Minneskapslar och kapselminnen

Det ser ut som att det så populära flyktiga primärminnet kommer att få lämna över till icke-flyktiga minnen. Vad vore trevligare än att kunna stänga av sin dator (strömförbrukning noll) och sedan bara slå på den senare och fortsätta precis där man var, utan att behöva vänta på att operativsystemet, programmen och arbetsdata ska behöva hämtas in från hårddisken igen?

Spinntroniken är fascinerande, framför allt för att dess kvantfysiska effekter kan tillämpas i rumstemperatur. Därför finns det numera Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) som arbetar genom att lagra bitarna på magnetisk väg, ungefär som kärnminnet, bara i mycket mindre skala. Till skillnad från kärnminnet nyttjar läsningen emellertid elektronernas spinn, deras magnetiska egenskaper.

MRAM från Everspin. Låtsas vara DDR3-minne och klarar 800 megatransfers per sekund.

Minnesenheten kallas för ett magnetiskt tunnlingselement (MTJ, magnetic tunnel junction). I korthet går det ut på att man tvingar en ström att gå igenom ett magnetiskt skikt, varvid elektronerna riktar sitt spinn i enlighet med skiktets fältriktning. Sedan tunnlar de och kommer fram till det andra magnetiska skiktet. Är elektronernas spinn riktat åt samma håll som det andra skiktets fält går det lätt för dem att ta sig igenom, vilket motsvarar en hög ström (etta), men ska de byta spinnriktning blir det bökigt för dem, vilket är detsamma som en högre resistans och en lägre ström (nolla).

Den grön-vit-blå stapeln är MTJ-enheten och de vita pilarna visar hur magnetfälten ligger. Fältet kan reverseras i det övre, gröna, fria lagret, medan det ligger fast i det blå lagret. MTJ-stapeln utgör den lagrade databiten och det gröna lagret ”skrivs” genom att man lägger på lämplig ström genom bit- och ordledarna.

Magnetfälten korsas i MTJ-stapeln och blir där tillräckligt kraftigt för att ställa om fältet i det fria, gröna lagret, medan staplarna runt omkring förblir opåverkade. (Man får bättre styrning på magnetfältet genom att omge bit- och ordledningarna med ett lager permalloy eller motsvarande metall som koncentrerar fältet.)

Utläsningstransistorn används för att läsa ut en enskild bit, genom att jorda MTJ i ena änden. Lägger man på en spänning på bitledningen och mäter strömmen som tunnlar genom tunnlingslagret kommer man att få hög eller låg ström, motsvarande en etta eller nolla. Till skillnad från flashminne som kan slitas ut, tål MRAM i teorin hur många skrivningar som helst.

En gammal dröm för varje elektronikkonstruktör är att kunna stapla flera kiselchipar på varandra inuti samma kapsel och spara plats på kretskortet. På en vanlig DIMM ligger minneskapslarna bredvid varandra på mönsterkortet och det går åt massor av tvärförbindelser. Ovan syns kopparmönstret för ett typiskt DDR3-kort. Ungefär halva kortytans båda sidor går åt till tvärförbindelser i form av adressledare.

Micron Technology har lyckats göra genomgående ledare genom kiselbitarna och därmed kunnat stapla flera stycken på varandra, i vad man kallar Hybrid Memory Cube (HMC). Bilden visar hur man staplat fyra DRAM-chipar ovanpå en styrkrets. En HMC-stapel är tänkt att inneslutas direkt i en BGA-kapsel, en kapseltyp med bollar inunder. Du ser anslutningarna till bollarna som pinnar underst i stapeln på bilden. DDR3-chiparna är inte standard, utan har försetts med extremt många parallella dataledare, som gör att man kan pressa upp prestanda till 160 GBps.

3D Xpoint (3D crosspoint) är en hemlig, ny spelare. Intel och Micron släppte nyheten om den nya minnestypen i juli 2015 men vill inte berätta exakt hur den fungerar. Det är uppenbarligen en tredimensionell struktur med korsande adressledare med en hemlig komponent i varje korsning kallad ”selector” som både kan skriva och läsa den lilla bit av resistivt material som sitter inunder, vars resistans man tydligen kan förändra permanent. Enligt presentationen verkar man kunna skriva med en hög spänning och läsa med en lägre.

Intel kallar konstruktionen för ”transistorlös” och anger att den ska klara 1 000 gånger flera skrivcykler än NAND. Åtkomsttiden ska hamna kring tiotals nanosekunder. Själva tanken med att stapla flera lager av kretsar på varandra är återigen att spara plats.

Förväxla inte 3D Xpoint med 3D NAND som är ytterligare en ny typ av NAND-flashminne, där man staplat flera kiselbitar på varandra. För närvarande gäller 32 våningar, men det kan komma att öka

Tro inte att den här artikeln har täckt in alla nya minnestekniker som ständigt sprutar fram. Se den mera som ett urval. Konkurrensen är stenhård och vi kommer att få se mycket mera av HBM, T-RAM, Z-RAM, millipede memory, FJG, SHINOS, SONOS och andra märkliga bokstavskombinationer. Hur många av dem som slutligen hamnar på ett moderkort nära dig är en helt annan fråga.

Även sekundärminnena står ständigt inför nya revolutioner. Solid State-diskarna tycks numera ha vunnit insteg i de allra flesta nyproducerade datorer.

Vad sägs om två terabyte på en USB-sticka? Inte nu, men det kommer!

Packningstätheten hos de bärbara sekundärminnena rusar vidare. Inom kort kommer en 2 terabytes USB-pinne att finnas på butiksdiskarna. Och varför stanna där? 5 terabyte verkar överkomligt. Digitalkamerornas megapixelrace verkar ha stannat vid omkring 15 megapixel, vilket blir till i medeltal 5 MB per bild i form av jpg-filer.

Det är osannolikt att en hobbyfotograf tar mer än cirka en miljon bilder under sin livstid. Hela ditt kreativa liv kan således snart samlas på en enda USB-pinne. Nu behöver vi bara digitalkameror som man kan stoppa en USB-pinne i direkt och aldrig mera behöva byta minne.