وقتي ترانزيستورها هوشمند مي‌شوند؛ بررسي ابعاد تکنيکي حافظه Z-ram
حافظه DRAM و SRAM از جمله متداول‌ترين و پرکاربردترين انواع حافظه‌ها مي‌باشند که معايب و ضعف آنها روز به روز بيشتر شده و ساختارهاي چندترانزيستوري و همراهي با المان‌هاي خازني٬ با افزايش رو به رشد نياز به حافظه بيشتر و سريعتر در کامپيوتر‌ها ناسازگار بوده و در آينده نزديک صنعت ريزپردازنده‌ها و حافظههاي نهفته را به چالش خواهند کشيد٬ در اين ميان تنها پاسخ مناسب به اين نياز٬ حافظههاي تک‌ترانزيستوري مي‌باشند. ساختارهاي حافظه تک ترانزيستور سالهاست که ابداع شده‌اند اما در اين ميان تنها Z-RAM توانسته خود را به عنوان تکنولوژي حافظه تک‌ترانزيستوري از حيطه تحقيقاتي و آزمايشگاهي به حيطه صنعتي واردنمايد. در اين مقاله قصد داريم به ابعاد تکنيکي حافظه Z-RAM اشاره کرده و ساختار ترانزيستورهاي هوشمند آن را بررسي نماييم.
چرا حافظه تک‌ترانزيستوري؟
تمام پردازنده‌ها و ميکروکنترلر‌هاي مدرن داراي حافظه داخلي به عنوان حافظه کش مي‌باشند٬ با رشد تکنولوژي يکي از اصلي‌ترين فاکتورهاي افزايش کارايي پردازنده‌ها افزايش نرخ محلي سازي داده‌ها به واسطه بهره‌گيري از حافظههاي کش سريعتر با گنجايش بيشتر در داخل پردازده‌ها مي‌باشد٬ با توجه به اينکه حافظههاي SRAM متداولي که در ساخت کش استفاده مي‌شوند با ساختار شش ترانزيستوري (تصوير شماره 1) فضاي بسيار زيادي از سطح هسته پردازنده را به خود اختصاص مي‌دهند. پيش بيني مي‌شود تا پايان سال 2008 ٬ اين حافظه‌ها حدود 83 درصد از سطح پردازنده‌هاي قدرتمند چند‌هسته‌اي را به خود اختصاص داده و در صورتي که اين روند ادامه پيدا کند در سال 2011 حدود 90 درصد سطح هسته پردازنده‌ها بالجبار به حافظههاي کش که عملکرد مطلوب پردازنده را تضمين مي‌کنند٬ اختصاص مي‌گيرد
با توجه به نمودار شکل 2 از ITRS 2000 روند رو به رشد حضور حافظههاي کش در داخل ريزپردازنده‌ها به زودي طراحان را با چالش مواجه خواهد کرد به طوري که فضاي موجود جهت مجتمع‌سازي بخش‌‌هاي جديد پردازنده و بخش‌هايي که از قبل طراحي شده‌اند بسيار محدود خواهد شد.
در جديد‌ترين پردازنده‌هاي چهار هسته‌اي که به زودي عرضه خواهند شد نيز اين مشکل مشاهده مي‌شود و بخش اعظمي از فضا هسته و توان مصرفي آن‌را حافظه کش مصرف کرده است٬ به عنوان نمونه به تصوير هسته پردازنده چهارهسته اينتل با اسم رمز Penryn که
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
با 12 مگابايت حافظه کش سطح 2 عرضه خواهد شد در شکل 3 نگاه کنيد٬ با اينکه اين هسته با فن‌آوري ساخت مدرن 45 نانومتري طراحي و ساخته شده است٬ بازهم بخش اعظم آن به حافظه‌کش اختصاص يافته و بيشترين مصرف انرژي را نسبت به ساير بخش‌ها به همراه دارد. پيش از اين در مقاله "
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
تکنولوژي ساخت مدرن اينتل را بررسي کرده بوديم.
از اين رو طراحان در افزايش حجم حافظه کش پردازنده‌ها مبتني بر سلول‌هاي شش ترانزيستوري SRAM با چالشي روبرو هستند. علارغم داشتن سرعت بسيار بالا٬ ساختار شش ترانزيستوري سلول اين حافظه‌ها فضاي زيادي را اشغال مي‌کند از سوي ديگر امکان استفاده از حافظههاي مشابه خارج از تراشه يا حتي داخل بسته‌بندي پردازنده نيز وجود ندارد چرا که فرآيند ارسال و دريافت داده‌ها با يک حافظه خارجي بسيار کندتر و هزينه‌بر تر از قرار دادن حافظه‌ها داخل هسته پردازنده مي‌باشد.
بنابر اين نياز به حافظه‌اي با چگالي بيشتر جهت جايگزيني با حافظههاي SRAM کاملا محسوس مي‌باشد از اين رو برخي توليد‌کنندگان به حافظههاي DRAM روي آورده‌اند٬ اين حافظه‌ها با ساختار متشکل از يک ترانزيستور به همراه يک خازن٬ مانند شکل 4 چگالي بسيار بيشتري نسبت به حافظه SRAM با ساختار شش ترانزيستوري نشان داده شده در شکل 1 دارند.
اين نوع حافظه‌ها به عنوان مثال در پردازنده‌هايي که نياز به حافظه کش بسيار زيادي دارند مانند٬ پردازنده‌هاي سوپرکامپيوتر BlueGen شرکت IBM يافت مي‌شوند٬ با وجود ساختار ساده ٬ ارزان‌قيمت و چگالي بالاي اين حافظه‌ها٬ معايب متعددي نيز دارد.
به دليل وجود خازن در ساختار حافظههاي DRAM و ذخيره‌سازي صفر و يک منطقي بر روي اين خازن٬ سرعت دسترسي به داده‌ها با سرعت شارژ و دشارژ کردن اين خازن معادل مي‌باشد که در پردازنده‌هاي چند گيگاهرتزي به هيچ وجه نمي‌توانند با سرعت کلاک پردازنده خود را همزمان سازند٬ از اين رو حافظههاي مبتني بر خازن٬ سرعت بسيار پاييني داند.
وجود خازن در ساختار اين نوع حافظه‌ها٬ مانع از آن مي‌شود که قانون مور براي آنها شموليت پيدا کند. از اين رو همواره در کوچک کردن سلول حافظههاي DRAM همگام با تکنولوژي ساخت روز دنيا٬ مشکلاتي وجود دارد٬ چرا که خازن را بر خلاف ترانزيستور نمي‌توان کوچک‌کرد و انتظار داشت که مشخصات الکتريکي مشابهي در مقياس کوچکتر داشته باشد٬ به همين خاطر معمولا در فراوري ساخت تراشه‌هاي DRAM که امروزه در ماژول‌هاي حافظه بسيار کاربرد پيدا کرده است٬ خازن‌ها نسبت به ترانزيستورها ابعاد غير متعارفي دارند (شکل 5) اين موضوع موجب مي‌شود که ساخت اين نوع تراشه و قرار دادن خازن‌هاي غيرمتعارف در انها هزينه ساخت بسيار زيادي را به همراه داشته باشد.
شکل 5 نماي ميکروسکپي از يک سلول حافظه DRAM بر روي ويفر سيليکوني مي‌باشد٬ همانطور که مشاهده مي‌کنيد جهت ايجاد خازن با مشخصات الکتريکي مطلوب٬ چاه بسيار عميقي در داخل بستر سليکوني حفر شده است که در مقياس ترانزيستوري که در کنار آن روي بستر قرار گرفته٬ ابعاد غول‌آسايي دارد. در اين تصوير شيار عمودي سفيد رنگي که به سورس ترانزيستور متصل شده است via و خطوط نارنجي رنگ افقي لايه‌هاي فلزي metal جهت سيم‌بندي مي‌باشد.
لذا به کارگيري حافظههاي DRAM نيز در کنار پردازنده‌ها علارغم داشتن چگالي بالا٬ محدوديت‌هايي دارد که منع از به‌کار گيري آن در مقياس گسترده مي‌شود.
بنابر اين نياز به حافظه‌اي که هم ويژگي‌هاي متمايز کننده SRAM را داشته و هم ساختار ساده و چگالي DRAM را به ارث برده باشد٬ کاملا ضروري مي‌باشد. در اين راستا سالهاست که محققين بر روي ساختار حافظه DRAM بدون خازن تحقيق کرده‌اند اين نوع حافظه‌ها که تنها با يک ترانزيستور ساخته خواهند شد٬ بدون شک انقلابي در عرصه حافظههاي مدرن به شمار خواهند رفت. حافظه Z-RAM که حرف Z خود را از ابتداي کلمه Zero Capacitor گرفته يکي از موفق‌ترين تکنولوژي‌هايي است که در اين عرصه حضور پيدا کرده است٬ اين تکنولوژي که توسط کمپاني سويسي Innovative Silicon توسعه يافته است٬ سرعت حافظه SRAM را به حافظه DRAM اضافه و خازن آن را حذف کرده است
منبع:سخت افزار
