حافظه های دیجیتال از DRAM و NAND فلش تا فناوری های نوظهور: اصول عملکرد، مقیاس پذیری، قابلیت اطمینان و محاسبات درون حافظه

حافظه های دیجیتال به عنوان یکی از ارکان بنیادین تمام سیستم های محاسباتی مدرن، طی شش دهه از هسته های مغناطیسی و DRAMهای اولیه تا NAND فلش سه بعدی با بیش از ۲۰۰ لایه و فناوری های نوظهور غیرفرار تکامل یافته اند و بازار جهانی آن ها در سال ۲۰۲۰ به بیش از ۱۲۰ میلیارد دلار رسیده است. این مقاله با مرور پیشینه ی پژوهشی از اختراع DRAM توسط دنارد (۱۹۶۸) تا حافظه های محاسبه ای سباستین و همکاران (۲۰۱۸) و همچنین تحلیل داده های تجربی گزارش شده توسط دنارد (۱۹۶۸)، ماسوئوکا (۱۹۸۴)، واسر و آونو (۲۰۰۸)، جاپی و همکاران (۲۰۱۷)، سباستین و همکاران (۲۰۱۸)، اینتل و میکرون (۲۰۱۵)، Everspin (۲۰۱۰)، سامسونگ (۲۰۱۳)، میکرون (۲۰۲۱) و ITRS (۲۰۱۸)، نشان می دهد که سلول DRAM از ۰.۲۵ میکرومتر مربع در سال ۲۰۱۰ به ۰.۰۲ میکرومتر مربع در سال ۲۰۱۸ کاهش یافته و NAND فلش سه بعدی با ۲۰۰ لایه چگالی ۲.۳ ترابیت بر میلی متر مربع و زمان خواندن ۵۰ میکروثانیه ارائه می دهد. STT-MRAM زمان دسترسی ۳۵ نانوثانیه و دوام ۱۰^۱۵ سیکل، RRAM نسبت مقاومت ۱۰۰ و زمان سوئیچینگ ۱۰ نانوثانیه، و ۳D XPoint زمان دسترسی ۲۵۰ نانوثانیه دارند. محاسبه درون حافظه با آرایه های RRAM بهره وری انرژی را تا ۵۰ برابر معماری وون نویمن برای ضرب ماتریس بهبود می بخشد و TPU گوگل با بهره وری ۱.۲۷ ترا عملیات بر وات، ۳۴ برابر کارآمدتر از پردازنده گرافیکی معادل است. نشتی جریان در سلول های DRAM از ۱۰ فمتوآمپر در سال ۲۰۱۰ به ۲۰۰ فمتوآمپر در سال ۲۰۱۸ افزایش یافته که نشان دهنده ی چالش جدی مقیاس پذیری است. نتیجه گیری اصلی بر ضرورت گذار به حافظه های سه بعدی با بیش از ۵۰۰ لایه، محاسبات درون حافظه برای هوش مصنوعی، مواد دوبعدی برای ابعاد زیر ۵ نانومتر و فناوری های نوظهور غیرفرار تاکید دارد. در ادامه، شانزده پیشنهاد در چهار دسته ی پژوهشی، فنی-طراحی، هنجاری-استانداردسازی و آموزشی-ترویجی ارائه شده است که شامل مواد دوبعدی، چیپ محاسبه درون حافظه، NAND فلش ۵۰۰ لایه و بازنگری استانداردهای JEDEC می باشد.

کلیدواژه ها:

حافظه دیجیتال ، DRAM ، NAND فلش ، حافظه غیرفرار نوظهور ، STT-MRAM ، RRAM ، محاسبه درون حافظه ، مقیاس پذیری