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Technologie de mémoire d'ordinateur : des anneaux de ferrite à la FRAM

Mémoire à noyau de ferrite et carte mémoire Flash               Crédit image : Wikipedia

Mémoire à noyau en anneau de ferrite magnétique

Quand j'étais un jeune homme, en 1975, je travaillais comme apprenti ingénieur et je testais des modules de mémoire d'ordinateur d'avion militaire. En y repensant, c'était probablement ce qui se faisait de mieux en termes de développement de la technologie de noyau ferromagnétique. Chaque module mesurait environ 18 x 10 x 6 cm, et contenait près de 600 000 noyaux de ferrite fournissant 32 k x 18 bits de mémoire non volatile à accès aléatoire, ou NVRAM. Chaque noyau mesurait environ 0,033 mm de diamètre et trois fils devaient entrer par le trou au centre. Aucune machine n'était suffisamment précise pour tisser cette matière métallique, donc des personnes avec des mains très stables et une excellente acuité visuelle étaient employées pour les fabriquer à la main ! Cela et les spécifications militaires complètes expliquaient leur coût de 25 000 livres par pièce – en monnaie de 1975. La mémoire à noyau exploite les propriétés d'hystérésis des matériaux ferromagnétiques qui restent magnétisés après le retrait de la force de magnétisation. Si le noyau est magnétisé dans un sens, cela peut représenter un 1 logique. Inversez la force et le noyau est inversé dans la polarité opposée – un 0 logique. Malheureusement, la méthode utilisée pour lire les données les détruit, donc un cycle de lecture doit être suivi par une réécriture de l'état d'origine.

Premières mémoires à semi-conducteurs

En 1975, il existait des puces de mémoire à semi-conducteurs : les RAM statiques Intel 2102 de 1 k x 1 bit et les RAM dynamiques 1103 de même capacité. Elles étaient utilisées dans les ordinateurs commerciaux, mais n'étaient pas considérées assez fiables pour l'environnement militaire. Le fait d'être "volatiles", c'est-à-dire qu'elles perdaient leurs données après l'arrêt de l'alimentation, n'a pas aidé non plus.

Généralement, les ordinateurs ont besoin de deux sortes de mémoire : la mémoire de programme (généralement volatile) à partir de laquelle le code d'instruction peut être lu à la vitesse nécessaire par le processeur, et une mémoire non volatile plus lente mais de plus grande capacité qui contient le code du programme à charger dans la mémoire de programme.

Technologie actuelle pour les ordinateurs à usage général (ordinateurs de bureau/portables)

Les concepteurs de PC ont toujours utilisé une forme ou une autre de mémoire RAM dynamique pour la mémoire de programme. Une fois que la technologie a avancé au point où une cellule ou un bit unique a été réduit(e) à un seul transistor et un condensateur, rien d'autre ne pouvait concurrencer en termes de densité et de vitesse d'accès. Au fil des ans, un processus de miniaturisation a eu lieu, consistant en une réduction de la taille physique de la cellule pour entasser de plus en plus de cellules de mémoire sur un morceau de silicium. La taille réduite a entraîné une augmentation de la vitesse, mais le besoin de "rafraîchir" constamment toutes les quelques millisecondes signifie que la DRAM a toujours été énergivore. Le rafraîchissement est nécessaire, car la charge sur le condensateur, qui représente l'état logique, s'échappe progressivement. La RAM statique, qui n'a pas besoin de rafraîchissement, utilise moins d'énergie et est plus rapide, semble un meilleur choix. Mais, nécessitant jusqu'à six transistors par cellule, elle ne peut pas s'approcher du même nombre de bits par puce que la RAM dynamique. Les RAM statique et dynamique sont volatiles et doivent fonctionner avec un stockage non volatil utilisant des technologies à base de bande magnétique, de disquette ou de disque dur. Les dispositifs à RAM non volatile ont été développés depuis les années 1980 mais jusqu'à maintenant, ils n'ont pas été en mesure de tenir la cadence de miniaturisation des disques durs et de la RAM dynamique, tant en capacité qu'en vitesse.

Technologie actuelle pour l'informatique embarquée

Les processeurs embarqués ont vraiment besoin de mémoire de programme non volatile, car dans la plupart des projets, il n'y a pas de place pour un disque dur ou un lecteur optique. Dans la plupart des cas, une mémoire en lecture seule (ROM) préprogrammée suffit. Une caractéristique des processeurs embarqués est qu'ils n'exécutent (habituellement) qu'une seule application, contrairement aux machines à usage général telles que les PC. Le problème est que le développement du micrologiciel nécessite souvent de nombreux cycles de programmation-débogage-modification-reprogrammation, et cela peut revenir très cher si la puce de mémoire est jetée à chaque fois qu'un bogue est trouvé.

L'amie du développeur : la ROM reprogrammable

En 1971, une cellule mémoire MOSFET à grille flottante a formé la base de la première EPROM, une puce ROM programmable et effaçable, l'Intel 1702A de 256 octets. Malheureusement, elle n'était pas électriquement effaçable, et elle devait être effacée avant de pouvoir programmer un nouveau code. Elle fonctionnait en stockant la charge sur la grille flottante qui était entourée par un isolant pour empêcher la fuite de charge – un peu comme la RAM dynamique. L'isolant était si efficace que les données pouvaient être conservées pendant de nombreuses années sans alimenter la puce.

Le prix payé pour la non-volatilité était la haute tension qui devait être appliquée pendant une (relativement) longue durée pour programmer une cellule. La puce pouvait être effacée en l'exposant à la lumière UV à haute intensité pendant environ 10 minutes dans une boîte lumineuse spéciale : le boîtier à puce était équipé d'une fenêtre à quartz transparente aux UV dans ce but. Vous pouviez alors la programmer sur une unité de programmation à usage spécial avant de la placer dans un socle sur votre carte cible. Ces dispositifs appelés, sans surprise, des EPROM UV ont dominé les conceptions embarquées pendant de nombreuses années jusqu'à ce que la technologie MOSFET à grille flottante devienne électriquement effaçable, dans ce qui est maintenant appelé la mémoire Flash.

Vous n'avez pas besoin d'un programmateur EPROM externe ou d'un effaceur à UV pour travailler avec la mémoire Flash. Mais les cycles d'écriture sont toujours lents à cause de la nécessité d'effacer et de reprogrammer des blocs plutôt que des cellules individuelles. Comme l'ancienne EPROM UV, la Flash offre à l'ingénieur des vitesses de lecture à accès aléatoire rapides, mais des vitesses d'effacement et d'écriture de bloc très lentes. Un autre inconvénient est le nombre limité de cycles d'écriture qu'une cellule individuelle peut supporter avant de tomber en panne, souvent de seulement quelques milliers de cycles. Les impulsions de programmation à tension relativement haute finissent par endommager la cellule, de façon permanente. Pour le développement d'applications embarquées, la durabilité d'écriture est rarement un problème tant qu'il existe une capacité suffisante pour les mises à jour occasionnelles du micrologiciel une fois que le produit est livré.

RAM magnétorésistive (MRAM) – Mémoire magnétique sur une puce

J'ai commencé cet article en décrivant l'une des toutes premières technologies de mémoire d'ordinateur numérique basée sur la polarité magnétique des anneaux de ferrite. La taille physique des ordinateurs a commencé à diminuer avec le remplacement des tubes thermoïoniques, initialement par des transistors discrets, puis par des circuits intégrés à semi-conducteurs de plus en plus denses. Ces développements ont permis le développement de processeurs plus petits, mais les concepteurs de puces ont toujours lutté pour trouver une technologie qui pourrait miniaturiser la mémoire non volatile à accès aléatoire à la même échelle. Vous pouviez avoir une RAM très rapide qui perd toutes les données lorsque l'alimentation est éteinte, ou une mémoire non volatile qui peut être lue à haute vitesse, mais qui impliquait des processus d'écriture complexes et lents. Peut-être ironiquement, une technologie proposée pour la première fois il y a plus de 30 ans, et inspirée par ces anneaux de ferrite magnétique, est enfin mature – la MRAM. Fondamentalement, une cellule de MRAM est une pile de trois couches composée de deux morceaux de matériau magnétique séparées par une couche de "barrière tunnel". Si les champs magnétiques des deux "aimants" sont alignés, alors la résistance électrique de la barrière tunnel est faible, et un 0 logique est lu. Si les champs sont opposés, alors la résistance est élevée, et un 1 logique est lu. Contrairement à l'ancienne mémoire à noyau, la lecture des données n'est pas destructrice, éliminant le besoin d'une réécriture. La nature précise des champs magnétiques est l'objet d'une recherche permanente, afin d'atteindre des densités de puce se rapprochant de celles des dispositifs DRAM les plus récents. Donc, où la MRAM se place-t-elle par rapport à la DRAM et la Flash ?

  • Densité. La MRAM rattrape rapidement la DRAM en bits par puce. Ce qui ralentit la progression sont les courants de lecture et d'écriture relativement hauts qui peuvent conduire à des cellules adjacentes souffrant de "perturbations" à mesure que la taille de cellule rétrécit.
  • Vitesse. La MRAM est comparable à la DRAM en termes de vitesse, contrairement à la Flash, qui offre un accès aléatoire complet en lecture et en écriture. La recherche suggère qu'elle peut aller beaucoup plus vite.
  • Consommation d'énergie. Les dispositifs MRAM sont beaucoup moins gourmands que la DRAM, tout simplement parce qu'ils sont non volatils. Les cycles de rafraîchissement fréquents nécessaires pour conserver les données dans une DRAM ne sont pas nécessaires. La MRAM ne partage pas non plus la nécessité de la mémoire Flash pour les impulsions haute tension lors de l'écriture de données.
  • Rétention des données. La MRAM, en principe, conserve les données indéfiniment, mais des courants d'écriture élevés sont nécessaires, ce qui devient problématique pour la raison indiquée dans la section "Densité" ci-dessus. La charge stockée sur une cellule Flash finit par fuir, mais pas avant de nombreuses années et probablement pas pendant la durée de vie utile de l'équipement dans lequel elle est intégrée.
  • Durée de vie. La DRAM offre une durée de vie indéfinie si elle est utilisée correctement, contrairement à la Flash qui ne peut tolérer qu'un nombre limité de cycles d'écriture. La durée de vie de la mémoire Flash peut être étendue par un "nivellement de l'usure", ce qui signifie que les écritures de mémoire sont uniformément réparties sur toutes les cellules de la puce. Cela évite la situation, sur une clé USB par exemple, où seulement la moitié de la capacité disponible est utilisée, la moitié des cellules étant souvent réutilisée et l'autre moitié jamais utilisée. Cette tâche est généralement réalisée de manière invisible par un processeur embarqué qui impose également une structure de fichier compatible avec les systèmes d'exploitation PC comme Windows et Linux. La MRAM peut avoir une durée de vie indéfinie, mais encore une fois, la taille et les courants de lecture/écriture l'affecteront.

RAM ferroélectrique (FeRAM ou FRAM)

La FRAM fonctionne essentiellement comme l'ancienne mémoire à noyau magnétique, mais avec un champ électrique plutôt que magnétique pour basculer l'élément de stockage d'un état à l'autre. Elle est appelée ferroélectrique, non pas parce qu'elle contient du fer, mais parce que la commutation de l'état d'une cellule offre la même caractéristique d'hystérésis que l'ancienne mémoire à noyau ferromagnétique. Structurellement, une cellule de FRAM est de la même forme en trois couches que la MRAM – un cristal ferroélectrique en titano-zirconate de plomb (PZT) entre deux électrodes. L'état logique est stocké sous la forme de la position d'un atome dans une molécule de PZT. La structure de base peut être semblable à la MRAM, mais le fonctionnement est plutôt similaire à l'ancienne mémoire à noyau : la lecture des données est destructive, exigeant le cycle de réécriture. La capacité de lecture/écriture à accès aléatoire de la FRAM en fait un remplacement très attrayant pour la Flash dans les applications embarquées.

  • Densité : la technologie actuelle ne peut pas rivaliser avec la DRAM en termes de bits/puce, mais les matériaux ferroélectriques plus récents promettent de plus grandes capacités.
  • Vitesse : la FRAM est plus lente que la DRAM la plus rapide, mais des dispositifs avec des temps d'accès de quelques nanosecondes sont théoriquement possibles. Cependant, la lecture destructive ajoute à la durée de cycle de la mémoire, augmentant l'intervalle entre les lectures consécutives.
  • Consommation électrique : comme la MRAM, la FRAM est un dispositif à faible consommation car aucun cycle de rafraîchissement n'est nécessaire et l'écriture de données non volatiles n'exige pas de haute tension.
  • Durée de vie : la FRAM peut tolérer beaucoup plus de cycles d'écriture que la Flash, bien qu'elle souffre inévitablement de problèmes d'empreinte et de fatigue. Pour la plupart des utilisations cependant, sa durée de vie peut être considérée comme indéfinie.

Tolérance aux rayonnements

Une caractéristique de la MRAM et de la FRAM qui les rend très attractives dans certains domaines spécialisés est leur résistance aux rayonnements ionisants, qu'ils proviennent d'éléments radioactifs utilisés dans les instruments médicaux ou de particules cosmiques dans l'espace. La taille miniaturisée des cellules de DRAM et de SRAM les rendant de plus en plus sensibles aux "Single Event Upsets" (événements singuliers perturbants), lors desquels l'impact de particules cosmiques bascule l'état d'un bit de mémoire, généralement de façon temporaire, mais parfois de façon permanente. La Flash et la SRAM sur de nombreux microcontrôleurs destinés à des applications à haute fiabilité sont équipées d'un code de correction d'erreurs pour aider à atténuer ce problème.

Aucune de ces technologies, ni d'autres (voir ci-dessous), n'est encore entièrement "mature", mais des progrès sont réalisés et des produits sont disponibles sur le marché. Cypress Semiconductor propose une large gamme de puces mémoire et Texas Instruments offre des versions de mémoire FRAM dans leur gamme MSP430FRxxxx de microcontrôleurs 16 bits.

Autre documentation

Objective Analysis: New Memories for Efficient Computing (Analyse objective : de nouvelles mémoires pour l'informatique efficace) : ce livre blanc fournit beaucoup plus de détails sur les architectures des dispositifs de mémoire numériques actuels et futurs et leurs mérites respectifs.

Si vous avez des questions sur des aspects pratiques, suivez mes messages sur Twitter. Je mets des liens vers des articles intéressants sur l'électronique et les nouvelles technologies, je retweete des publications que j'ai repérées sur les robots, l'exploration spatiale et d'autres sujets.

 

Engineer, PhD, lecturer, freelance technical writer, blogger & tweeter interested in robots, AI, planetary explorers and all things electronic. STEM ambassador. Designed, built and programmed my first microcomputer in 1976. Still learning, still building, still coding today.

22 Nov 2018, 9:07

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