Кроме того, с уменьшением размера микросхем, придёт время, когда индуцированное поле перекроет соседние ячейки на маленькой площади, что приведёт к возможным ошибкам записи. Из-за этого в памяти MRAM данного типа необходимо использовать ячейки достаточно большого размера. Одним из экспериментальных решений этой проблемы было использование круглых доменов, читаемых и записываемых с помощью эффекта гигантского магнитного сопротивления, но исследования в этом направлении более не проводятся.

Другой подход, переключения режимов, использует многошаговую запись с модифицированной многослойной ячейкой. Ячейка модифицирована содержит в себе искусственный антиферромагнетик, где магнитная ориентация чередуется назад и вперёд через поверхность, с обоими прикреплённым и свободным слоями, составленными из многослойных стеков, изолированных тонким «соединяющим слоем». Результирующие слои имеют только два стабильных состояния, которые могут быть переключены из одного в другое выбором времени тока записи в двух линиях так одна немного задерживается, таким образом «поворачивая» поле. Любое напряжение меньшее, чем полный уровень записи фактически увеличивает его сопротивление для переключения. Это значит, что ячейки расположенные вдоль одной из линий записи не будут подвержены эффекту непреднамеренного перемагничивания, позволяя использовать меньшие размеры ячеек.

Новая технология, переноса спинового момента (spin-torque-transfer-STT) или переключение с помощью переноса спина, использует электроны с заданным состоянием спина («поляризованные»), прямо вращая области. Особенно, если электроны текут внутрь слоя, должно измениться их вращение, это будет способствовать вращению, будет перенесено на ближайший слой. Это уменьшает величину тока, необходимую для записи информации в ячейку памяти, и потребление только при чтении и записи становится примерно одинаковым. Технология STT должна решить проблемы с которыми «классическая» технология MRAM будет сталкиваться при увеличении плотности размещения ячеек памяти и соответствующего увеличения тока необходимого для записи. Поэтому технология STT будет актуальна при использовании технологического процесса 65 нм и менее. Нижняя сторона такая, в настоящее время, STT необходимо переключать больше тока через управляющий транзистор, чем обычной MRAM, требующей больший транзистор, и необходимо поддерживать когерентность вращения. В целом, несмотря на это, STT требует намного меньшего тока записи, чем обычная или переключательная MRAM.

Другими возможными путями развития технологии магниторезистивной памяти являются технология термического переключения (TAS-Thermal Assisted Switching) при которой во время процесса записи магнитный туннельный переход быстро нагревается (подобно PRAM) и в остальное время остается стабильным при более низкой температуре, а также технология вертикального транспорта (VMRAM-vertical transport MRAM) в которой ток проходящий через вертикальный столбцы меняет магнитную ориентацию, и такое геометрическое расположение ячеек памяти уменьшает проблему случайного перемагничивания и соответственно может увеличить возможную плотность размещения ячеек.

Магниторезистивная память имеет быстродействие, сравнимое с памятью типа SRAM, такую же плотность ячеек, но меньшее энергопотребление, чем у памяти типа DRAM, она более быстрая и не страдает деградацией по прошествии времени в сравнении с флэш-памятью. Это та комбинация свойств, которая может сделать её «универсальной памятью», способной заменить SRAM, DRAM и EEPROM и Flash. Этим объясняется большое количество направленных на её разработку исследований.

Конечно, на данный момент MRAM ещё не готова для широкого применения. Огромный спрос на рынке флэш-памяти вынуждает производителей к агрессивному внедрению новых технологических процессов. Самые последние фабрики, на которых, например, изготавливает микросхемы флэш-памяти ёмкостью 16 Гбайт фирма Samsung, используют 50 нм технологический процесс. На более старых технологических линиях изготавливаются микросхемы памяти DDR2 DRAM, для которых используется 90 нм технологический процесс предыдущего поколения.

Магниторезистивная память всё ещё в значительной степени находится «в разработке», и производится с помощью устаревших технологических процессов. Так как спрос на флэш-память в настоящее время превышает предложение, то еще не скоро появится компания, которая решится перевести одну из своих фабрик, с новейшим технологическим процессом на изготовление микросхем магниторезистивной памяти. Но и в этом случае, конструкция магниторезистивной памяти на сегодняшний момент проигрывает флэш-памяти по размерам ячейки, даже при использовании одинаковых технологических процессов.

Другая скоростная память, находящаяся на стадии активного освоения — Antifuse ROM. Являясь однократно программируемой, она подходит только для неизменяемых программ и данных, но по скорости также допускает работу на непосредственной частоте процессора, аналогично SRAM и MRAM. Antifuse ROM активно внедряется в контроллерах и FPGA, где программный продукт неотъемлем от аппаратного обеспечения. Ячейки Antifuse ROM потенциально компактнее, технологичнее и дешевле ячеек MRAM, но эта их перспектива также не раскрыта, аналогично MRAM. Учитывая то, что многие пользователи часто используют флэш-накопители для архивного хранения, например, фотографий, для которых флэш-память мало предназначена из-за проблем многолетнего удержания заряда, т. е. фактически используют флэш-память как ПЗУ, на потребительском рынке Antifuse ROM, являясь своего рода преемником CD-R, также может рассчитывать на «делёжку рынка» с MRAM.

Рисунок 4 Упрощенная структура ячейки MRAM

7 T-RAM

T-RAM (англ. Thyristor RAM) — тиристорная память с произвольным доступом, новый вид оперативной памяти, сочетающий в себе сильные стороны DRAM и SRAM: высокую скорость работы и большой объём. Данная технология использует ячейки памяти, основанные на NDR, которые называются Thin-Capacitively-Coupled-Thyristor. T-RAM уходит от привычных дизайнов ячеек памяти: 1T и 6T, применяемых в DRAM и SRAM памяти. Благодаря этому, данная память является хорошо масштабируемой, и уже имеет плотность хранения данных в несколько раз превышающую её у SRAM памяти. В данный момент идёт разработка следующего поколения T-RAM памяти, которая, как планируется, будет сопоставима по плотности записи с DRAM.

Данную технологию компания AMD предполагала использовать в процессорах, производимых по нормам 32 и 22 нм.

Заключение

ОЗУ большинства современных компьютеров представляет собой модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые ИС ЗУ, организованные по принципу устройств с произвольным доступом. Память динамического типа дешевле, чем статического, и её плотность выше, что позволяет на той же площади кремниевого кристалла разместить больше ячеек памяти, но при этом её быстродействие ниже. Статическая память, наоборот, более быстрая память, но она и дороже. В связи с этим, основную оперативную память строят на модулях динамической памяти, а память статического типа используется для построения кэш-памяти внутри микропроцессора.

Оперативная память персональных компьютеров сегодня, как и десять лет тому назад, строится на базе относительно недорогой динамической памяти — DRAM (Dynamic Random Access Memory). За это время сменилось множество поколений интерфейсной логики, соединяющей ядро памяти с «внешним миром». Эволюция носила ярко выраженный преемственный характер — каждое новое поколение памяти так или иначе наследовало архитектуру предыдущего, включая, в том числе, и свойственные ему ограничения. Ядро же памяти (за исключением совершенствования проектных норм таких, например, как степень интеграции) и вовсе не претерпевало никаких принципиальных изменений.

оперативный тиристорный память

Библиографический список

1 Оперативная память / [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/оперативная_память

2 Энциклопедия оперативной памяти / [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.3rmemory.ru/support/faq/tech/st/

3 T-RAM / [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/T-RAM

4 Магниторезистивная ОЗУ / [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Магниторезистивная_оперативная_память