Fazno spremenjeni pomnilnik (angleško: phase-change memory), ki je poznan tudi kot PCM, PRAM, PCRAM in podobno, spada v skupino pomnilnikov, ki podatke ohrani, tudi ko ni električne energije. Neposredno naj bi nova tehnologija ogrozila bliskovni pomnilnik (flash), saj ima v primerjavi z njim določene prednosti. Kdaj? Intel in STMicroelectronics sta pred kratkim ustanovila podjetje Numonyx (www.numonyx.com), katerega naloga je komercializacija tehnologije. Prve pomnilnike, resda ne ravno visokozmogljive, nameravajo predstaviti že konec tega leta. Za sredino naslednjega desetletja pa obljubljajo, da jim bo uspelo dvigniti kapaciteto pomnilnika do te mere, da bodo fazno spremenjeni pomnilniki lahko ogrozili primat bliskovnih.
PISANJE – SPREMINJANJE STANJA CELICE
Osnova tehnologije je v spreminjanju stanja halkogenega stekla. Električna upornost stekla v kristalnem (urejenem) ali amorfnem (neurejenem) stanju je tako različna in to je osnova za zapis enice (1) ali ničle (0). Visokouporno amorfno stanje hrani nič, nizkouporno kristalno stanje pa ena. Halkogene snovi so nepogrešljive tudi pri izdelavi prepisljivih optičnih plošč (CD-RW, DVD-RW), vendar se pri slednjih ne manipulira z električnimi, temveč z optičnimi lastnostmi. Majhno površino plošče segrevajo z visoko temperaturo (laserski žarek) in tako spremenijo strukturo snovi, kar vpliva na njen lomni količnik (kako se svetloba odbija, lomi ….).
Ko je snov v kristalnem stanju, to pomeni, da ima urejeno notranjo strukturo. Posamezni atomi so na točno določenih mestih, vzorec pa se ponavlja prek cele snovi. Po domače povedano, elektroni (električni tok), ki prehajajo prek snovi, imajo prosto pot oziroma se na njihovi poti ne pojavljajo naključno postavljeni atomi. Od tod nižja električna upornost take snovi. Amorfno stanje pa prinaša neurejenost. Položaj atomov je naključen in ni urejene ponavljajoče se notranje strukture. Trki elektronov z atomi so pogostejši, kar lahko izmerimo kot višjo električno upornost snovi.
Stanje snovi spreminja temperatura, ki je posledica električnega toka, ki mu je izpostavljen manjši del snovi (pomnilna celica). Tok, ali bolje rečeno impulz, dolžine nekaj nanosekund, stopi snov na tem mestu. Potrebni temperaturni razpon je med 300 in 600 stopinj Celzija, odvisno od snovi. Ker je električni impulz kratek, se, ko ga ni več, temperatura stopljene snovi hitro drastično zniža, kar prepreči, da bi se atomi uredili v kristalno strukturo. Preprosto povedano, atomi so zamrznjeni na mestu, kjer so bili v stopljeni snovi. Dobimo amorfno stanje. Postopek spreminjanja nazaj v kristalno strukturo pa je nekoliko drugačen. Uporabi se manj intenziven tok, ki na celico snovi v amorfnem stanju deluje dlje časa (več kot 10 nanosekund). Ta tok snovi ne stopi v celoti, temveč jo »ogreje« le do temperature, potrebne, da se atomi uredijo v kristalno strukturo.
BRANJE – MERJENJE ELEKTRIČNEGA UPORA
Branje podatkov v celici je zaradi načela delovanja dokaj preprosto: na celico »pripeljemo« električni tok, seveda ne tak, ki bi segrel in spremenil snov, nato pa merimo električni upor. Če je visok (tok prek celice je blokiran oziroma otežen), vezje razpozna zapisano ničlo, v nasprotnem primeru pa enico.
Pri izdelavi prototipa pomnilnika so uporabili mešanico germanija, antimona in telurja (GeSbTe), ki je poznana tudi kot kratica GST. Temperatura taljenja oziroma prehoda snovi v tekoče agregatno stanje znaša 600 stopinj. Čas prehoda iz enega stanja v drugo pa je med nekaj nanosekundami (v amorfno) pa do malce več kot deset nanosekund (nazaj v kristalno stanje).
Kaj so halkogeni elementi
Halkogeni elementi so elementi 6. skupine periodnega sistema, ki jih poznamo tudi kot kisikova skupina. V njej so elementi kisik, žveplo, selen, telur, polonij in ununheksij.
Halkogen (angleško: chalcogenide) pa je kemična spojina, ki vsebuje vsaj en ion halkogenega elementa in vsaj en elektropozitiven element (elementi, ki tvorijo pozitivne ione). Verjetno ste že slišali za okside, sulfide …
ŠTIRI NAMESTO DVEH STANJ
Pred kratkim so znanstveniki prišli še do ene zanimive ugotovitve glede snovi GST. Poleg dveh že omenjenih stanj sta na voljo še dve polkristalizirani stanji, ki ju je tudi moč uporabiti za zapis podatkov in tako dvigniti kapaciteto polnjenja fazno spremenjenega pomnilnika. Zakaj je to zanimivo? Zato, ker lahko ena celica sočasno hrani dva bita – štiri stanja lahko namreč razumemo tudi tako, da prvo stanje hrani bita 0 in 0, drugo 0 in 1, tretje 1 in 0, četrto pa 1 in 1.
Osnova za dosežek je nadzor nad električnim tokom, ki segreva pomnilniško celico. V ta namen so pri Intelu razvili poseben algoritem, ki prek natančnega nadzora temperature, ki ji je izpostavljena vsaka posamezna celica, omogoča, da snov »preide« še v dve stanji med kristalnim in amorfnim stanjem, pri čemer ima vsako novo stanje svoj značilen električni upor.
PRAM PROTI BLISKOVNEMU POMNILNIKU
Največja prednost fazno spremenjenega pomnilnika v primerjavi z bliskovnim pomnilnikom, je seveda hitrejši zapis bita v celico. Potencialno do 30-krat hitreje. Slabost pa, da je hitrost iskanja podatka, v kateri celici je podatek zapisan, in njegovega branja, trenutno še zelo pod nivojem bliskovnih pomnilnikov.
V bliskovnem pomnilniku je podatek predstavljen prek elektronov, ujetih med vrati tranzistorja MOS. Pri zapisu novega podatka v isto celico, je iz nje najprej treba izbrisati stari podatek, torej se znebiti v njej ujetih elektronov (»brisalni« impulz električne napetosti) in s tem pripraviti celico za zapis novega podatka. Pri pomnilniku PRAM ta korak, torej brisanje starih informacij ni potreben, saj je stanja mogoče neposredno spreminjati iz enega v drugo. Prav tako so podatki, zapisani v PRAM, dlje dosegljivi (tudi nekaj let), pri bliskovnem pomnilniku pa zaradi »puščanja« elektronov iz celice vemo, da čez čas pride do izgube podatkov.
Brisanje podatkov v bliskovnem pomnilniku pred vsakim zapisom novega podatka je povezano tudi z drugo slabostjo tega pomnilnika: vsak izbris vpliva na celico tako, da zmanjša njeno življenjsko dobo, in na ta račun gre omejitev, kolikokrat lahko zapišemo v eno celico (med 10- in 100-tisočkrat). Tudi celica pomnilnika PRAM se izrablja, vendar veliko počasneje. To pa pomeni, da ima ta pomnilnik daljšo življenjsko dobo. Po nekaterih podatkih, ki so plod teoretičnega izračuna, saj prototipni pomnilniki še niso dovolj dolgo izdelani, naj bi vsaka celica pomnilnika PRAM zdržala 100 milijonov pisanj.
Objavljeno: Moj mikro maj 2008 | Marjan Kodelja
