Un futuro sempre più embedded per le memorie

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Le crescenti esigenze di maggiori velocità di clock e minori consumi di potenza hanno fatto sì che le memorie siano diventate così simili per caratteristiche logiche ed elettriche agli altri circuiti integrati, da potervi essere integrate a bordo senza difficoltà. Ma le tecnologie di memorizzazione non si sono evolute solo sotto la spinta della richiesta di sempre più ampie bande di frequenza, ma anche per la crescente necessità di dispositivi non volatili semplici da programmare, ovvero del tipo “zero programme time”.

RAM non volatili

Si provi ad esempio a immaginare di spegnere il PC con ancora numerose applicazioni aperte, con la certezza che nel momento in cui si riaccende l’apparecchiatura si potrà trovare una situazione identica a quella dell’istante di spegnimento, con le stesse applicazioni aperte. Certamente si tratta di un bel vantaggio rispetto a quello di dover chiudere tutte le applicazioni e successivamente ricordarsi di tutte le pagine alle quali si sta lavorando, nonché il valore aggiornato di ogni parametro. Ciò potrebbe tramutarsi in realtà se le memorie non volatili continueranno a seguire l’attuale ritmo di crescita in termini di capacità e prestazioni. È ormai quasi certo che la prossima generazione di memorie RAM embedded non volatili sia prevalentemente contesa fra le due tecnologie attualmente più accreditate: le RAM ferroelettriche, FRAM (Ferroelectric RAM), e le RAM magnetiche, MRAM (Magnetic RAM). Infatti, sebbene le attuali memorie SRAM e Flash siano già realizzabili in forma embedded, la loro integrazione a bordo degli altri sistemi non è però svincolata da limitazioni e precauzioni. Il maggior pregio delle SRAM è la velocità. Le più recenti tecnologie “zero bus turnaround time” consentono tempi di accesso ai dati inferiori a 5 ns a costi contenuti, anche se leggermente superiori a quelli delle memorie flash. Il principale svantaggio delle SRAM è quello di essere volatili: togliendo alimentazione il contenuto viene perso, il che significa dover prevedere delle batterie ausiliarie per poter conservare i dati contenuti anche in assenza di alimentazione. Le memorie flash sono non volatili, alimentabili a bassa tensione (ce ne sono anche da 1.8V) e sono economiche. Il loro principale svantaggio è costituito dalla programmazione meno semplice rispetto alle SRAM, il che significa che per la messa a punto e l’esecuzione delle istruzioni ci vuole più tempo, un fattore purtroppo decisivo soprattutto nei sistemi di telecomunicazione ad alta velocità. Inoltre, ciò si traduce in una minore affidabilità nei cicli di scrittura/lettura, anche se i produttori promettono che le cose stanno migliorando. Alcune recenti tecnologie per SRAM sincrone sviluppate, per esempio, da SST e AMD, riducono i tempi d’accesso ai dati a 25 ns, grazie alla suddivisione della memoria in più blocchi e alla capacità di eseguire la lettura di un blocco simultaneamente alla scrittura su un altro blocco. Le nuove tecnologie hanno notevolmente migliorato le prestazioni delle memorie, ma non a sufficienza da poter consentire di spegnere un PC conservando lo stato delle applicazioni in esecuzione. A questo, potranno probabilmente provvedere le nuove memorie FRAM e MRAM.

Memorizzare nei reticoli

La sostanziale novità di entrambi i due nuovi tipi di memoria consiste nello sfruttare in modo differente le proprietà atomiche dei cristalli di semiconduttore, o meglio dei reticoli atomici che li formano: le FRAM, relativamente alla risposta in presenza di un campo elettrico; le MRAM, nei riguardi della risposta all’applicazione di un campo magnetico. In altre parole, le informazioni non vengono più memorizzate nei transistor, o nelle capacità, ma all’interno del reticolo dei cristalli di silicio. Pioniere nelle tecnologie FRAM è stata Ramtron, che rimane ancora il fornitore più all’avanguardia in tutti i tre i formati in cui si producono le FRAM, dinamiche, statiche e flash. In genere, queste memorie sono piccole, veloci, affidabili nella fase di scrittura, alimentabili a basso voltaggio e parsimoniose nei consumi. Inoltre, le tecnologie per l’industrializzazione della loro produzione sono le stesse già sviluppate per le memorie SRAM ed EEPROM, il che consente di fabbricarle da subito, senza grandi trasformazioni degli impianti. Inoltre, sono realizzabili senza difficoltà in forma embedded ed altrettanto facilmente integrabili all’interno dei sistemi-su-silicio. L’unico problema è che sono ancora un po’ costose, in confronto alle SRAM e alle flash. Le migliori FRAM attualmente prodotte da Ramtron sono formate da reticoli cristallini di piombo-zirconio-titanio (PZT), ai cui atomi viene applicato un campo elettrico che li sposta a un differente stato energetico, in corrispondenza della memorizzazione di un simbolo. Colin Weaving, direttore tecnico di Future Electronics, si dichiara ottimista su questa tecnologia, spiegando però che “ci vorrà un certo periodo di ‘gestazione’, necessario per veder scomparire l’attuale enorme parco installato di memorie SRAM e flash”. Weaving, inoltre, pensa che “la tecnologia FRAM abbia ancora consistenti spazi di crescita e di miglioramento in termini sia di caratteristiche elettriche sia di prestazioni logiche”. Per quanto riguarda le memorie MRAM, bisogna subito precisare che la tecnologia è ancora in fase di sviluppo e non si prevede l’introduzione in volumi di alcun prodotto finito prima del prossimo anno. Pioniere di queste memorie è Cypress Semiconductor.

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