Μη πτητική μνήμη τυχαίας προσπέλασης

Η μη πτητική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (Non-volatile random-access memory ή NVRAM) είναι μνήμη τυχαίας προσπέλασης η οποία διατηρεί τις πληροφορίες αποθηκευμένες ακόμα και όταν δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα. Αντίθετα, η δυναμική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (DRAM) και η στατική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (SRAM) διατηρούν τα δεδομένα μόνο κατά το διάστημα παροχής ηλεκτρικού ρεύματος. Προς το παρόν, η πιο γνωστή μορφή NV-RAM και EEPROM μνήμης είναι η μνήμη flash. Κάποια μειονεκτήματα της μνήμης flash είναι η απαίτηση να γράφεται σε πολύ μεγάλα κομμάτια τα οποία πολλοί υπολογιστές αδυνατούν να διευθυνσιοδοτήσουν, και η σχετικά μικρή διάρκεια ζωής της λόγω του πεπερασμένου αριθμού κύκλων εγγραφής-διαγραφής που επιτρέπει (τα περισσότερα εμπορικά προϊόντα flash όσον αφορά την εγγραφή μπορούν να αντέξουν μόνο γύρω στις 100,000 επανεγγραφές πριν η μνήμη αρχίσει να υποβαθμίζεται). Ένα ακόμα μειονέκτημα είναι οι περιορισμένες επιδόσεις οι οποίες αποτρέπουν την μνήμη flash από το να φτάνει τους χρόνους απόκρισης και, σε ορισμένες περιπτώσεις, την τυχαία διευθυνσιοδότηση που προσφέρουν οι παραδοσιακές μορφές RAM. Μερικές καινούριες τεχνολογίες επιχειρούν να αντικαταστήσουν την flash σε ορισμένους ρόλους, και κάποιες ισχυρίζονται ακόμα και ότι είναι πραγματικά μια universal μνήμη, προσφέροντας την απόδοση των καλύτερων συσκευών SRAM με την μη πτητικότητα της μνήμης flash. Μέχρι στιγμής αυτές οι εναλλακτικές δεν έχουν γίνει ευρέως γνωστές – αποδεκτές. Προς το παρόν συντελείται ανάπτυξη για την χρήση chip από NVRAM ως κύρια μνήμη ενός συστήματος, για μια πιο μόνιμη μνήμη. Γνωστό και ως NVDIMM-P, αναμένεται να κυκλοφορήσει μέχρι το 2018.

 Οι πρώτοι υπολογιστές χρησιμοποιούσαν συστήματα μνήμης τύπου core και τύπου drum, τα οποία ήταν μη πτητικά, ως υποπροϊόντα της κατασκευής τους. Η πιο συχνή μορφή μνήμης στη δεκαετία του 1960 ήταν η magnetic-core μνήμη, η οποία αποθήκευε δεδομένα με την πόλωση μικρών μαγνητών. Αφού οι μαγνήτες διατηρούσαν την κατάστασή τους ακόμη και χωρίς την παρουσία ρεύματος, η core μνήμη ήταν επίσης μη πτητική. Άλλοι τύποι μνήμης απαιτούσαν διαρκή παρουσία ρεύματος για να διατηρήσουν τα δεδομένα τους, όπως η λυχνία κενού ή τα solid-state flip-flops, οι σωλήνες Williams, και η ημιαγώγιμη μνήμη (στατική ή δυναμική RAM). Η πρόοδος στην κατασκευή ημιαγωγών την δεκαετία του 1970 οδήγησε στη νέα γενιά solid state μνήμης την οποία δεν μπορούσε να ανταγωνιστεί η μαγνητική core μνήμη ούτε σε κόστος ούτε σε πυκνότητα. Σήμερα η δυναμική RAM συνθέτει το μεγαλύτερο τμήμα της κύριας μνήμης ενός τυπικού υπολογιστή. Πολλά συστήματα απαιτούν την ύπαρξη τουλάχιστον ενός μικρού τμήματος μη πτητικής μνήμης. Οι desktop υπολογιστές απαιτούν μόνιμο αποθηκευτικό χώρο για τις εντολές που χρειάζονται για την εκκίνηση του λειτουργικού συστήματος. Τα ενσωματωμένα συστήματα, όπως ο υπολογιστής ελέγχου της μηχανής για ένα αυτοκίνητο, πρέπει να διατηρούν τις εντολές τους ακόμα και όταν η παροχή ενέργειας διακοπεί. Πολλά συστήματα χρησιμοποιούσαν έναν συνδυασμό από RAM και κάποιου είδους ROM για τους συγκεκριμένους σκοπούς. Τα προσαρμοσμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα ROM ήταν μία λύση. Τα περιεχόμενα της μνήμης αποθηκεύονταν ως ένα μοτίβο της τελευταίας μάσκας που χρησιμοποιήθηκε κατά την παραγωγή του ολοκληρωμένου κυκλώματος, το οποίο δεν μπορούσε να τροποποιηθεί μετά την παραγωγή του. Η PROM βελτιώθηκε σε αυτόν τον σχεδιασμό, επιτρέποντας στο chip να μπορεί να γραφεί ηλεκτρονικά από τον τελικό χρήστη. Η PROM αποτελείται από μια σειρά διόδων που αρχικά είναι ρυθμισμένες σε μία τιμή, «1» για παράδειγμα. Εφαρμόζοντας υψηλότερο ρεύμα από το συνηθισμένο, μια επιλεγμένη δίοδος μπορεί να καεί (όπως μια ασφάλεια), θέτοντας έτσι μόνιμα στο συγκεκριμένο bit την τιμή «0». Η PROM διευκόλυνε το prototyping και τις κατασκευές μικρής κλίμακας. Πολλοί κατασκευαστές ημιαγωγών παρείχαν μια έκδοση PROM στο κομμάτι της μάσκας της ROM, ώστε το firmware κατά την ανάπτυξη μπορούσε να δοκιμαστεί προτού γίνει παραγγελία για μία μάσκα ROM. Όσοι απαιτούσαν επιδόσεις πραγματικής RAM και ταυτόχρονα μη πτητικότητα τυπικά χρησιμοποιούσαν παραδοσιακές RAM συσκευές και μια μπαταρία για backup. Αυτή η μη πτητική μνήμη BIOS, γνωστή και ως CMOS RAM ή παραμετρική RAM, αποτελούσε συνηθισμένη λύση στα πρώτα συστήματα υπολογιστών όπως τον αρχικό Apple Macintosh, ο οποίος χρησιμοποιούσε ένα μικρό μέρος της μνήμης με παροχή ενέργειας από μπαταρία για να αποθηκεύσει βασικές πληροφορίες εγκατάστασης, όπως τον επιλεγμένο δίσκο εκκίνησης του υπολογιστή. Πολύ μεγαλύτερες μνήμες με παροχή από μπαταρία χρησιμοποιούνται σήμερα ως μνήμες cache για υψηλής ταχύτητας βάσεις δεδομένων, απαιτώντας ένα επίπεδο επιδόσεων που οι πιο καινούριες συσκευές NVRAM δεν μπορούν ακόμα να φτάσουν. Ένα μεγάλο βήμα στην πρόοδο της τεχνολογίας NVRAM ήταν η εισαγωγή του floating-gate transistor, η οποία οδήγησε στην εισαγωγή διαγράψιμης προγραμματιζόμενης μνήμης μόνο για ανάγνωση, ή αλλιώς EPROM. Η EPROM αποτελείται από ένα πλέγμα από transistor των οποίων η πύλη (ο «διακόπτης») προστατεύεται από υψηλής ποιότητας μονωτικό υλικό. «Σπρώχνοντας» ηλεκτρόνια στη βάση του με την εφαρμογή υψηλότερης από το συνηθισμένο τάσης, τα ηλεκτρόνια παγιδεύονται στην πύλη του transistor πίσω από τον μονωτή, οπότε θέτουν μόνιμα το transistor στη θέση «on» («1»). Η EPROM μπορεί να επαναφερθεί στην κατάσταση βάσης (όλα «1» ή όλα «0», εξαρτάται από τον σχεδιασμό) εφαρμόζοντας υπεριώδες φως (UV). Τα φωτόνια του υπεριώδους φωτός έχουν αρκετή ενέργεια για να ωθήσουν τα ηλεκτρόνια μέσω του μονωτή και να επιστρέψουν τη βάση στην αρχική της κατάσταση. Στο σημείο αυτό η EPROM μπορεί να ξαναγραφτεί από την αρχή. Σύντομα εμφανίστηκε μια βελτιωμένη έκδοση της EPROM, η EEPROM. Το επιπλέον γράμμα «E» σημαίνει «electrically» (ηλεκτρικά), αναφερόμενο στη δυνατότητα επαναφοράς της κατάστασης της EEPROM με χρήση ηλεκτρισμού αντί για υπεριώδες φως, κάνοντας τις συσκευές πολύ πιο εύχρηστες στην πράξη. Τα bit επαναφέρονται στην αρχική κατάσταση με την εφαρμογή ακόμα υψηλότερης τάσης μέσω των άλλων ακροδεκτών του transistor (συγκεκριμένα των ακροδεκτών source και drain). Αυτός ο παλμός υψηλής ισχύος, στην πράξη, απορροφά τα ηλεκτρόνια μέσω του μονωτή, επιστρέφοντας έτσι στην αρχική κατάσταση. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία έχει το μειονέκτημα της μηχανικής φθοράς του chip οπότε τα συστήματα μνήμης τα οποία είναι βασισμένα σε floating-gate transistor έχουν γενικά λίγους κύκλους εγγραφών, της τάξης των 105 για κάθε ξεχωριστό bit. Μια προσέγγιση για το ξεπέρασμα του περιορισμένου αριθμού εγγραφών είναι η χρήση κανονικής SRAM, το κάθε bit της οποίας αποθηκεύεται σε ένα bit της EEPROM. Σε κανονική χρήση το chip λειτουργεί τόσο γρήγορα όσο και η SRAM και σε περίπτωση διακοπής ρεύματος τα δεδομένα μεταφέρονται γρήγορα στο κομμάτι της EEPROM, απ’ όπου φορτώνονται κατά την επόμενη εκκίνηση. Αυτά τα chip είχαν ονομαστεί NOVRAM από τους κατασκευαστές. Η βάση της flash είναι πανομοιότυπη με την EEPROM, αλλά διαφέρει πολύ η εσωτερική διάταξη. Η flash επιτρέπει στη μνήμη της να γράφεται κατά μεγάλα κομμάτια, γεγονός που απλοποιεί την εσωτερική διασύνδεση και επιτρέπει μεγαλύτερη πυκνότητα. Η πυκνότητα της μνήμης αποθήκευσης είναι ο βασικός παράγοντας κόστους στα περισσότερα συστήματα υπολογιστών, και λόγω της flash έχει εξελιχθεί σε μια από τις χαμηλότερου κόστους συσκευές solid-state μνήμης που υπάρχουν. Ξεκινώντας από το 2000, η ζήτηση για ολοένα και μεγαλύτερες ποσότητες flash οδήγησε τους κατασκευαστές στη χρήση μόνο των πιο εξελιγμένων συστημάτων παραγωγής ώστε να αυξήσουν την πυκνότητα κατά το δυνατόν περισσότερο. Παρόλο που κάποια όρια στην κατασκευή αρχίζουν να μπαίνουν στο παιχνίδι, νέες τεχνικές «πολλαπλών bit» φαίνεται πως μπορούν να διπλασιάσουν ή να τετραπλασιάσουν την πυκνότητα ακόμα και στα υπάρχοντα πλάτη των γραμμών. Ο περιορισμένος αριθμός κύκλων εγγραφών της flash και της EEPROM αποτελούν σοβαρό πρόβλημα για κάθε χρήση τύπου RAM. Επιπλέον, η υψηλή ισχύς που χρειάζεται για την εγγραφή των κελιών αποτελεί πρόβλημα για περιπτώσεις χαμηλής ισχύος, όπου η NVRAM συχνά χρησιμοποιείται. Επίσης, η ισχύς χρειάζεται χρόνο για να «χτιστεί» σε μια συσκευή γνωστή ως αντλία φόρτισης (charge pump), η οποία κάνει την εγγραφή δραματικά πιο αργή σε σχέση με την ανάγνωση, συχνά μέχρι και 1,000 φορές πιο αργή. Πολλά συστήματα μνήμης έχουν προταθεί για την κάλυψη αυτών των ελλείψεων. Μέχρι στιγμής το μόνο σύστημα που εντάχθηκε στην ευρεία παραγωγή είναι η σιδηροηλεκτρική RAM, ή αλλιώς F-RAM (πολλές φορές αναφέρεται και ως FeRAM). Η F-RAM είναι μια μνήμη τυχαίας προσπέλασης παρόμοια στην κατασκευή με την DRAM αλλά (αντί για το διηλεκτρικό επίπεδο που έχει η DRAM) περιέχει μία λεπτή σιδηροηλεκτρική (ferroelectric) μεμβράνη από τιτανικό ζιρκονικό μόλυβδο [Pb(Zr,Ti)O3], συχνά αναφερόμενο και ως PZT. Τα άτομα Zr/Ti στον PZT αλλάζουν πολικότητα μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, δημιουργώντας έτσι έναν δυαδικό διακόπτη. Σε αντίθεση με τις συσκευές RAM, η F-RAM διατηρεί τα δεδομένα της μνήμης κατά την απουσία ή διακοπή ρεύματος, αφού ο κρύσταλλος PZT διατηρεί την πολικότητά του. Λόγω της κρυσταλλικής αυτής δομής, η F-RAM προσφέρει ξεχωριστές δυνατότητες σε σχέση με άλλες μη πτητικές μνήμες, συμπεριλαμβανομένης της εξαιρετικά υψηλής αντοχής (υπερβαίνοντας τις 1016 για συσκευές των 3.3 V), της εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης (αφού η F-RAM δεν χρειάζεται αντλία φόρτισης όπως κάποιες άλλες μη πτητικές μνήμες), της ταχύτητας εγγραφής σε έναν κύκλο, και της ανεκτικότητας σε ακτινοβολία γάμμα. Η Ramtron International έχει αναπτύξει, έχει παραγάγει και έχει κατοχυρώσει άδεια για σιδηροηλεκτρική RAM (F-RAM), ενώ άλλες εταιρείες που έχουν κατοχυρώσει άδεια και παράγουν τεχνολογίες F-RAM είναι η Texas Instruments, η Rohm και η Fujitsu. Μια άλλη προσέγγιση, για την οποία έγινε μεγάλη προσπάθεια ανάπτυξης, είναι η megnetoresistive μνήμη τυχαίας προσπέλασης, ή αλλιώς MRAM, η οποία χρησιμοποιεί μαγνητικά στοιχεία και γενικά λειτουργεί με τρόπο παρόμοιο με αυτόν του πυρήνα, τουλάχιστον για την τεχνολογία πρώτης γενιάς. Μόνο ένα chip MRAM έφτασε στο στάδια της παραγωγής μέχρι στιγμής: το τμήμα 4 Mbit της Everspin Technologies, το οποίο είναι μια πρώτης γενιάς MRAM που χρησιμοποιεί εγγραφές που προκαλούνται από πεδία σταυροειδών σημείων. Δύο δεύτερης γενιάς τεχνικές αναπτύσσονται αυτή την στιγμή: η Thermal Assisted Switching (TAS), η οποία αναπτύσσεται από την Crocus Technology, και η spin-transfer torque (STT) πάνω στην οποία δουλεύει η Crocus, η Hynix, η IBM και αρκετές άλλες εταιρείες. Η STT-MRAM φαίνεται να επιτρέπει πολύ μεγαλύτερες πυκνότητες από εκείνες της πρώτης γενιάς, αλλά μένει πίσω από την flash, όπως και η FeRAM, λόγω της πίεσης του τεράστιου ανταγωνισμού στην αγορά των flash. Άλλη μια τεχνολογία τύπου solid-state που έχει προχωρήσει παραπάνω από την καθαρά πειραματική ανάπτυξη είναι η RAM αλλαγής φάσης, ή αλλιώς PRAM. Η PRAM είναι βασισμένη στον ίδιο αποθηκευτικό μηχανισμό με τα εγγράψιμα CD και DVD, αλλά διαβάζει την πληροφορία με βάση τις μεταβολές της ηλεκτρικής αντίστασης του υλικού και όχι της αλλαγές στις οπτικές του ιδιότητες. Η τεχνολογία αυτή έμεινε στην αφάνεια για αρκετό καιρό, και το 2006 η Samsung ανακοίνωσε την διαθεσιμότητα ενός τμήματος 512 Mbit, σημαντικά μεγαλύτερης χωρητικότητας τόσο συγκριτικά με την MRAM όσο και με την FeRAM. Η πυκνότητα αυτών των κομματιών φαίνεται να είναι μεγαλύτερη και από τις μοντέρνες flash συσκευές, αλλά η συνολική χωρητικότητα είναι χαμηλότερη λόγω της έλλειψης δυνατότητας κωδικοποίησης πολλών bit. Την ανακοίνωση αυτή ακολούθησαν αντίστοιχες ανακοινώσεις από την Intel και την STMicroelectronics, που έκαναν επίδειξη των δικών τους PRAM συσκευών στο Intel Developer Forum τον Οκτώβριο του 2006. Ίσως μια από τις πιο καινοτόμες λύσεις είναι η μνήμη «σαρανταποδαρούσα», η οποία αναπτύχθηκε από την IBM. Η «σαρανταποδαρούσα» είναι ουσιαστικά μια διάτρητη κάρτα η οποία δημιουργείται με την βοήθεια της νανοτεχνολογίας ώστε να αυξήσει δραματικά την χωρητική πυκνότητα. Παρόλο που προβλεπόταν να κυκλοφορήσει το 2003, απροσδόκητα προβλήματα στην ανάπτυξη καθυστέρησαν την κυκλοφορία του μέχρι το 2005, όμως τότε δεν μπορούσε πια να ανταγωνιστεί την flash. Θεωρητικά η τεχνολογία αυτή προσφέρει δυνατότητα αποθήκευσης με πυκνότητα της τάξης του 1 Tbit/in2 (10 Tbit/cm2), μεγαλύτερη ακόμα και από τις καλύτερες τεχνολογίες σκληρών δίσκων που χρησιμοποιούνται αυτή την περίοδο (η τεχνολογία perpendicular recording προσφέρει 636 Gbit/in2 (4.1 Tbit/cm2) σύμφωνα με στοιχεία του Δεκεμβρίου του 2011), αλλά η επερχόμενη τεχνολογία θερμικής μαγνητικής εγγραφής (heat-assisted magnetic recording) και τα εικαστικά μέσα (patterned media) μαζί μπορούν να υποστηρίξουν πυκνότητες της τάξης των 10 Tbit/in2 (σχεδόν 100 Tbit/cm2). Ωστόσο, οι αργοί χρόνοι ανάγνωσης και εγγραφής για μνήμες τέτοιου μεγέθους φαίνεται πως περιορίζουν την τεχνολογία αυτή στη χρήση μόνο για αντικατάσταση των σκληρών δίσκων και δεν επιτρέπουν υψηλής ταχύτητας χρήσεις τύπου RAM, αν και σε έναν μεγάλο βαθμό το ίδιο ισχύει και για τις flash. Ένα πλήθος από πιο εσωτερικές συσκευές έχουν προταθεί, συμπεριλαμβανομένης της Nano-RAM, η οποία είναι βασισμένη στην τεχνολογία νανοσωλήνων άνθρακα, αλλά αυτές είναι πολύ μακριά από κάποια εμπορική εφαρμογή. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν νανοδομές όπως οι κβαντικές κουκίδες (quantum dots), οι νανοσωλήνες άνθρακα (carbon nanotubes) και τα νανοκαλώδια (nanowires) σε σύγκριση με τις προγενέστερες τεχνολογίες (βασισμένες σε πυρίτιο) περιλαμβάνουν το μικροσκοπικό τους μέγεθος, την ταχύτητα και την πυκνότητά τους. Πρόσφατα έχουν αναπτυχθεί αρκετά σενάρια για συσκευές μνήμης μοριακής κλίμακας. Επιπλέον βλέπουμε ανανεωμένο ενδιαφέρον σε μνήμη τύπου silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS). NOVA (σύστημα αρχείων) Supporting filesystems in persistent memory, LWN.net, 2 Σεπτεμβρίου, 2014, από Jonathan Corbet