Feroelektrinės atmintys radikaliai pakeis kompiuterius | KTU fizikų tyrimai  (0)

Dėka to, kad feroelektrikas gali poliarizuotis dviem skirtingomis kryptimis, tokią medžiagos celę galima naudoti kaip atminties elementą, galintį įgyti dvi būsenas, kurioms galima priskirti 0 arba 1 bito reikšmes. Šios atmintys vadinamos FeRAM arba FRAM (Ferroelectric RAM).


FRAM atmintys jau net ir gaminamos – NASA, Ramtron, Fujitsu, Texas Instr.uments ir kt. jau keli metai sėkmingai gamina ir pardavinėja ypatingas, tačiau vis dar mažos (kelių megabaitų) talpos atmintis. 

Tiesa, jos naudojamos labai specifiniuose uždaviniuose – t.y. ten kur sąlygos yra ekstremalios, pvz.: erdvėlaiviuose, lėktuvų „juodose dėžėse“, kariniuose įrenginiuose ir visur kitur, kur dėl didelių vibracijų, temperatūros pokyčių ir patikimumo reikalavimų neišeina naudoti paprastų, naudojamų kasdieniniuose kompiuteriuose atminčių.

Arba įrenginiuose, kur reikia nedaug, bet kokybiškos, sparčios ir nereikalaujančios energijos palaikymo atminties. Feroelektrinės atmintys ypatingos jos yra dėl keleto priežasčių. Visų pirma tai yra labai greitos atmintys – nuskaitymo ir įrašymo greitis jose prilygsta puslaidininkio tipo operatyvinės atminties (SDRAM) greičiui. 

T.y. nuskaitymo ir įrašymo laikas yra tos pačios eilės – SDRAM (~10ns), o FRAM (60ns, nors laboratorijose gaunamas 0,2 ns). Taigi FRAM galėtų tapti šiais laikais naudojamos operatyvinės atminties pakaitalu. Deja, kadangi tokių atminčių feroelektrinių sluoksnių sintezė yra sudėtinga (feroelektrinės medžiagos sintezuojasi aukštose temperatūrose, sunku gauti tolygų ir reikiamos cheminės sudėties sluoksnį, sluoksniai dažnai gaunami grudėti arba porėti) kol kas šios atmintys yra per brangios konkuruoti su kitokio tipo atmintimis. 

FRAM tyrimai buvo labai intensyviai vykdomi 1996-2000 metais, ieškant kitokios atminties kokybės ir formos. Tačiau tuo metu kitos technologijos FRAM, taip sakant, „nušluostė nosį“. 2000 metais „Trek Technology“ ir „IBM“ korporacijos sukūrė dabar plačiai paplitusius „Flash“ tipo (EEPROM technologijos) atminties elementus, kurie šiuo metu bando nukonkuruoti kietuosius SSD diskus (EEPROM technologijos pastovios atminties laikmenos, kurios yra apie šimtą kartų greitesnės, bet šiuo metu maždaug 7 kartus brangesnės). 

Tik po daugiau nei dešimtmečio suvokus, kad "Flash/EEPROM" tipo atmintys net teoriškai yra ribotos tiek greičio, tiek atminties tankio atžvilgiu, vėl išaugo didelis susidomėjimas FRAM. Iš kur šis susidomėjimas? FRAM yra apie 30000 kartų greitesnės nei EEPROM. Jei tai būtų vien tik greitis, kuris prilygsta SDRAM, to būtų negana, kad mokslininkai ir investuotojai rodytų susidomėjimą šio tipo atmintims. Esmė yra ta, kad be didelės greitaveikos FRAM pasižymi dar keliomis ypatingomis savybėmis. 

Viena iš esminių savybių, t.y. liktinės bipoliarinės poliarizacijos efektas (kurio fizikinis pagrindas buvo prieš tai aptartas). Tai reiškia, kad informacijos išlaikymui FRAM nereikalauja energijos palaikymo. Energija reikalinga tik informacijos nuskaitymo ar įrašymo procesui. Tokia pati operacija naudojama HDD diskų technologijoje. Tačiau HDD laikmenų, kuriose informacija išsaugoma įmagnetinant feromagnetinio disko sriteles, greitaveika yra žymiai mažesnė. 

HDD nuskaitymo/įrašymo laikas siekia kelias milisekundes. O tai yra maždaug apie milijoną kartų lėčiau nei RAM. Būtent dėl to šiuo metu visų kompiuterių atmintis yra padalinta į greitą ir mažą (RAM) ir didelę, tačiau lėtą HDD atmintį. FRAM atmintis, kuri būtų greita kaip puslaidininkinės SDRAM, galėtų talpinti terabaitą kvadratiniame colyje (2,54x2,54 cm) ir nereikalautų energijos palaikymo. Šios atmintys galėtų iš principo pakeisti dabartinę atminčių paskirstymo idėją. Nebebūtų nei RAM, nei HDD. Liktų tik viena greitaeigė FRAM atmintis. Tai reiškia, kad reikėtų iš principo keisti kompiuterio architektūrą, kurioje būtų tik vienos atminties tipas.

Pafantazuokime ką tai reikštų – mūsų kompiuteris veiktų žaibišku greičiu, programų langai atsidarinėtų tikrai akimirksniu, o svarbiausia, kad ir kiek langų būtumėt atsidarę tuo metu ir išjungę kompiuterį ir kitą kartą įjungę, jūs rastumėt visus langus ir savo likusią informaciją. Dar daugiau – dings toks visus erzinantis procesas kaip operacinės sistemos užsikrovimas. Operacinei sistemai nebereikės užsikrauti į SDRAM, ji visą laiką bus atmintyje. Nesvarbu ar kompiuteris išjungtas, ar įjungtas – visi pokyčiai lieka. Jūs įjungiat kompiuterį ir dirbat, o ne laukiat visiems žinomų varginančiai laukiamų procedūrų. O baigdami darbus išjungiat kompiuterį nebijodami, kad nepaspaudėt „save“ mygtuko.

Tarp kitų FRAM privalumų reikėtų paminėti ir ilgaamžiškumo ir energijos sąnaudų problemą. FRAM gali atlikti milijoną kartų daugiau įrašymo/nuskaitymo ciklų, nei EEPROM atmintys. Pasiekus nešiojamų kompiuterių akumuliatorių energijos talpos ribas, šiuo metu daug kas diskutuoja apie energijos sąnaudų nešiojamuose kompiuteriuose mažinimą ir siūlo daug energijos reikalaujančias šiuolaikines operatyvias atmintis (SDRAM) keisti taupiomis FRAM, kurios nereikalauja pastovaus atminties regeneracijos proceso. O lyginant su EEPROM, sunaudoja 200 kartų mažiau energijos. Kol kas komercinėms atmintims yra naudojamos tik Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT) keraminių sluoksnių medžiagos.

Pabaigai norėčiau paminėti, kad šiuo metu KTU mokslininkų grupė, vadovaujama doc. A. Iljino, vykdo Lietuvos Mokslo Tarybos finansuojamą mokslinį projektą, kurio paskirtis yra sintezuoti, tirti ir vystyti feroelektrinius sluoksnius, skirtus naujos kartos atminties elementams. Šiuose tyrimuose dalyvauja ir studijų programų "Taikomoji fizika" bei "Medžiagos ir nanotechnologijos" studentai. 

KTU Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (buvusio Fundamentaliųjų mokslų fakulteto)
Fizikos katedros
Docentas dr. Vytautas Stankus

Aut. teisės: www.technologijos.lt
Autoriai: Vytautas Stankus
(0)
(0)
(0)

Komentarai (0)