Memorie avanzate per sistemi embedded

MEMORIZZAZIONE –

La crescente diffusione dei sistemi embedded in tutti i campi applicativi è il principale motivo di sviluppo delle memorie, in quanto questi sistemi, per essere innovativi, richiedono funzionalità che solo memorie di nuova concezione possono soddisfare.

Oltre alla funzionalità, i sistemi embedded di nuova generazione richiedono alle memorie grandi capacità di immagazzinamento dei dati e velocità di accesso in scrittura abbastanza elevate da poterle utilizzare come le tradizionali Ram. Lo stimolo allo sviluppo di nuove tecnologie di memorizzazione, da parte dei principali produttori di memorie, viene anche dal fatto che le tecnologie correnti di memorizzazione sono ormai state sfruttate al massimo delle loro possibilità tecnologiche. Per esempio, le memorie flash Nand, hanno ormai raggiunto i limiti della scala di integrazione (20 nanometri), ed è opinione comune che sotto i 20 nanometri non sarà più possibile spingere questa tecnologia. Sono quindi in tanti che stanno cercando e proponendo alternative alle tecnologie di memorizzazione correnti. La sfida che le memorie di nuova generazione stanno tentando di vincere è quella della completa sovrapposizione alle memorie attualmente allo stato dell'arte, in particolare cercando di caratterizzarsi come le Ram per quanto concerne la velocità e la modalità di accesso e allo stesso tempo di caratterizzarsi come le memorie non volatili, in particolare le memorie Flash, per quanto riguarda le modalità di tenuta dei dati anche allo spegnimento del sistema.

Le memorie a cambiamento di fase
Le memorie a cambiamento di fase fanno parte di quelle memorie che sfruttano le proprietà di cambiamento di stato della materia per implementare la funzione di memorizzazione non volatile delle informazioni binarie. La prima realizzazione di una memoria a cambiamento di fase risale a circa quaranta anni fa, quando nel 1968 in un articolo su Phisics Review Letters  e successivamente nel 1970 in un articolo su Electronics, venne riportato relativamente alle scoperte fatte da Ovshinsky circa le proprietà reversibili dei materiali pilotabili elettricamente e alla realizzazione industriale di una memoria Pcm da 256 bit. Le memorie Pcm (Phase Change Memories) si basano sul cambiamento reversibile di fase del chalcogenide da stato cristallino a stato amorfo. Nello stato amorfo il materiale ha una struttura altamente irregolare e conseguentemente si caratterizza per una elevata resistenza elettrica. Nello stato policristallino il materiale ha una struttura altamente regolare, e quindi una bassa resistenza elettrica. Questi due stati sono osservabili elettricamente proprio attraverso la resistenza. Il materiale, posto tra due elettrodi, permette di misurare il livello di passaggio della corrente che indirettamente rivela lo stato (lettura). Da uno dei due elettrodi viene derivato un altro elettrodo di natura resistiva che serve a scaldare il materiale tramite flusso di corrente. Questo elettrodo resistivo serve a far cambiare di stato al materiale, da amorfo a policristallino o viceversa, realizzando in tal modo l'operazione di memorizzazione (scrittura). La peculiarità delle memorie Pcm, per cui sono sostanzialmente al primo posto tra le memorie innovative per i sistemi embedded di prossima generazione, sta nell'elevata sovrapposizione con tutte le altre memorie allo stato dell'arte: Dram, Nand Flash, Nor Flash, Eeprom. Un'importante proprietà delle memorie Pcm, che le avvicina alle Ram, è la non necessità di cancellazione (erasing) dell'elemento di memoria per memorizzare l'informazione binaria (0/1). Questa è infatti la caratteristica più penalizzante delle memorie Flash, in quanto, per passare da zero a uno e viceversa, richiedono un passo in più, quindi una penalizzazione in termini di velocità. L'alterabilità della memoria Pcm è a livello di bit, anche questa proprietà tipica delle Ram, ma non necessariamente delle memorie non volatili. Rispetto alle Ram, le Pcm evidenziano la proprietà della non volatilità. La non volatilità è comunque a lungo termine, quindi molto soddisfacente per le applicazioni embedded che non permettono la sostituzione delle parti funzionali. La velocità di lettura delle memorie Pcm è dello stesso ordine di quella delle Ram, mentre nella scrittura le memorie Pcm sono meno veloci delle Ram, ma più veloci delle Flash, non dovendo eseguire cicli di cancellazione. La velocità di scrittura dipende comunque dalla scala di integrazione, quindi queste memorie, al diminuire della scala di integrazione evidenzieranno velocità di scrittura sempre maggiori e più vicine a quelle delle Ram. La riduzione della geometria per le memorie Pcm non è un problema (come per esempio accade per le memorie Flash). Di conseguenza queste memorie potranno facilmente sovrapporsi a tutte le altre memorie, rappresentando in tal modo una soluzione unificante della problematica di memorizzazione per tutti i sistemi embedded.

Le memorie magnetiche
Le proprietà magnetiche dei materiali sono state da sempre utilizzate per la realizzazione delle memorie. Le memorie a nuclei sono state le prime memorie per i calcolatori, ma hanno subito evidenziato un problema significativo, il forte consumo di potenza elettrica. Tentativi successivi di integrare questa tecnologia su silicio, per esempio le memorie a bolle magnetiche, non hanno avuto successo. Recentemente però le memorie magnetiche si sono proposte come soluzione ottimale per le implementazioni nei sistemi embedded. In particolare, le memorie magnetoresistive, rappresentano le soluzioni più promettenti. Le memorie Mram hanno caratteristiche non volatili con densità paragonabili a quelle delle flash e Dram. Queste memorie sfruttano il campo magnetico per memorizzare le informazioni binarie (due strati di materiale ferromagnetico separati da uno strato di materiale isolante, uno dei due strati è magneto-permanente, l'altro magneto-variabile). La lettura dell'informazione è basata sulla resistenza elettrica della cella. La scrittura avviene generando un campo magnetico locale alla cella per induzione magnetica provocata da correnti che scorrono in opportune linee che collegano le celle disposte a matrice. Queste memorie sono potenzialmente ottime candidate a rappresentare una soluzione globale di memorizzazione per i sistemi embedded.  Soluzioni particolarmente compatte, come quelle di natura seriale, quindi a bassissimo pin-count, sono già disponibili con capacità di memorizzazione significative, come la MR25H10 di Everspin. Questa Mram seriale è incapsulata in un package di soli 8 pin, comunica tramite Spi e consuma solo 3 microampere in modalità stand-by. Le memorie Mram evidenziano proprietà superiori a quelle delle altre soluzioni non volatili, in particolare l'assenza di ritardi nella scrittura, una durata illimitata relativamente alle operazioni di scrittura e una ritenzione dei dati estremamente ampia (oltre 20 anni).

Le memorie moletroniche
L'elettronica molecolare rappresenta un'alternativa estremamente interessante per le memorie di nuova generazione, considerando il limite fisico verso cui si stanno avvicinando le memorie microelettroniche e la microelettronica in generale. L'elettronica molecolare è un approccio completamente diverso ed estremamente innovativo per la realizzazione di dispositivi elettronici rispetto a quelli ottenuti tramite processo microelettronico. A differenza del processo microelettronico che si basa sulla fotolitografia per realizzare i singoli componenti elettronici (transistor) necessari a costruire gli elementi funzionali dei dispositivi elettronici (per esempio le celle di memoria), il processo nanoelettronico assembla in maniera chimica le molecole per ottenere strutture regolari come le celle di memoria. I limiti tipici in termini di geometria della microelettronica sono praticamente inesistenti per la nanoelettronica (dimensione molecolare). Le memorie moletroniche, data la loro natura molecolare, raggiungono densità estremamente alte, fino a 1000 volte superiori a quelle delle memorie microelettroniche, aprendo in tal modo campi applicativi estremamente interessanti per i sistemi embedded.
La Nram della Nantero, una memoria ad alta densità realizzata con tecnologia moletronica, è uno degli esempi di realizzazione industriale di tali dispositivi. In questo caso sono stati assemblati 10 miliardi di strutture molecolari alla base delle celle di memorizzazione (suspended nanotube junctions) in un unico dispositivo. Ognuna di queste nanostrutture è in grado di memorizzare un'informazione binaria elementare (0/1). Il cambio di stato è governato dall'applicazione di un campo magnetico.
Le Nram sono decisamente più dense e veloci delle Dram, mostrano consumi di potenza elettrica molto più bassi e sono di natura non volatile. Queste memorie possono quindi realizzare sia la componente veloce della memorizzazione, normalmente affidata alle Ram, sia la componente di massa della memorizzazione, normalmente affidata alle flash. La natura delle memorie moletroniche è tale da garantire condizioni applicative non possibili con la microelettronica come la presenza di forti campi magnetici, temperature estreme, ecc. Le applicazioni più interessanti sono per esempio i computer che eseguono il boot immediato (sono subito pronti all'accensione), sistemi di riproduzione audio Mp3 con milioni di canzoni tutte disponibili in linea, telefoni con decine di gigabyte di memoria di base, ecc. Un altro produttore di memorie elettroniche molecolari è ZettaCore. Le memorie molecolari di ZettaCore basate su specifiche molecole che hanno proprietà di memorizzazione binaria. Queste molecole si prestano all'aggiunta e rimozione di elettroni, quindi a variare lo stato di carica della molecola. La molecola è la multi-porphyrin, una molecola ossidabile o riducibile in maniera stabile e reversibile. Quello che serve a realizzare una memoria bistabile. Queste tecnologie molecolari, capaci di realizzare elevatissime densità di memorizzazione, tanto da superare, allo stato solido, la capacità di hard disk di grandi dimensioni in una configurazione di sistema come quella della Ram, stanno avendo un crescente successo man mano che i produttori riescono a integrare la tecnologia molecolare con la tecnologia a semiconduttori allo stato dell'arte.

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