وقتی ترانزیستورها هوشمند می‌شوند؛ بررسی ابعاد تکنیکی حافظه Z-ram

حافظه DRAM و SRAM از جمله متداول‌ترین و پرکاربردترین انواع حافظه‌ها می‌باشند که معایب و ضعف آنها روز به روز بیشتر شده و ساختارهای چندترانزیستوری و همراهی با المان‌های خازنی٬ با افزایش رو به رشد نیاز به حافظه بیشتر و سریع‌تر در کامپیوتر‌ها ناسازگار بوده و در آینده نزدیک صنعت ریزپردازنده‌ها و حافظه‌های نهفته را به چالش خواهند کشید٬ در این میان تنها پاسخ مناسب به این نیاز٬ حافظه‌های تک‌ترانزیستوری می‌باشند. ساختار‌های حافظه تک ترانزیستور سال‌هاست که ابداع شده‌اند اما در این میان تنها Z-RAM توانسته خود را به عنوان تکنولوژی حافظه تک‌ترانزیستوری از حیطه تحقیقاتی و آزمایشگاهی به حیطه صنعتی واردنماید. در این مقاله قصد داریم به ابعاد تکنیکی حافظه Z-RAM اشاره کرده و ساختار ترانزیستورهای هوشمند آن را بررسی نماییم.

چرا حافظه تک‌ترانزیستوری؟

تمام پردازنده‌ها و میکروکنترلر‌های مدرن دارای حافظه داخلی به عنوان حافظه کش می‌باشند٬ با رشد تکنولوژی یکی از اصلی‌ترین فاکتورهای افزایش کارایی پردازنده‌ها افزایش نرخ محلی سازی داده‌ها به واسطه بهره‌گیری از حافظه‌های کش سریعتر با گنجایش بیشتر در داخل پردازده‌ها می‌باشد٬ با توجه به اینکه حافظه‌های SRAM‌ متداولی که در ساخت کش استفاده می‌شوند با ساختار شش ترانزیستوری (تصویر شماره 1) فضای بسیار زیادی از سطح هسته پردازنده را به خود اختصاص می‌دهند. پیش بینی می‌شود تا پایان سال 2008 ٬ این حافظه‌ها حدود 83 درصد از سطح پردازنده‌های قدرتمند چند‌هسته‌ای را به خود اختصاص داده و در صورتی که این روند ادامه پیدا کند در سال 2011 حدود 90 درصد سطح هسته پردازنده‌ها بالجبار به حافظه‌های کش که عملکرد مطلوب پردازنده را تضمین می‌کنند٬ اختصاص می‌گیرد



شکل1 ساختار یک سلول از حافظه SRAM


با توجه به نمودار شکل 2 از ITRS 2000 روند رو به رشد حضور حافظه‌های کش در داخل ریزپردازنده‌ها به زودی طراحان را با چالش مواجه خواهد کرد به طوری که فضای موجود جهت مجتمع‌سازی بخش‌‌های جدید پردازنده و بخش‌هایی که از قبل طراحی شده‌اند بسیار محدود خواهد شد.



شکل 2



در جدید‌ترین پردازنده‌های چهار هسته‌ای که به زودی عرضه خواهند شد نیز این مشکل مشاهده می‌شود و بخش اعظمی از فضا هسته و توان مصرفی آن‌را حافظه کش مصرف کرده است٬ به عنوان نمونه به تصویر هسته پردازنده‌ چهارهسته اینتل با اسم رمز Penryn که[URL="http://www.sakhtafzar.com/news/first-penryn-processors-to-be-announced-on-november-11-1.html"] به زودی[/URL] با 12 مگابایت حافظه کش سطح 2 عرضه خواهد شد در شکل 3 نگاه کنید٬ با اینکه این هسته با فن‌آوری ساخت مدرن 45 نانومتری طراحی و ساخته شده است٬ بازهم بخش اعظم آن به حافظه‌کش اختصاص یافته و بیشترین مصرف انرژی را نسبت به سایر بخش‌ها به همراه دارد. پیش از این در مقاله "[URL="http://www.sakhtafzar.com/article/a-closer-look-to-intel-45nm-penryn.html"]Penryn - نگاهی نزدیک به تکنولوژی ساخت 45nm شرکت اینتل" [/URL]تکنولوژی ساخت مدرن اینتل را بررسی کرده بودیم.




شکل 3 نمایی از اجزای میکروسکپی هسته Penryn

از این رو طراحان در افزایش حجم حافظه کش پردازنده‌ها مبتنی بر سلول‌های شش ترانزیستوری SRAM با چالشی روبرو هستند. علارغم داشتن سرعت بسیار بالا٬ ساختار شش ترانزیستوری سلول این حافظه‌ها فضای زیادی را اشغال می‌کند از سوی دیگر امکان استفاده از حافظه‌های مشابه خارج از تراشه یا حتی داخل بسته‌بندی پردازنده نیز وجود ندارد چرا که فرآیند ارسال و دریافت داده‌ها با یک حافظه خارجی بسیار کندتر و هزینه‌بر تر از قرار دادن حافظه‌ها داخل هسته پردازنده می‌باشد.

بنابر این نیاز به حافظه‌ای با چگالی بیشتر جهت جایگزینی با حافظه‌‌های SRAM کاملا محسوس می‌باشد از این رو برخی تولید‌کنندگان به حافظه‌های DRAM روی آورده‌اند٬ این حافظه‌ها با ساختار متشکل از یک ترانزیستور به همراه یک خازن٬ مانند شکل 4 چگالی بسیار بیشتری نسبت به حافظه‌ SRAM با ساختار شش ترانزیستوری نشان داده شده در شکل 1 دارند.




شکل 4 ساختار یک سلول از حافظه DRAM


این نوع حافظه‌ها به عنوان مثال در پردازنده‌هایی که نیاز به حافظه کش بسیار زیادی دارند مانند٬ پردازنده‌های سوپرکامپیوتر BlueGen شرکت IBM یافت می‌شوند٬ با وجود ساختار ساده ٬ ارزان‌قیمت و چگالی بالای این حافظه‌ها٬ معایب متعددی نیز دارد.

به دلیل وجود خازن در ساختار حافظه‌های DRAM و ذخیره‌سازی صفر و یک منطقی بر روی این خازن٬ سرعت دسترسی به داده‌ها با سرعت شارژ و دشارژ کردن این خازن معادل می‌باشد که در پردازنده‌های چند گیگاهرتزی به هیچ وجه نمی‌توانند با سرعت کلاک پردازنده خود را همزمان سازند٬ از این رو حافظه‌های مبتنی بر خازن٬ سرعت بسیار پایینی داند.

وجود خازن در ساختار این نوع حافظه‌ها٬ مانع از آن می‌شود که قانون مور برای آنها شمولیت پیدا کند. از این رو همواره در کوچک کردن سلول حافظه‌های DRAM همگام با تکنولوژی ساخت‌ روز دنیا٬ مشکلاتی وجود دارد٬ چرا که خازن را بر خلاف ترانزیستور نمی‌توان کوچک‌کرد و انتظار داشت که مشخصات الکتریکی مشابهی در مقیاس کوچکتر داشته باشد٬ به همین خاطر معمولا در فراوری ساخت تراشه‌های DRAM که امروزه در ماژول‌های حافظه بسیار کاربرد پیدا کرده‌ است٬ خازن‌ها نسبت به ترانزیستورها ابعاد غیر متعارفی دارند (شکل 5) این موضوع موجب می‌شود که ساخت این نوع تراشه و قرار دادن خازن‌های غیرمتعارف در انها هزینه ساخت بسیار زیادی را به همراه داشته باشد.




شکل 5 نمای میکروسکپی از یک سلول حافظه DRAM


شکل 5 نمای میکروسکپی از یک سلول حافظه DRAM بر روی ویفر سیلیکونی می‌باشد٬ همانطور که مشاهده می‌کنید جهت ایجاد خازن با مشخصات الکتریکی مطلوب٬ چاه بسیار عمیقی در داخل بستر سلیکونی حفر شده است که در مقیاس ترانزیستوری که در کنار آن روی بستر قرار گرفته٬ ابعاد غول‌آسایی دارد. در این تصویر شیار عمودی سفید رنگی که به سورس ترانزیستور متصل شده است via و خطوط نارنجی رنگ افقی لایه‌های فلزی metal جهت سیم‌بندی می‌باشد.

لذا به کارگیری حافظه‌های DRAM نیز در کنار پردازنده‌ها علارغم داشتن چگالی بالا٬ محدودیت‌هایی دارد که منع از به‌کار گیری آن در مقیاس گسترده می‌شود.

بنابر این نیاز به حافظه‌ای که هم ویژگی‌های متمایز کننده SRAM را داشته و هم ساختار ساده و چگالی DRAM را به ارث برده باشد٬ کاملا ضروری می‌باشد. در این راستا سالهاست که محققین بر روی ساختار حافظه DRAM بدون خازن تحقیق کرده‌اند این نوع حافظه‌ها که تنها با یک ترانزیستور ساخته خواهند شد٬ بدون شک انقلابی در عرصه حافظه‌های مدرن به شمار خواهند رفت. حافظه Z-RAM که حرف Z خود را از ابتدای کلمه Zero Capacitor گرفته یکی از موفق‌ترین تکنولوژی‌هایی است که در این عرصه حضور پیدا کرده است٬ این تکنولوژی که توسط کمپانی سویسی Innovative Silicon توسعه یافته است٬ سرعت حافظه‌ SRAM را به حافظه DRAM اضافه و خازن آن‌ را حذف کرده است

  
نویسنده : ali gooliof ; ساعت ۳:۱٤ ‎ق.ظ روز ۱۳۸٧/٢/٧
تگ ها :