Memorie: evoluzione o rivoluzione?

MEMORIE –

La tecnologia di memorizzazione sta evolvendo verso soluzioni alternative ad alte prestazioni e a costi ridotti. Le Dram diventano sempre più veloci ma anche sempre più specializzate e le non volatili adottano architetture e interfacce innovative, con le Nor che non perdono terreno sulle Nand.

Spunti interessanti provengono dai più recenti eventi statunitensi dedicati al segmento delle memorie, cioè ai circuiti integrati che da sempre hanno guidato l'innovazione in termini di densità di integrazione e di tecnologie di cella. La Nvm Conference organizzata da Webfeet Research e la Memcon Conference Denali hanno evidenziato il fatto che la tecnologia sta divergendo dal percorso tradizionale (basato sostanzialmente sulla progressiva riduzione delle dimensioni circuitali) per adottare soluzioni alternative che permettano di offrire soluzioni ad alte prestazioni e a costi ridotti per i vari segmenti di mercato. Le Dram diventano sempre più veloci ma anche sempre più specializzate per le diverse applicazioni, privilegiando ad esempio i bassi consumi, oppure la banda o ancora dimensioni e minimo numero di pin con interfacce seriali. Anche le memorie non volatili progrediscono grazie soprattutto all'evoluzione dei processi produttivi ma anche adottando architetture e interfacce innovative, con le Nor che, date prematuramente come fuori dai giochi stanno riuscendo a non perdere troppo terreno rispetto alle Nand, pur in periodi di grandi turbolenze di prezzi e domanda. Nel segmento delle Ram per le applicazioni di grafica, l'architettura Gddr (acronimo per Graphics Double Data Rate), ha sostituito la Vram ed è attualmente alla sua quinta generazione (Gddr5). Utilizzata nelle schede video per memorizzare temporaneamente informazioni necessarie al rendering della scena, ad esempio, le texture, per evitare di usare la memoria di sistema impiegando più tempo. La caratteristica distintiva delle memorie video è infatti la velocità, che deve essere sufficientemente elevata da seguire le elaborazioni dei moderni processori grafici, a cui sono collegate con un bus con ampiezza che può arrivare fino a 384 bit. Il formato Gddr5è apparso sul mercato con i primi chip Qimonda (ex Infineon) che ha però cessato la produzione in quanto attualmente in amministrazione controllata, ed è stato adottato anche da Samsung, Elpida Memory e di recente anche Winbond, che proprio da Qimonda ha acquisito la licenza. Il formato GDDR5 è in grado di garantire un transfer rate elevatissimo (ad esempio per i chip Samsung 24 Gbit/s), contemporaneamente a un risparmio energetico riducendo la tensione di funzionamento a 1,5 V. Utilizzano un prefetch a 8 bit, ma offrono alcune innovazioni; tra cui l'uso di due frequenze di clock, CK e WCK (la seconda lavora a frequenza doppia rispetto alla prima). Elpida propone chip realizzati con processi a 65 μm, densità da 1 Gb e velocità di clock pari a 1500 MHz.

Memorie ad accesso casuale senza condensatore
Alla terza generazione sono anche le Z-Ram floating body a cui sta lavorando l'azienda statunitense Innovative Silicon (Isi). Z-Ram, sta per Zero-Capacitor Ram, cioè per memoria ad accesso casuale senza condensatore e prevede l'impiego della tecnologia Soi (Silicon-On-Insulator) che permette di sfruttare un effetto floating body grazie al quale si viene a creare una capacità fra il transistor e lo strato sottostante, separati dallo strato isolante di ossido. Il risultato è la possibilità di memorizzare l’informazione binaria, utilizzando un unico transistor per cella, a differenza di quanto avviene nelle memorie Sram, che utilizzano sei transistor per elemento di memoria e dalle Dram che utilizzano appunto una coppia transistore-condensatore in ciascuna cella. Caratterizzate da elevata velocità di accesso (pari alle Sram), le Z-Ram si apprestano a diventare le memorie a più alta densità di memorizzazione disponibili sul mercato anche se sono anche penalizzate da costi di produzione relativamente alti (superiori a quelli dei dispositivi con cui competono); la tecnologia viene comunque ha richiamato anche l'interesse di grandi costruttori, come Hynix.

Lo standard per le interfacce delle memorie
Uno degli sviluppi più interessanti nel mercato delle memorie è la creazione del gruppo di lavoro dedicato alle Spmt (Serial port memory technology), cioè a quello che dovrà essere il nuovo standard aperto per le interfacce delle memorie degli apparati di telefonia mobile. L'obiettivo del gruppo, che comprende tra gli altri Arm, Hynix Semiconductor, LG Electronics, Sony Ericsson e STMicroelectronics, è di definire una tecnologia che riduca il numero di pin del 40 % almeno rispetto alle normali memorie Ddr, con una banda da 3 a 12 Gbyte/s e oltre e riducendo anche i consumi di I/O per salvaguardare la durata delle batterie dei dispositivi.

Un’interfaccia per le non volatili
Nel segmento delle memorie non volatili invece è attivo il gruppo Nvmhci che punta a definire una interfaccia standard di programmazione software dei dispositivi non volatili che verrà utilizzato per accedere alle memorie Nand delle memorie di massa a stato solido. Con in testa Intel, ma anche con i contributi di Dell e Microsoft il gruppo tenta di lavorare in modo complementare all'analoga iniziativa della Onfi (Open Nand Flash Interface) che mira a ottimizzare la circuiteria che collega la memoria e il relativo controllore, mentre il gruppo Nvmhci si occupa di un livello superiore, tra controllore e sistema operativo. In termini di dispositivi, i produttori di memorie Nand (guidati da Samsung e Toshiba ma dove sono protagonisti anche Sandisk, Hynix, Micron, Intel e altri) hanno ormai adottato nella quasi totalità le architetture a singolo o doppio bit per cella con i primi esemplari di circuiti a quattro bit per cella in via di realizzazione, ad esempio utilizzando la tecnologia Mirrorbit sviluppata alcuni anni fa da Amd e Saifun e dai dispositivi flash multilivello attualmente proposti da Spansion (che in realtà ha ereditato le competenze sia di Amd che di Saifun). La strutture di cella multilivello sono oggetto di notevoli indagini e la cosiddetta tecnologia Nrom (celle che presentano uno strato di nitruro di silicio in prossimità delle giunzioni di source e drain inserito tra due strati di ossido) promette di raggiungere il traguardo dei sei bit per cella.

Arrivano le EcoRam
Sempre Spansion, pur in gravi difficoltà finanziarie, cerca anche altre vie per rivitalizzare le proprie Nor (segmento ristretto a pochi attori e in cui è protagonista insieme a Micron/Numonyx, seguiti a distanza da Samsung Macronix) ha lanciato anche una nuova tecnologia di memorie non volatili mirate a sostituire le classiche Dram nel segmento dei computer server: si tratta delle EcoRam, il cui punto di forza è già esplicitato dal nome stesso. Un ridotto consumo di energia, fino al 75% in meno a parità di dimensioni di memoria. I dispositivi dovrebbero essere in grado di offrire le stesse velocità in lettura ad accesso casuale e da due a quattro volte maggiore velocità in scrittura rispetto alle flash Nor, maggiore affidabilità rispetto alle memorie dinamiche ed eccellente densità di integrazione (da due a quattro volte rispetto a quella delle Nor tradizionali floating gate). Naturalmente non mancano progressi e nuovi sviluppi anche sui prodotti non tradizionali, dalle memorie a cambiamento di fase alle resistive e magnetoresistive. e ad altre soluzioni futuristiche che però difficilmente saranno tradotte in prodotti commerciali prima di due tre anni. Gli annunci più recenti riguardano le memorie Conducting Bridge (CBRam) (una variante delle RRam) di Adesto, le Nand in tecnologia Cmox proposte da Unity, le QsRam di QS Semiconductor basate su tecnologia che prevede l'uso del carburo di silicio e le memorie magnetiche ST-MRam allo studio presso Avalanche Technology.

La tecnologia a cambiamento di fase
La soluzione più promettente (a giudicare anche dal numero di aziende impegnate a proporre i primi esemplari) sembra quella basata sulla tecnologia a cambiamento di fase o Pcm (Phase-change memory), per realizzare memorie non volatili in cui il materiale è un composto di Germanio, Antimonio e Tellurio (Ge2Sb2Te5), in grado di cambiare fase (cristallina o amorfa) in modo reversibile e controllato tramite la corrente di programmazione che attraversa la cella di memoria. Il concetto è in sintesi identico a quello applicato nei dischi ottici, in cui il cambiamento di fase comporta il cambiamento di riflettività. I primi esemplari di memorie Pcm dimostrano caratteristiche di stabilità, affidabilità e, soprattutto, scalabilità, della tecnologia veramente promettenti e i grandi nomi (Micron, ST, Samsung, Intel, e altri) sono ormai pronti alla commercializzazione in volumi.

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