Nuovi paradigmi per le memorie embedded

Fra meno di dieci anni, i dispositivi connessi direttamente o indirettamente a IoT e IoE e quelli indossabili supereranno di centinaia di volte il numero delle persone che popolano il pianeta, cioè saranno dell’ordine delle centinaia di miliardi. Tali dispositivi saranno fondamentalmente basati su microcontrollori particolarmente ottimizzati per costare molto poco, quindi avranno pochissima memoria on-board e di conseguenza ci sarà un’enorme richiesta di memoria esterna con caratteristiche ultra-embedded. Il vecchio paradigma delle memorie tradizionali (Ram statiche, Ram dinamiche e Flash) non sarà più sostenibile, soprattutto per ragioni di consumo energetico e di costo. Per affrontare questo incombente problema della memoria nei sistemi embedded di attuale e futura generazione, da una parte si stanno riscoprendo vecchie tecnologie di memorizzazione come quella delle memorie Otp (Once time programmable) e dall’altra si stanno inventando nuove tecnologie di memorizzazione che rivoluzionano completamente il modello tradizionale di memorizzazione.

Memorie 3D non volatili
Intel e Micron hanno annunciato la disponibilità delle memorie non volatili 3D come alternativa alle memorie 2D correntemente in uso per ottenere una elevata densità di memorizzazione e maggiore velocità operativa. Si tratta della tecnologia 3D XPoint, sviluppata nel 2005. Questa è una tecnologia di memorizzazione transistor-less cross point che consente di organizzare le celle di memoria in strutture tridimensionali e di indirizzare le celle in maniera individuale. Il processo di lettura e scrittura è veloce ed efficiente, consentendo di leggere e scrivere i dati in dimensioni ridottissime. Fino a 128 giga celle vengono interconnesse da conduttori perpendicolari, ottenendo in tal modo una capacità di memorizzazione su singolo die di 128 Gb su due layer disposti a stack. Questa capacità di memoria può ulteriormente essere aumentata tramite un maggiore numero di layer e/o tramite la riduzione del pitch con il processo litografico. Le celle delle memorie 3D XPoint vengono lette e scritte variando la quantità di tensione inviata ad ogni selettore, eliminando in tal modo l’utilizzo dei transistor. Ciò consente di aumentare la capacità di memorizzazione e allo stesso tempo di ridurre i costi. Le ridotte dimensioni della cella consentono maggiori velocità di commutazione e tempi ridotti di propagazione. Rispetto alle memorie non volatili tradizionali, queste memorie 3D risultano molto più veloci in fase di scrittura, quindi impiegabili in applicazioni di data logging ad elevate frequenze di campionamento e particolarmente massive.

Un TeraByte su singolo die
Crossbar, una startup nata da un programma di Tech Transfer dell’Università del Michigan, da cui ha acquisito i brevetti delle Rram (Resistive Ram), ha sviluppato, commercializzato e prodotto memorie non volatili di altissima capacità di memorizzazione fino a 1 TeraByte su singolo chip. Il principio di funzionamento si basa sulla variazione di resistenza controllata elettricamente. Data questa caratteristica, la commutazione di stato logico non richiede l’utilizzo di transistor (è sufficiente un diodo), quindi si riesce ad ottenere una densità di memorizzazione decisamente superiore alle memorie basate sui transistor. La tecnologia delle Rram è compatibile con quella Cmos, quindi risulta possibile integrare questa tipologia di memoria in sistemi Cmos standard, ottenendo in tal modo sistemi su singolo chip con elevatissime quantità di memoria non volatile. La possibilità di raggiungere tempi di commutazione fino a 10 nanosecondi consente di utilizzare queste memorie non volatili con prestazioni in scrittura paragonabili a quelle delle Ram. La Rram utilizza un materiale capace di commutare lo stato resistivo inserito tra due elettrodi metallici. La commutazione avviene per il movimento di ioni in un contesto di campo elettrico o di calore.

Memorie molecolari
Un nuovo paradigma tecnologico per le memorie è basato sulla tecnologie dell’elettronica molecolare. L’elettronica molecolare studia l’applicazione dell’assemblaggio di molecole finalizzato alla realizzazione di componenti elettronici elementari utili alla implementazione di sistemi elettronici anche molto complessi come le memorie. La dimensione quasi atomica delle molecole offre il vantaggio delle ridottissime dimensioni dell’ordine di migliaia di volte rispetto alle dimensioni ancorché ridotte dei dispositivi nanoelettronici. Si tratta quindi di un impressionante salto tecnologico dalla dimensione nanometrica a quella picometrica. Ma le ridottissime dimensioni dell’elettronica molecolare sono solo uno dei vantaggi utili ai sistemi embedded e ultraembedded. Altri vantaggi sono per esempio il consumo di potenza elettrica quasi prossimo allo zero, un velocità dell’ordine delle centinaia di volte superiori a quella delle memorie Nand, un’elevatissima affidabilità. Nantero ha sviluppato e prodotto memorie molecolari utilizzando la tecnologia dei nanotubi di carbonio o Cnt. Utilizzando la tecnologia Cnt si ottengono ulteriori vantaggi rispetto alle memorie tradizionali tra cui una quantità di energia 160 volte inferiore nella fase di scrittura e praticamente zero in condizioni di standby. Un altro importante aspetto che rende questa tecnologia di memorizzazione molecolare interessante è la compatibilità con il processo Cmos, peculiarità questa che rende possibile l’integrazione di sistema su chip con una scalabilità fino a 5 nm. Quindi queste memorie, oltre ad essere realizzate come single chip, sono anche integrabili nei sistemi embedded, permettendo una più effettiva realizzazione di applicazioni ultra embedded come ad esempio i sistemi indossabili.

Fram: veloci come le Ram e non volatili come le Flash
Le Fram (Ferroelectric Ram) usano uno strato di materiale ferroelettrico per ottenere in queste memorie la proprietà di non-volatilità. Malgrado il nome, non si tratta di materiale ferroso, cioè suscettibile ai campi magnetici. La commutazione nelle Fram viene eseguita tramite campi elettrici. Il termine “ferroelectric” deriva dalla somiglianza del grafico QV (carica-tensione) somigliante alla nota curva BH di isteresi dei materiali ferromagnetici. Quando un campo elettrico viene applicato ad un cristallo ferroelettrico, l’atomo al centro del cristallo si muove nella direzione del campo. Quando il campo elettrico viene rimosso, l’atomo rimane nella posizione in cui si trova, quindi mantiene la memoria dello stato che ha subito. A differenza delle Ram dinamiche non necessita di un processo di refresh e quindi non assorbe potenza elettrica. Rispetto alle Ram statiche ha il vantaggio di non dover essere alimentate per ritenere lo stato di memoria, e allo stesso tempo sono molto più veloci. Ramtron, recentemente acquisita da Cypress, produce memorie Fram. Texas Instruments ha integrato le memorie Fram nei microcontrollori della famiglia di Mcu ultra low-power MSP430. Per esempio il MSP430FR6989 integra on-chip 128 kbyte di memoria Fram.

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