77706

Технологии развития современной памяти

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Всего за несколько десятилетий в области технологий хранения данных произошли разительные перемены а появление флешпамяти без преувеличения можно назвать революцией. Сегодня принцип хранения информации в электронных устройствах конечно отличается от условных расчётов Фейнмана но размер единичного элемента хранения известен около 40 нм в коммерческих устройствах на основе флешпамяти. Технологии устройств памяти следующего поколения будут использовать новые материалы обладать временем доступа в единицы наносекунд и хранить информацию...

Русский

2015-02-05

115 KB

0 чел.

Технологии развития современной памяти (2010год)

Некоторое время назад сложно было поверить, что огромная коллекция музыки может поместиться на одном небольшом устройстве, едва превышающем по размерам ладонь. То же относится к тысячам снимков в высоком разрешении и карманным фотокамерам. Всего за несколько десятилетий в области технологий хранения данных произошли разительные перемены, а появление флеш-памяти без преувеличения можно назвать революцией. Но время не стоит на месте, и следующей вехой в "потребительской" хронологии должны стать чипы, которые будут способны хранить сотни фильмов в HD-качестве либо всю мировую библиотеку книг. Чтобы воплотить эти мечты в реальность, по всему миру в лабораториях совершенствуют текущие и разрабатывают новые технологии, самые удачные из которых обязательно попадут на рынок – прогресс нельзя остановить.

"Суперпамять" близка к реализации взгляда на технологии, высказанного физиком Ричардом Фейнманом (Richard Feynman) 50 лет назад. В ходе лекции для Американского физического общества (American Physical Society) он рассуждал, возможно ли будет когда-нибудь записать 24 тома энциклопедии "Британика" на булавочную головку. Физик подсчитал, что каждая крошечная точка каждой печатной буквы должна быть для этого уменьшена до 1000 атомов – квадрата со стороной 9 нм. Сегодня принцип хранения информации в электронных устройствах, конечно, отличается от условных расчётов Фейнмана, но размер единичного элемента хранения известен – около 40 нм в коммерческих устройствах на основе флеш-памяти.

Всего несколько месяцев назад начались поставки первого чипа, на который возможно записать 64 Гбит данных. Фейнман вёл речь, вероятно, о терабайтах. Технологии устройств памяти следующего поколения будут использовать новые материалы, обладать временем доступа в единицы наносекунд и хранить информацию как минимум десятки лет без перезаписи. Сложно назвать чёткие сроки, когда же на полках магазинов появится "суперфлешка", но многомиллиардные доходы полупроводниковой индустрии не дают сомневаться, что для этого предпринимаются все возможные усилия, и на звание технологий следующего поколения уже есть претенденты.

MRAM 

MRAM (magnetoresistive random access memory – магниторезистивная память с произвольным доступом) является "долгожителем" семейства технологий, призванных заменить флеш – несколько компаний трудятся над ней ещё с 1990-х годов. Конструкция представляет собой два тонких слоя ферромагнитного материала, каждый разделён на ячейки. Один из слоёв является постоянным магнитом с неизменным направлением намагниченности. Намагничивание другого может изменяться на 180° путём приложения внешнего магнитного поля или напряжения. Взаимная ориентация намагниченности воспринимается как 1 или 0. Такое решение имеет свои сильные и слабые стороны. К первым принадлежит энергонезависимость, возможность быстрого и простого контроля намагниченности и соответственно скорость доступа (порядка нескольких нс), ко вторым – тенденция к изменению состояния соседних ячеек во время перезаписи одного из битов. Данная проблема является большой головной болью для исследователей. По словам физика Джеймса Скотта (James Scott) из Кэмбриджского университета (University of Cambridge), до сих пор это препятствие не устранено. Ёмкость чипов пока ограничена 32 Мбит. Такие компании, как Hitachi и Toshiba, продолжают работать над MRAM, поддерживая веру в её будущее.

FeRAM 

FeRAM (ferroelectric random access memory – сегнетоэлектрическая память с произвольным доступом) относительно близка к флеш-памяти. В ней также используются электрические явления для контроля за подобной транзистору структурой, но вместо потоков свободных электронов объектом управления выступают электрические заряды в комплексных кристаллах, известных как ферроэлектрики, или сегнетоэлектрики. В этих диэлектриках небольшое внешнее электрическое поле может заставить положительно и отрицательно заряженные ионы изменить свои дипольные моменты и установить стабильную электрическую поляризацию. В зависимости от её направления значение сегнетоэлектрического бита воспринимается как 1 или 0. Небольшое приложенное к кристаллу напряжение изменяет поляризацию и соответственно состояние бита. Процесс происходит очень быстро – менее наносекунды – и требует незначительной расходуемой мощности, а количество циклов записи намного превышает возможности флеш-памяти и достигает значения нескольких миллиардов.

Но FeRAM не лишена и "ахиллесовой пяты". "Проблема в том, что FeRAM основана на зарядах", - поясняет физик Райнер Васер (Rainer Waser) из Университета Аахена (RWTH Aachen University) в Германии. Чтобы изменить состояние сегнетоэлектрика с приемлемой скоростью, рядом должны храниться дополнительные заряды, поэтому каждая ячейка такой памяти содержит конденсатор, ограничивающий плотность размещения элементов. На данный момент эксперты не видят возможности для FeRAM обладать такой же ёмкостью чипа, как в микросхемах флеш-памяти. Тем не менее, низкое энергопотребление может пригодиться при решении тех задач, где экономия важнее ёмкости. В феврале 2009 года Toshiba анонсировала прототип 128-Мб чипа FeRAM.

PCRAM 

PCRAM (phase-change random access memory – оперативная память с изменением фазовых состояний) технологии того же ряда, что применяются в перезаписываемых оптических дисках. Информация хранится в атомных структурах материалов, имеющих два возможных фазовых состояния: аморфное, схожее с оконным стеклом с неупорядоченными атомами, и кристаллическое. В последнем случае материал электропроводен, тогда как в аморфном состоянии это изолятор. Подобный материал в PCRAM заключён между двумя электродами, и для переключения между фазами необходим лазерный импульс или электрический ток, чтобы расплавить вещество. Длительное воздействие приводит к формированию кристаллической решётки, а при коротком импульсе материал охлаждается до аморфной фазы.

Недостаток – в необходимости передачи энергии для нагрева элементов памяти до нескольких сотен °С, на что уходит значительное количество энергии, хотя с уменьшением устройств на основе PCRAM уровень потребляемой мощности будет снижаться. Зато плотность размещения элементов хранения очень высока: всего несколько атомов нужны для создания ячейки, способной менять состояние с кристаллического на аморфное. Специалисты считают, что реальным значением является 5 нм - почти в 10 раз меньше, чем во флеш-памяти. Более того, время переключения PCRAM может достигать 1 нс. Но с уменьшением этого параметра стабильность состояния материала также снижается, поэтому пока значение скорости переключения в 10-100 раз медленнее теоретического потенциала. Сегодняшняя задача инженеров – достижение оптимального соотношения скорости и стабильности. Samsung недавно представила чип PCRAM ёмкостью 512 Мб.

RRAM 

RRAM (resistive random access memory – резистивная память с произвольным доступом) по масштабам элементов хранения битов сравнима с PCRAM. Только вместо изменения фазового состояния под действием тепла здесь используется электрохимическая реакция. Материалом для резистивной памяти выступает непроводящий оксид, такой как оксид титана. Когда к кристаллу приложено высокое напряжение, удерживающие атомы кислорода связи начинают разрушаться. Кислород оставляет за собой "дырки" и свободные электроны, способные стать носителями зарядов. "Дырки" стремятся сформировать узкие ряды, или электропроводные каналы в кристалле. Обратное напряжение возвращает кислород, снова превращая материал в диэлектрик. Такие переходы создают устойчивые состояния памяти, которые изменяются только под действием высоких значений напряжения определённой полярности.

RRAM является быстродействующей технологией с низким энергопотреблением. По словам Стэна Уильямса (Stan Williams) из лаборатории Hewlett-Packard Laboratories в Пало-Альто, Калифорния, переключение состояний происходит в считанные наносекунды, а требуемая энергия измеряется пикоджоулями. Это сотая часть от необходимого флеш-памяти количества. Масштаб битов также впечатляет – переключение может происходить на одном нанометре. Впрочем, и здесь проблема со стабильностью. Если бит с высоким сопротивлением расположен сразу за таковым с низким, тогда электрический ток может "задеть" соседний участок и изменить его состояние. Данное препятствие решают в настоящий момент Hewlett-Packard и другие компании.

RRAM примечательна не только благодаря способности хранить информацию. В 2008 году Уильямс с коллегами обнаружил, что устройство на основе резистивной памяти имеет характеристики мемристора – теоретического четвёртого основного элемента электрической цепи после резистора, конденсатора и индуктивности. Мемристор отличается от обычного резистора способностью принимать разные значения сопротивления в зависимости от заряда, который прошёл через него в прошлом. Это делает компонент моделью аналоговой вычислительной единицы человеческого мозга, но с оговоркой: работает она значительно быстрее настоящего синапса и с меньшими затратами энергии.

Трековая память (Racetrack memory) 

Большинство дорог к "суперпамяти" ведут через поиск путей манипулирования атомами и их свойствами в нанометровом масштабе. Однако некоторые учёные уверены, что внимание нужно обратить на конструкцию памяти. Например, трёхмерная архитектура позволит совершить новый прорыв. В трековой памяти биты хранятся в виде крошечных доменов намагниченности, почти как в жёстких дисках. Отличие в том, что эти элементы памяти не являются монолитными блоками, а ведут себя как бусины на магнитном нанопроводнике. Электрический ток перемещает домены , проходящие через считывающие и записывающие головки. Скорость процесса достигает 200 м/с, что эквивалентно времени чтения в десятки наносекунд. Это сравнимо с сегодняшними видами памяти, но преимущество трековой заключается в ёмкости. Плоский проводник микрометрового размера способен хранить данные с не меньшей плотностью, чем флеш-память. Истинный потенциал кроется в изменении конфигурации нанопроводников с двумерной на трёхмерную, когда трековая память сможет хранить в сотни раз больше битов по сравнению с флеш-памятью на той же площади. Однако подобных прототипов ещё не существует.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32703. Виявлення інноваційних технологій при виробництві солодких соусів на підприємствах України 470.5 KB
  Тема інноваційні технології солодких соусів сьогодні є актуальною. Серед продукції ресторанного господарства окремий сегмент складають соуси, які сприяють кращому засвоєнню харчових нутрієнтів організмом людини, розширюють асортимент і підвищують харчову цінність страв.
32704. ВЯЖУЩИЕ СРЕДСТВА 65.5 KB
  ВЯЖУЩИЕ СРЕДСТВА Данные вещества вызывают обратимое осаждение коагуляцию белков с образованием плотных альбуминатов. Вяжущие средства ВС наносят на слизистые оболочки или раневую поверхность. Вяжущие средства Органические Неорганические растит.
32705. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЭФФЕРЕНТНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 145 KB
  Открываются N каналы и N устремляется внутрь клетки по градиенту концентрации деполяризация мембраны; возникает потенциал действия; К выходит. Прямого типа действия Непосредственно взаимодействуют с постсинаптическими рецепторами вызывая их стимуляцию М1Н ХМ АцетилхолиноСl Карбахолин МХМ Пилокарпина г хлорид Ацеклидин НХМ Цитизин Цититон Лобелин 2. Непрямого типа действия антихолинэстеразные средства 2.1 МНХМ обратимого действия Физостигмин Неостигмин прозерин Пиридостигмин калимин Дистигмин убретид Амбеноний...
32706. Теория перевода японского языка 318 KB
  Проанализировать семантический и прагматический потенциал пословиц и поговорок, выявить и описать особенности функционирования пословиц и поговорок в японской периодической печати. Изучение пословиц и поговорок в прагматическом аспекте предполагает рассмотрение не только сугубо функциональных особенностей данных выражений
32707. Адреномиметики 127 KB
  действие на 12 и 12 АР  эффекты СНС сердце:  ЧСС  СВ проводимостьО2. сосуды: суммарно АД  действие двухфазное т. Оказывает более сильное сосудосуживающее действие. Оказывает очень слабое действие на сердце бронхи кишечник обмен веществ.
32708. Антиадренергические средства 85.5 KB
  ПК: 1 гипертонический криз 2 феохромоцитома диагностика лечение характеризуется периодическими гипертоническими кризами 3 нарушение периферического кровообращения эндартерит болезнь Рейно начальные стадии атеросклеротической гангрены 4 острая сердечная недостаточность с застоем в легких 5 лечение вялозаживающих ран трофических язв пролежней отморожений ПбД: головокружение слабость набухание слизистой оболочки носа покраснение и зуд кожи; тошнота понос тахикардия. ПК: различные нарушения мозгового кровообращения ...
32709. Общие анестетики 105 KB
  По мере нарастания концентрации НС в крови последовательно наступают следующие стадии периоды наркоза. III стадия хирургического наркоза разлитое торможение захватывающее кору и нижележащие отделы ЦНС в частности спинной мозг но центры продолговатого мозга дыхательный и сосудодвигательный функционируют. В зависимости от выраженности наркоза выделяют уровни: поверхностный наркоз зрачки нормальные или умеренно сужены фиксированы в центре дыхание глубокое регулярное грудиннобрюшное; скелетная мускулатура расслаблена...
32710. Снотворные средства 71 KB
  Во время сна функционирование гипногенных зон головного мозга структуры таламуса неспецифические медиальные ядра неспецифические ядра гипоталамуса нисходящая РФ повышено а активирующее влияние восходящей части РФ зона бодрствования понижено. Чередование сна и бодрствования связано с изменением в ЦНС концентрации различных медиаторов ряда гормонов других БАВ пептидсна аминокислоты. Лишение ЦНС сна ведет к губительным последствиям без сна человек может обойтись 10 дней. ГАМК 5НТ пептида дельта сна; миорелаксацией снижением...
32711. Противосудорожные средства 107 KB
  Противосудорожные средства ПСС лекарственные вещества угнетающие двигательные центры ЦНС и применяемые при различных судорожных состояниях а также для лечения спастичности и паркинсонизма. ПРОТИВОСУДОРОЖНЫЕ СРЕДСТВА Для купирования Средства для лечения симптоматических судорог болезни Паркинсона Средство для лечения...