Når det drejer sig om hukommelse til computere og andre former for elektronik, kan den deles ind i to dele: ram-hukommelsen, der bruges til at opbevare arbejdsdata, men som slettes, når der slukkes for strømmen, og flash-hukommelse, der kan anvendes til lagring, men som til gengæld er langsommere. Begge former for hukommelse fungerer i princippet ved, at der i hver hukommelsescelle gemmes en ladning af elektroner. Denne ladnings størrelse afgør, om cellen optræder som et binært 0 eller 1.

Mens der ikke umiddelbart er problemer med at reducere størrelsen på logiske elementer som transistorer i et integreret kredsløb, forholder det sig anderledes med kondensatorer. De mindre celler giver en ustabil tilstand, hvor det efter kort tid kan være umuligt at afgøre, om der blev lagret et 0 eller et 1 i cellen. Dette skyldes, at antallet af elektroner er så lille, at der kun skal meget få forskydninger til.

Derfor leder alverdens forskere med lys og lygte efter nye teknologier, der kan afløse de eksisterende. Denne artikel er delt ind i to dele, der omhandler henholdsvis den kortsigtede og den langsigtede hukommelsesstrategi.

Tre dimensioner

Den kortsigtede løsning går ud på at anvende den tredje dimension, hvilket vil sige, at der lægges flere lag oven på hinanden. Dette kan ske på flere fundamentalt forskellige måder. Den enkleste er ganske enkelt at lægge to chips oven på hinanden og forbinde dem med små ledninger langs kanten. Metoden er ikke særligt effektiv, og de ekstra ledninger langs kanten fylder meget, hvorfor metoden ikke er særligt anvendt.

En anden metode er tsv, hvilket er en forkortelse for through silicon via, hvor der i hvert lag, som chippen består af, bores små huller. Disse huller fyldes så med et ledende materiale, der skaber kontakt mellem chippens forskellige lag.

Tsv kræver en temmelig avanceret produktionsteknologi, hvorfor de mest avancerede chips, som indtil nu er på markedet, består af fire lag og kommer fra den japanske hukommelsesproducent Elpida.

Hotte udfordringer

Når flere lag monteres oven på hinanden, opstår der et problem med at lede varmen, der genereres i de forskellige lag, væk. Derfor fungerer tsv kun med hukommelseschips, hvor der ikke genereres ret meget varme, mens teknologien ikke kan anvendes til processorer, hvor der udvikles meget større spildvarme.

Her kommer 3M og IBM heldigvis til undsætning, da de to firmaer i fællesskab har udviklet en varmeledende lim, som du kan se på siden overfor, således at chips kan limes sammen af flere lag med en lim, der leder varmen bort fra de enkelte lag, hvorfor dette kan anvendes til både processorer og hukommelseschips. Teknologien er endnu på begynderstadiet, men de to firmaer forventer at have den i fuld produktion allerede i 2013.

Ved at anvende denne teknologi håber de to firmaer at kunne konstruere chips med op til 16 lag, som kan bestå af både hukommelseslag og processorlag. Vi kan således se frem til komplette chips, der indeholder både processor, ram og flash samlet i en chip, hvilket vil gøre elektronikken nemmere at designe og billigere for forbrugerne.

Med de 16 lag er det altså lykkedes potentielt at 16-doble kapaciteten for en chip, uden at der anvendes yderligere tricks, men på længere sigt er det ikke nok.

De mest avancerede chips fremstilles lige nu i en procesteknologi, der hedder 19nm, og alt tyder på, at man ved 10nm, som vi når om et par år, bliver nødt til fundamentalt at skifte hukommelsesteknologi bort fra dram og flash – og anvende en helt ny teknologi.

Racetrack fra IBM er en seriel hukommelsestype, der ligger flere år ude i fremtiden.

Der findes to modne teknologier, som begge har mulighed for at aflæse både dram og flash, da de begge har arvet de bedste egenskaber fra begge teknologier. De er hurtige, har lavt effektforbrug, kan huske indholdet, selv når der slukkes for strømmen – og endelig kan hver enkelt bit adresseres individuelt, hvilket ikke er tilfældet for flash.

Faseskiftende hukommelse

Faseskiftende hukommelse er baseret på en metallisk legering, der kan skifte tilstand mellem amorf og krystallinsk struktur ved opvarmning. Samtidig med at der skiftes tilstand, skifter materialets modstand også, således at det efterfølgende er muligt at afgøre, om der er gemt et binært 0 eller 1, da et 1-tal fører til høj modstand, og et 0 giver lav modstand.

Faseskiftende hukommelse er langtfra en ny opfindelse, men det blev faktisk allerede beskrevet for mere end 40 år siden af Intels ene grundlægger Gordon Moore. Men på det tidspunkt var det ikke muligt at fremstille kommercielle produkter, da kvaliteten af det materiale, der skal anvendes, var for ringe.

Dette har imidlertid ændret sig, og i dag har vi alle sammen tilgang til det glasagtige materiale, der udgør grundlaget for faseskiftende hukommelse, da det er det samme materiale, der anvendes i genskrivelige cd’er og dvd’er. Den eneste forskel er, at cd’erne og dvd’erne drager fordel af materialets ændrede optiske egenskaber, når det opvarmes med en laserstråle, mens faseskiftende hukommelse gør brug af ændringen i materialets modstand, som du kan se nederst til venstre.

Faseskiftende hukommelse fungerer ved, at et glasagtigt materiale skifter tilstand og modstand under opvarmning.

Materialet, der anvendes, er en legering, der til daglig kaldes gst, hvilket er en forkortelse for den kemiske sammensætning GeSbTb – germanium, antimon og tellium.

Ved opvarmning til lidt over 600 grader celsius med efterfølgende afkøling skifter materialet tilstand fra krystallinsk til amorf. Ved yderligere genopvarmning til en temperatur lige under smeltepunktet skifter det atter tilstand tilbage til krystallinsk form.

De fleste former for faseskiftende hukommelse er omkring 100 ns om at skifte tilstand, hvilket er meget længere end dram, men koreanske Samsung har et projekt undervejs, der lover tider helt ned til 5 ns, hvor det vil kunne konkurrere med almindelig dram.

Sammenlignet med flash er levetiden meget længere, da faseskiftende hukommelse kan klare flere millioner læse- og skriveoperationer, hvor flash typisk giver op efter blot omkring 10.000 operationer. Tilmed har flash den ulempe, at data altid skal skrive i blokke, som skal slettes først, hvorfor det tager op mod 100 ns blot at ændre en enkelt bit.

Masseproduktion

Mens flashhukommelse kan masseprogrammeres inden en montering på et printkort, kan dette ikke lade sig gøre med faseskiftende hukommelse, al den stund at loddeprocessen afgiver så meget varme, at chippens indhold ændres, hvorfor programmeringen må ske efter monteringen.

Samsung har allerede for flere år siden annonceret den første chip med en kapacitet på 64MB, hvilket er langt større end den konkurrerende mram.

Samtidig har IBM udviklet en teknologi, så det er muligt at gemme op til 2 bit i hver celle, ved at finde frem til to yderligere tilstande, som hverken er helt amorfe eller helt krystallinske. Hidtil har problemet været, at det har været meget svært at gemme data uden fejl, fordi modstanden i faseskiftende hukommelse skifter, alt efter hvor lang tid der går, fra indholdet er skrevet, hvorfor man med for mange tilstande risikerer korrupte data.

En anden populær kandidat til at overtage førerfeltet er magnetisk hukommelse, der også er kendt under betegnelsen magnetoresistive memory, og som du kan se nederst til højre på foregående side. I modsætning til andre typer hukommelse gemmes data som et magnetfelt. Typisk bygges en celle op af to magnetiske plader, der er isoleret fra hinanden med et tyndt lag isolerende materiale. Den ene plade er forprogrammeret med enten en fast nord- eller sydpol, mens den anden plades polaritet kan ændres. Når de to plader har samme polaritet, anses cellen for at gemme et binært 1, mens forskellige polariteter svarer til et 0.

Magnetoresistiv hukommelse anvender to magnetiske poler (vist i rødt og grønt), der er adskilt af et tyndt isolerende lag.

Cellerne skrives ved at sende strøm gennem to ledninger, der krydser hinanden i en ret vinkel, der hvor cellen er placeret. Den ene ledning ligger over cellen, mens den anden ligger under. Når der sendes strøm gennem begge ledninger på samme tid, dannes der et felt, som vil polarisere den programmerbare plade i cellen.

Magnetisk ram er dog ikke helt uden problemer, da mindre celler giver problemer i forbindelse med programmeringen. Det har nemlig ikke indtil nu været muligt helt præcist at styre, om også nabocellerne ved en fejl blev programmeret, når chippens dimensioner blev tilstrækkeligt små, men forskere arbejder på at løse dette problem, som blandt andet kan løses ved bedre isolering mellem cellerne.

På længere sigt

IBM er blandt de ledende firmaer, når det gælder hukommelsesteknologier. En af de meget lovende teknologier går under betegnelsen racetrack memory, fordi den minder lidt om en væddeløbsplan.

Som du kan se ovenfor, går princippet ud på, at informationen gemmes som magnetiske elementer i en meget lang ledning, som bevæger felterne forbi læse- og skrivehovederne.

Denne teknologi ligger dog adskillige år ude i fremtiden, og det er stadig ikke muligt at forudsige, præcis hvor hurtig denne hukommelsestype vil være. Seriel hukommelse har tidligere været forsøgt fra blandt andet Texas Instruments, der markedsførte teknologien under betegnelsen bubble memory i 1980’erne, men aldrig havde den store succes med projektet. Chippene blev primært anvendt i firmaets egne terminaler, hvor det var muligt at gemme informationer, der skulle anvendes ved log-in, når man ringede op via et modem.

Alt i alt er der ingen grund til at bekymre sig om fremtidens hukommelsesteknologier. På kort sigt har vi tredimensionelle chips, på lidt længere sigt konkurrerer magnetoresistiv hukommelse med faseskiftende hukommelse, og på den helt lange bane dukker teknologier som racetrack op.

Det største problem i fremtiden bliver nok at overbevise programmører om, at der skal omskrives en lang række programmer, der ikke længere skal skelne mellem de forskellige teknologier, men blot kan adressere enorme mængder af hukommelse direkte.

Ifølge beregninger fra Intel tager det omkring syv år, fra en teknologi introduceres i hardware for første gang, og indtil de fleste programmer gør brug af den. Derfor forventer Intel da også i de kommende år at sende eksperimentelle processorer på markedet, der understøtter den nye teknologi. De bliver ikke verdens hurtigste, men giver programmører og designere mulighed for at komme i gang.