Finalmente algo en mi timonera.
Mejor es realmente una pregunta compleja que depende de la aplicación y los requisitos. Muchas de estas tecnologías pueden estructurarse de tal manera que la velocidad esté limitada principalmente por problemas de circuito y no por el dispositivo. Así que voy a dividir esta pregunta en tres categorías básicas de aplicaciones: almacenamiento a largo plazo, memoria principal y caché en chip.
El almacenamiento a largo plazo ha sido clásicamente tecnología de disco y, más recientemente, flash. Estos suelen tener una latencia de 10 s de milisegundos (disco HD) a 100 s de microsegundos (Flash).
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La memoria principal es el espacio operativo principal de una computadora y utiliza la tecnología DRAM. La memoria principal moderna generalmente tiene un tiempo de acceso entre 1 y 100 nanosegundos. Estas memorias también están estructuradas para ser masivamente paralelas, permitiendo el gran ancho de banda requerido típicamente por las CPU. La energía de acceso de la tecnología de memoria es de 1-100 nJ por dispositivo [1].
La memoria caché en chip es una memoria de ancho de banda pequeña, muy rápida y muy alta que se encuentra en el mismo paquete o muere que la CPU. Estos pueden tener latencias de acceso que están entre 10 segundos de picosegundos a nanosegundos, dependiendo de la distancia desde el núcleo de la CPU. La energía de estos recuerdos puede variar de 1 a 100 nanojulios [1].
Todas estas tecnologías se basan en el principio de escala para mejorar la capacidad, la velocidad y el ancho de banda de estas tecnologías a medida que avanzan los requisitos. El escalado CMOS es el proceso de reducir las dimensiones de dispositivos individuales para que quepan más dispositivos en la misma área. La escalabilidad de estas tecnologías es muy importante para evaluar su utilidad.
Ahora voy a ver una descripción general de cada una de estas tecnologías, comenzando primero con las tecnologías clásicas de memoria CMOS y luego pasando a las más nuevas. También voy a agregar uno importante que te perdiste (ReRAM).
DRAM :
Esta es una tecnología de memoria CMOS clásica que se usa en todas las computadoras hoy en día. Excepto en algunos casos especializados, la tecnología se utiliza principalmente para la memoria principal. En términos de capacidad, puede alcanzar 8 Gb por chip en IC moderno.
Físicamente, la tecnología actúa como un interruptor y un condensador. La información se almacena cargando el condensador con electrones (que representa un ‘1’ lógico) o dejando el condensador vacío (representa un ‘0’ lógico). El interruptor actúa como una válvula que está abierta cuando desea escribir en el capacitor y se cierra cuando no lo hace. El problema con la DRAM es que el interruptor no es una válvula perfecta, por lo que los electrones a menudo se escapan, lo que puede hacer que el dispositivo pierda información. Esto significa que cada condensador necesita ser leído y restaurado periódicamente (llamado actualización). Afortunadamente, el tiempo entre actualizaciones puede ser lo suficientemente largo como para evitar la mayoría de los conflictos (~ 99% del tiempo).
DRAM siempre ha exhibido una gran capacidad debido al hecho de que la celda de memoria es relativamente simple. Se compone de solo dos dispositivos. Pero con la escala se hace más difícil fabricar el interruptor especializado y el condensador. Además, los interruptores se vuelven “con fugas” con el tiempo y, por lo tanto, requieren una actualización más agresiva y corrección de errores para mantener un estado del sistema sin corrupción. También está el problema de los rayos cósmicos que pueden causar cambios aleatorios de bits en la memoria (entraré más adelante). En general, la escala de DRAM se ha vuelto algo complicada.
SRAM
Esta es la otra tecnología de memoria clásica que se utiliza principalmente para cachés en chip. A diferencia de DRAM, SRAM tiene una estructura más complicada con conexiones activas entre alimentación y tierra. La SRAM moderna tiene al menos 6 interruptores. Estos interruptores están configurados de tal manera que el dispositivo retendrá el estado sin ninguna actualización. Las conexiones activas entre alimentación y tierra proporcionan una señal mucho más robusta. Por lo tanto, SRAM es mucho más fácil de leer, lo que resulta en una latencia más pequeña. Sin embargo, las conexiones activas hacen que el dispositivo sea más difícil de escribir. Además, estas conexiones activas pueden degradar los conmutadores con el tiempo, causando problemas de confiabilidad. La complejidad relativa (6 conmutadores) significa que cada celda SRAM ocupa más área, reduciendo la capacidad total de una matriz SRAM. Los cachés generalmente están limitados a 10s de MB, mucho menos que DRAM.
SRAM también exhibe los problemas de escalabilidad similares a DRAM. También están los problemas de los rayos cósmicos. A medida que se reduce la SRAM, la fuerza de las conexiones activas se reduce. Eventualmente, las células más pequeñas pueden voltearse inadvertidamente por radiación aleatoria del cielo o incluso del paquete del CI. Por esta y otras razones, SRAM se ha vuelto más difícil de escalar.
Nuevas tecnologías de memoria
La principal diferencia entre estas tecnologías de memoria clásicas y las más nuevas mencionadas es que las nuevas tecnologías no son volátiles. Tanto la SRAM como la DRAM necesitan conexiones activas a la energía para retener los datos. Las tecnologías más nuevas pueden escribirse y luego desconectarse de las fuentes de energía. Los recuerdos clásicos pierden energía constantemente, lo que cuando se trata de miles de millones de dispositivos puede sumar mucha energía. Las tecnologías más nuevas no tienen fugas y, por lo tanto, pueden ahorrar mucha energía estática.
Sin embargo, hay una nueva métrica que debe introducirse cuando se discuten recuerdos no volátiles llamada resistencia de escritura. La resistencia de escritura mide la cantidad de veces que se puede escribir el dispositivo antes de que los datos no puedan almacenarse de manera confiable dentro del dispositivo (desgaste). Esta métrica es importante porque varias tecnologías de memoria no volátil están limitadas a aplicaciones específicas debido a la resistencia.
Las memorias caché en chip y las estructuras de nivel de CPU generalmente necesitan una resistencia de> 10 ^ 15 escrituras, el principal puede tener> 10 ^ 10 y el almacenamiento a largo plazo puede salirse con 10 ^ 6 jugando juegos con la forma en que usa organizar el almacenamiento de información.
MRAM
Sin entrar en la física, MRAM almacena información en imanes a nanoescala. La latencia de lectura puede ser tan rápida como cualquier cosa en la CPU, pero las latencias de escritura son del orden de nanosegundos. La conmutación por debajo de nanosegundos se ha demostrado en algunos dispositivos, pero aún no están maduros en producción. La energía de conmutación generalmente está en la escala de 10s de femtoJoules por bit. MRAM es uno de los únicos recuerdos no volátiles con una resistencia prácticamente infinita. MRAM tiene mucho sentido para cachés en chip. Además, el área de la celda es comparable a la DRAM, por lo que también es un reemplazo potencial de la memoria principal.
Actualmente, MRAM está disponible comercialmente en pequeñas capacidades. La fabricación de la escala de memoria principal ha resultado difícil
ReRAM
El ram resistente, un reemplazo moderno para la tecnología flash, tiene una estructura y características similares a las de MRAM (física completamente diferente). ReRAM tiene dos ventajas sobre MRAM. Exhibe resistencias más altas, lo que permite una estructura de memoria más densa llamada punto de cruce. Esto da como resultado menos área celular. ReRAM también puede almacenar muchos niveles por celda, lo que permite el almacenamiento de varios bits. Esto significa que una matriz ReRAM individual aumenta su capacidad sin sacrificar ningún área adicional. Se ha demostrado ReRAM con 7 bits por celda. Sin embargo, dos inconvenientes son los voltajes relativamente altos necesarios para escribir dispositivos RRAM y la resistencia de ReRAM. El alto voltaje puede contribuir al consumo de energía y dificultar la integración con los procesos CMOS modernos. En segundo lugar, el problema de la resistencia evita que el dispositivo se use para cachés. Todavía en 10 ^ 12, es suficiente para disco y tecnologías potencialmente DRAM. En general, la tecnología ha logrado lecturas y escrituras en nanosegundos.
ReRAM tiene una fabricación relativamente simple y se ha demostrado que se reduce a menos de 10 nm. Esto es debajo de donde CMOS se fabrica actualmente. ReRAM es un prototipo de tecnología que se acerca a la producción en masa.
PCM
La memoria de cambio de fase exhibe muchas de las mismas cualidades que ReRAM. Los mecanismos físicos detrás de esto son completamente diferentes. Como resultado, PCM tiene una baja resistencia de 10 ^ 8. Sin embargo, los diseñadores de sistemas han creado trucos inteligentes y lo han hecho funcionar en aplicaciones de reemplazo de DRAM.
PCM también se ha fabricado y hay piezas compatibles con DIMM disponibles.
MARCO
No soy un experto en FRAM, así que toma todo lo que digo al respecto con un grano de sal.
FRAM funciona de manera muy similar a DRAM. La diferencia clave es que el material en el condensador es magnético y, por lo tanto, almacena información al alterar el valor de la capacitancia. Si piensa en el condensador como un depósito que almacena carga, puede pensar en este proceso como un cambio en el tamaño del depósito para almacenar información. FRAM tiene una resistencia muy alta> 10 ^ 15.
Hay un par de problemas con FRAM. El rendimiento es similar al de DRAM, por lo que la única ventaja es la no volatilidad. La tecnología del dispositivo es actualmente menos densa. Es probable que la tecnología sea teóricamente comparable y mejor que la DRAM, pero los dólares de inversión no se han inyectado al mismo ritmo.
Resumen
Hay tres clases de aplicaciones para memorias que definen sus requisitos de velocidad y energía: almacenamiento a largo plazo, memoria principal y caché en chip.
SRAM y DRAM son tecnologías de memoria clásicas que son volátiles y están sujetas a problemas de escala. Las nuevas tecnologías de memoria exhiben un rendimiento más rápido y agregan la característica adicional de no volatilidad. Esta característica puede ahorrar energía de fuga estática.
De estas tecnologías, MRAM y FRAM tienen la resistencia para soportar el uso de chips. MRAM también exhibe la latencia requerida para circuitos en chip. RRAM y PCM son capaces como tecnologías de reemplazo de DRAM, y superan fácilmente el flash y el disco para el almacenamiento a largo plazo.
