- Door
- dr. Serge Gielkens
- geplaatst op
- 7 juni 2016 08:00 uur
Er bestaan verschillende technologieën om geheugen te fabriceren. Bekend is natuurlijk flashgeheugen dat voor vele toepassingen gebruikt wordt, met name in solid state drives. Een andere technologie is PCM dat staat voor phase-change memory. Dit type geheugen is eveneens non-volatiel en heet ook wel PRAM. PCM-technologie bestaat weliswaar al sinds de jaren 70 maar heeft tot nu toe weinig ingang gevonden in de geheugenmarkt. Recentelijk is IBM erin geslaagd om stabiel PCM-geheugen met hoge dichtheid te maken. Deze ontwikkeling brengt commerciële productie op grote schaal een stuk dichterbij.
Fases bepalen bits
Een geheugenmodule bestaat uit eenheden die cellen worden genoemd. Elke cel is een bit. De fysieke toestand van een cel bepaalt of dit de binaire waarde 0 of 1 voorstelt. Voor phase-change memory wordt een zeker type glas als geheugenmateriaal gebruikt. Dit glas kan in vaste vorm twee toestanden aannemen. Normaliter is het amorf zoals gewoon, alledaags glas maar kan ook kristallijn zijn zoals suiker. De amorfe variant heeft een hoge elektrische weerstand terwijl in kristallijne vorm het materiaal goed geleidend is. Deze fysieke eigenschap bepaalt of de cel een 0 of 1 bevat.
De gebruikte glassoort wordt trouwens ook toegepast in herschrijfbaar optisch geheugen zoals een DVD-RW. Bij deze schijfjes wordt het verschil in reflectievermogen van de amorfe en kristallijne fase gebruikt om verschil te maken tussen een binaire 0 en 1.
De fase van het glas kan veranderd worden onder invloed van temperatuur. Voor de zojuist genoemde DVD-RW doet de laser van de brander dat. Bij PCM wordt met behulp van elektrische stroom de temperatuur gevarieerd. Een gematigde temperatuurstijging gedurende enige tijd brengt het materiaal in de kristallijne toestand. Een kortstondige maar sterke temperatuurstijging brengt het glas weer terug in de amorfe toestand.
Pros en cons
PCM is snel voor zowel schijf- als leesoperaties. Het uitlezen van een bit gebeurt in de orde van 100ns. Het zetten van een bit kost tussen de 10 en 100 μs. Dit is veel sneller dan flash waar het uitlezen zo’n 30 μs duurt en het zetten van een bit ongeveer 300 μs kost.
Bij PCM kan per cel het bit naar believen op 0 of 1 gezet worden. Bij flash daarentegen kan wel een enkel bit gezet worden maar om het vervolgens weer terug te zetten moet een wisoperatie uitgevoerd worden op een heel blok van cellen ineens. Deze operatie kost veel tijd, meer dan 1ms. Een PCM cel kan bovendien 10 miljoen schrijfcycli aan. Bij flashgeheugen is dat beperkt tot 100.000 cycli voor high-end flashproducten.
Natuurlijk zijn er ook nadelen. Zo is stabiliteit van de fase gedurende langere tijdsperioden problematisch. Met name temperatuurschommelingen van de omgeving vormen een probleem om de data betrouwbaar uit te lezen. De achilleshiel echter is de zogenaamde drift. Dit houdt in dat de elektrische weerstand van de amorfe toestand in de loop der tijd heel langzaam toeneemt. Als gevolg hiervan kan op den duur soms niet meer duidelijk zijn of er een 0 of 1 in de cel is opgeslagen.
Multiple bits
Zoals hierboven gemeld representeert de fase van het glas de waarde van het bit, d.w.z. 0 of 1. Tot voor kort was bekend dat het glas zich behalve in de kristallijne en amorfe in nog twee andere tussenfases kon bevinden. Hierdoor is het mogelijk om twee bits per cel op te slaan. Immers, de vier toestanden kunnen binair gepresenteerd worden door 00, 01, 10 en 11. Hierdoor kan men op een geheugenmodule twee keer zoveel informatie opslaan. Dit staat bekend als multi-level cell (MLC) geheugen. Dit is overigens ook mogelijk bij flash waarbij zelfs meer dan twee bits per geheugencel wordt toegepast.
Heel recentelijk is IBM erin geslaagd om voor PCM drie bits per cel op te slaan. Hierdoor zakt de prijs per geheugenbit sterk en komt die meer in de buurt van flash. Nog belangrijker is dat dit geheugen stabiel blijft, ook bij hogere temperatuur. Hiertoe gebruikt IBM programmeertechnieken in de geheugenmodule die rekening houden met fluctuaties in elektrische eigenschappen als gevolg van temperatuurschommelingen. Ook de hierboven aangehaalde drift heeft IBM omzeild door een nieuwe meetmethode.
Tot slot
De resultaten van IBM betreffen laboratoriumomstandigheden. De techniek is volgens IBM nog niet productierijp. Dit lijkt vooralsnog alleen maar een kwestie van tijd. Als dit type PCM commercieel verkrijgbaar wordt, is het een serieuze concurrent voor flash en mogelijk zelfs voor DRAM. Die laatste is niet alleen volatiel maar heeft ook continu stroom nodig voor het zogenaamde refreshen van het geheugen om de data vast te houden tijdens operatie.
