این SCM است که آینده حافظه‌ها و ذخیره‌سازها را تعریف خواهد کرد. در این مطلب ما شما را با چند اصطلاح در زمینه فناوری‌های کلیدی مرتبط با حافظه و ذخیره‌ساز آشنا می‌کنیم؛ چیزهایی که شاید نه حالا، اما قطعا در سال‌های بعد در ارتباط با آن‌ها زیاد خواهید شنید.

فناوری‌‌های حافظه‌، مانند RAMهای دینامیک، سرعت بالایی دارند؛ اما برای استفاده دائمی گزینه مناسبی نیستند. مشکل دیگر آن‌ها قیمت بالا و محدودیت‌های آن‌ها است. در سوی دیگر، فناوری ذخیره‌سازها سرعت فناوری حافظه را ندارند؛ اما دوام بالاتری دارند، قیمتشان کمتر است و می‌توانند حجم عظیمی از اطلاعات را در خود جای دهند.

فناوری SCM یا همان حافظه‌های کلاس ذخیره‌ساز که از آن‌ها با عنوان حافظه دائمی نیز یاد می‌شود، نسل بعدی حافظه خواهد بود. این دسته از حافظه‌های غیرفرار برای پر کردن خلاء میان حافظه‌های سنتی و ذخیره‌سازها ایجاد شده‌اند و قصد دارند فرآیند ذخیره‌سازی و پردازش دیتا را متحول کنند.

چندین نمونه مختلف از SCM وجود دارد که در حال توسعه هستند. این ادوات وقتی جریان برق قطع می‌شود، اطلاعات و برنامه‌ها را در خود حفظ می‌کنند و سرعتشان در برخی از موارد هم‌اندازه DRAM و حتی SRAM است. ترکیب پایداری و سرعت، باعث شده است از این قطعه بتوان هم به عنوان حافظه و هم به عنوان ذخیره‌ساز استفاده کرد.

فناوری SCM مسیر آینده ذخیره‌سازها و حافظه‌ها را نشان می‌دهد. در ادامه، به بررسی چند نمونه از محصولات مبتنی بر این فناوری می‌پردازیم و امیدواریم در سال‌های بعد، بیشتر راجع به آن‌ها بشنویم.

3D XPoint

این نوع SCM همین حالا هم در دسترس است. شرکت‌های اینتل و مایکرون تکنولوژی با همکاری یکدیگر این فناوری را به منظور پر کردن خلاء میان DRAM و NAND طراحی کرده‌اند.

محصولات مبتنی بر 3D XPoint عملکردی سریع دارند و میزان تاخیر در آن‌ها بسیار پایین است. جدا از این موارد، مقاومت این محصولات نسبت به فلش‌مموری‌های مبتنی بر NAND بیشتر است؛ با این حال، قیمت بیشتری هم دارند. فناوری مورد استفاده در این محصولات، همان فناوری مورد استفاده در سریع‌ترین SSDها است و تاخیر در نوشتن آن‌ها بسیار پایین بوده و دقت آن‌ها بسیار بالا است.

بیشتر بخوانید : SSD چیست ؟

3D XPoint نوعی RAM غیرهادی با قابلیت ذخیره‌سازی دیتا از طریق تغییر مقاومت است. این حافظه‌ها فاقد ترانزیستور هستند، معماری متقاطع دارند و با ایجاد تغییر در جریان برق، سطح مقاومت سلول‌ها را تغییر می‌دهند. در 3D XPoint هر سلول تنها یک بیت دیتا را ذخیره می‌کند که بسته به مقاومت، می‌تواند 0 یا 1 باشد. سلول‌های 3D XPoint می‌توانند با هم جمع شوند و ظرفیت‌های بیشتری نیز بپذیرند.

با توجه به معماری 3D XPoint دیتا در مقایسه با فناوری NAND می‌تواند در مقادیر کم ولی با سرعتی بالا خوانده و نوشته شود.

شرکت‌های اینتل و مایکرون اعلام کرده‌اند که تلاش مشترک برای توسعه نسل دوم این فناوری را در نیمه ابتدایی سال 2019 به پایان خواهند رساند. مایکرون هنوز نتوانسته است که هیچ محصولی مبتنی بر فناوری 3D XPoint تولید کند؛ اما خط تولید موسوم به اوپتین شرکت اینتل حافظه‌ها و ذخیره‌سازهایی مبتنی بر این فناوری روانه بازار کرده است.

کارت‌های حافظه سری اوپتین با فرم‌فکتور M.2 و در ظرفیت‌های 256 گیگابایتی، 512 گیگابایتی و 1 ترابایتی معرفی شده‌اند. اینتل همچنین حافظه‌های مقاومتی اوپتین DC را در ظرفیت‌های 128 ، 256 و 512 گیگابایتی روانه بازار کرده است. برای درک برتری این محصولات، ظرفیت آن‌ها را با DRAM مقایسه کنید که نهایتا در نسخه‌های 128 گیگابایتی عرضه می‌شود. جیم هندی(Jim Handy)، مسئول تجزیه و تحلیل محصولات نیمه‌هادی در شرکت Objective Analysis معتقد است که ظرفیت بیشتر محصولات شرکت اوپتین یک مزیت بزرگ برای آن‌ها است؛ زیرا باعث می‌شود قیمت DIMMهای این شرکت نصف قیمت DIMMهای مبتنی بر DRAM باشد.

محصولات خط تولید اوپتین شرکت اینتل شامل چندین نمونه SSD از جمله سری SSD DC P4800X در ظرفیت‌های 375 و 750 گیگابایتی است.

RAMهای مقاومتی

یک کلاس دیگر از فناوری حافظه هم وجود دارد که با نام RAM مقاومتی، RRAM یا ReRAM شناخته می‌شود. RRAM دارای یک ممریستور است. ممریستور یک بخش الکتریکی ساخته شده با فرمول‌های خاص و مواد دی‌الکتریک است. شاخصه مواد دی‌الکتریک این است که مقاومت آن‌ها بسته به ولتاژ اعمال شده تغییر می‌کند. کارکرد RRAM مبتنی بر تغییر مقاومت است و این مسئله باعث افزایش جریان در یک جهت و کاهش جریان در یک جهت دیگر می‌شود.

مواد دی‌الکتریکی که معمولا جریان برق را از خود عبور نمی‌دهند، در اثر ازدیاد فشار جریان برق در ولتاژهای بالا دچار یک فروپاشی دی‌الکتریکی شده و پس از آن رفتاری مشابه مواد رسانا از خود نشان می‌دهند. مواد دی‌الکتریک متداول در این فروپاشی‌ها آسیب می‌بینند؛ اما در ممریستورها، مواد مورد استفاده در اثر فروپاشی‌های قابل بازگشت و موقتی حاصل می‌شوند.

در نوعی از ممریستورها، ولتاژ باعث ایجاد رشته‌هایی میکروسکوپی می‌شود که رابط را ایجاد می‌کنند. اعمال ولتاژ بیشتر باعث فروپاشی رشته‌ها یا تغییر جهت آن‌ها می‌شود. با کنترل چینش تعداد زیادی از این رشته‌ها، به اطلاعات اجازه می‌دهید بتوانند ذخیره شوند. موارد دیگری نیز با استفاده از همین فناوری مورد آزمایش قرار گرفته‌اند که عبارت‌اند از: اکسید نیکل، دی‌اکسید تیتانیوم، الکترولیت‌ها، مواد نیمه‌هادی و ترکیبات ارگانیک.

نوع دیگری از ممریستورها هم وجود دارد که از ولتاژ برای ایجاد رشته‌های نانومتری در یک محیط جامد آمورفیک بهره می‌برد و با نام شیشه کالکوژنی شناخته می‌شود. خاصیت این مواد این است که خیلی سریع از حالت سخت به حالت شبه‌مایع درمی‌آیند و مقاومت را تغییر می‌دهند.

در مقایسه با فلش‌های NAND، RRAMها دارای سرعت خواندن و نوشتن بیشتر، ظرفیت بیشتر، مقاومت بالاتر و مصرف انرژی کمتر هستند. به خاطر داشتن این خواص، فناوری ممریستور عمدتا در سطح صنعتی یا سنسورهای اینترنت اشیا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در حال حاضر شرکت‌های فوجیتسو و کراسبار از مطرح‌ترین سازندگان RRAM هستند.

RAMهای مگنتروزیستیو یا مغناطیسی

RAMهای مغناطیسی یا MRAM یک نوع حافظه غیرفرار هستند که بر پایه وضعیت مغناطیسی اطلاعات را ذخیره می‌کنند و عملکردشان نقطه مقابل DRAM و فلش‌های NAND است که با توجه به بار الکتریکی کار می‌کنند. فناوری MRAM می‌تواند سرعتی بسیار بالاتر از فلش‌های متداول و چیزی در حدود SRAM را در اختیار کاربر قرار دهد و اطلاعات را حتی در صورت قطع شدن برق هم بتواند حفظ کند.

MRAM از یک جفت صفحه فلزی فرومغناطیسی ساخته شده است که یک لایه نازک بین آن‌ها به عنوان عایق عمل می‌کند و تعیین می‌کند که 0 یا 1 باشند. این ساختار MRAM با نام MTJ شناخته می‌شود. از آرایش MTJ در دیوایس‌های حافظه استفاده می‌شود.

MRAM نسبت به DRAM سرعت بالاتری در خواندن و نوشتن دارد و انرژی کمتری هم مصرف می‌کند. از آن‌جا که هدف از توسعه این دیوایس، استفاده چندمنظوره است، می‌تواند از مصارف رایانشی تا ذخیره‌سازی را در بر بگیرد. برخلاف حافظه فلش سنتی، این نوع حافظه به کل دچار آسیب‌دیدگی نمی‌شود و تا زمانی که مواد فیزیکی مورد استفاده در آن خاصیت خود را از دست ندهند، کار می‌کنند.

شرکت Everspin در زمینه ساخت این نوع دیوایس از بقیه شرکت‌ها مطرح‌تر است و با اتکا به همین فناوری، هم حافظه و هم ذخیره‌ساز تولید می‌کند. این شرکت در حال حاضر مشغول کار بر روی نسخه پیچیده‌تری از MRAM است که می‌تواند در یک CMOS قرار بگیرد و جانشین فلش‌های DRAM و SRAM شود.

نکته منفی در ارتباط با MRAMها، مصرف بالای انرژی در آن‌ها است. برای خواندن و نوشتن سلول، لازم است جریان برق در MJT میدان مغناطیسی ایجاد کند. انرژی لازم برای این کار بیشتر از چیزی است که ما بتوانیم MRAM را به عنوان یک جایگزین ایده‌آل برای DRAM معرفی کنیم.

Spin-transfer torque RAM

STT-RAM نوع دیگری از MRAM است که برای کاهش مصرف انرژی و رفع نقاط ضعف MRAM طراحی شده است. این نوع حافظه با محاسبه گشتاور ایجاد شده میان لایه‌های مغناطیسی، استفاده بهینه‌تری از خواص مغناطیسی دارد.

روش کار STT-RAM مبتنی بر یک MTJ عمودی و بر پایه این باور است که الکترون‌ها تکانه یا چرخشی زاویه‌دار دارند. چرخش مداری و چرخش به دور خود دو نوع تکانه زاویه‌دار در ماشین‌های کوآنتومی هستند. با استفاده از جریان الکتریکی در یک میدان مغناطیسی، این RAMها می‌توانند جهت چرخش الکترون‌ها را وارونه کنند. چرخش جریان الکترونی از یک صفحه MJT به دیگری می‌تواند چرخش مغناطیسی صفحه دوم را هم تغییر دهد.

MJTهایی که از STT استفاده می‌کنند، مصرف انرژی کمتری نسبت به MRAMهایی دارند که به صورت الکتریکی MTJ را وادار به تغییر می‌کنند. مزیت بعدی STT-MRAM این است که نسبت به MRAM کوچک‌ترند و به این ترتیب، می‌توانند در ابعاد مشابه، ظرفیت بیشتری داشته باشند. با وجود داشتن این مزایا، همچنان باید بدانید که STT-MRAMها برای داشتن عملکردی سریع، انرژی بسیار بالایی مصرف می‌کنند و باز هم نمی‌توانند گزینه ایده‌آلی برای جانشینی DRAM نیست.

شرکت اورسپین (Everspin ) یک حافظه STT-MRAM 256 مگابایتی دارد که می‌تواند پاسخگوی نیاز بسیاری از کاربران باشد. این شرکت همچنین یک خط تولید شتاب‌دهنده ذخیره‌های SSD مبتنی بر STT-MRAM دارد که محصولاتش می‌توانند سرعتی در حد DRAM و ظرفیتی برابر با 1 گیگابایت داشته باشد.

RAMهای نانوتیوبی

RAMهای نانوتیوبی یا NRAM، یک فناوری حافظه کلاس ذخیره‌سازی است که منحصرا در اختیار شرکت Nanetro است. نحوه عملکرد این حافظه، استفاده از لوله‌های کربنی در مقیاس نانومتری است. شرکت نانترو مدعی است ضخامت این نانولوله‌ها یک پنجاه هزارم تار موی انسان است؛ اما مقاومتشان 50 برابر بیشتر از یک لوله فولادی با ضخامت مشابه است. همچنین، چگالی این لوله‌های نانومتری نصف آلومینیوم است و رسانایی گرمایی و الکتریکی آن‌ها بیشتر از هر ماده دیگری است که تا کنون بشر کشف کرده است.

سلول‌های NRAM حاصل ایجاد اتصال میان نانولوله‌های کربنی بر روی یک لایه سیلیکونی است. در شیمی، به این سازه کربنی اصطلاحا فیلم گفته می‌شود. لایه نانولوله در میان دو الکترود قرار می‌گیرد و می‌تواند منبسط یا منقبض شود. در این حالت نانولوله‌ها به هم متصل می‌شوند یا با فاصله بسیار کمی از هم قرار می‌گیرند تا یک مقاومت ضعیف یا قوی بسازند. وقتی نانولوله‌ها با هم هیچ تماسی نداشته باشند، مقاومت بالا است و این حالت با مقدار 0 نشان داده می‌شود. وقتی با هم تماس داده شوند، با توجه به قانون نیروهای ون در والس، مقاومت پایین خواهد بود و حالت 1 به وجود می‌آید.

نانترو می‌گوید NRAM ساخت این شرکت سرعت DRAM را دارد، اما از آن چگال‌تر است؛ در حالت آماده به کار انرژی مصرف نمی‌کند؛ نسبت به فلش‌ها، به ازای هر بیت، 160 برابر انرژی کمتری مصرف می‌کند و در برابر مسائل محیطی مانند دمای بالا بسیار مقاوم است.

محصولات نیمه‌هادی شرکت نانترو NRAM روی پارچه‌های CMOS موجود توسعه پیدا می‌کنند؛ بنا بر این نیازی به مطالعات بیشتر و ابداع ادوات جدید نیست. نانترو اعلام کرده است برای ساخت این ادوات تنها به چند مرحله پردازشی و یک لایه پوششی نیاز است که این مسئله منجر به پایین نگه داشتن قیمت نهایی محصولات می‌شود. این شرکت همچنین اعلام کرده است که می‌توان در آینده برای تولید این قطعات از معماری سه‌بعدی و چینش چندگانه سلول‌ها نیز بهره جست.

این شرکت در سال 2018 مشغول توسعه یک حافظه مستقل چند گیگابایتی پشتیبان DDR4 غیرفرار و یک تراشه مستقل برای SSD یا HDD برای مدیریت حافظه کش بوده که مورد دوم می‌تواند در برنامه‌های هوش مصنوعی و خودکارسازی اماکن و اشیا به کار بیاید. دو شرکت زیرمجموعه فوجیتسو تا کنون فناوری NRAM شرکت نانترو را تایید کرده‌اند و انتظار می‌رود محصولات این شرکت تا انتهای سال 2019 روانه بازار شوند.