Węglowe nanorurki czyli NRAM - przyszłość przechowywania informacji?

Poszukiwania nowych technologii przechowywania informacji nie ustają. Sprostanie wymogom wciąż rosnącej liczby danych, konieczności coraz szybszego dostępu do pamięci, mniejszego zużycia energii czy zwiększenia trwałości (wydłużenia czasu bezawaryjnej pracy) to wyzwania, przed którymi stają projektanci i konstruktorzy nowych rodzajów pamięci, zarówno masowej, jak i operacyjnej. W tym kontekście wydaje się, iż wyjątkowy potencjał niesie ze sobą technologia wykorzystująca węglowe nanorurki, na których oparta została konstrukcja pamięci NRAM (NanoRAM). Uważa się, iż układy tego rodzaju mają szansę całkowicie zastąpić kości typu DRAM oraz NAND/flash.

Budowa i działanie

Nanorurki węglowe mają formę jednoatomowej struktury grafenowej, są niezwykle wytrzymałe i doskonale przewodzą prąd. Rurki tworzące komórki pamięci umieszczone są na podłożu (podobnym do wykorzystywanego w konstrukcji chipów) pomiędzy dwiema elektrodami i kontrolowane za pomocą impulsów elektrycznych. W matrycy zbudowanej w tej technologii nanorurki mogą się stykać bądź rozdzielać. W ten sposób zmienia się oporność komórki, i tak określany jest ich stan logiczny. Gdy rurki się stykają, oporność spada, co interpretowane jest jako logiczne jeden. Gdy pozostają rozdzielone, oporność jest wysoka, a stan logiczny interpretowany jako zero.

Przełączanie stanów odbywa się dzięki podaniu napięcia na zaciski elektrod. Jeśli NRAM jest w stanie “0”, przyłożone napięcie powoduje przyciąganie elektrostatyczne nanorurek. Po odłączeniu zasilania utrzymanie rurek w stanie kontaktu (stan logiczny “1”), realizowane jest dzięki oddziaływaniom van der Waalsa. Jeśli komórka pamięci NRAM znajduje się w stanie logicznej jedynki, przyłożenie napięcia nieco większego niż napięcie odczytu spowoduje wygenerowanie wzbudzenia w postaci drgań sieci krystalicznej (fononów) z wystarczającą energią potrzebną do rozdzielenia złącza. Matryca pozostanie w stanie wyższej rezystancji (logiczne “0”) z powodu dużej sztywności mechanicznej architektury komórki.

Charakterystyka

Układy pamięci budowane w oparciu o tę technologię przez firmę Nantero nie wymagają zasilania podtrzymującego stan komórki pamięci - jest to zatem rodzaj pamięci nieulotnej. Nawet po odłączeniu zasilania dane pozostają zapisane nie znikając z komórek pamięci.

Komórki pamięci NRAM cechuje niezwykła trwałość przechowywania informacji. Szacuje się, iż konstrukcja komórki pamięci w oparciu o węglowe nanorurki zapewnia ciągłość przechowywanej informacji na poziomie około 10 000 lat w temperaturze pokojowej. Nawet w temperaturze podwyższonej do kilkuset stopni Celsjusza trwałość komórki wypełnionej informacją oscyluje na poziomie 300 lat. Są więc niezwykle odporne na niekorzystne warunki zewnętrzne, w tym także promieniowanie występujące w przestrzeni kosmicznej. 

Nanorurki mogą zmieniać swój stan logiczny dowolną ilość razy. Nie podlegają zużyciu, jak to ma miejsce w przypadku NAND. Podczas testów ich parametry nie zmieniały się nawet po czterech miliardach przeprowadzonych cykli kasowania i zapisu informacji. 

NRAM pracują porównywalnie szybko do pamięci DRAM, czasy dostępu są znacznie mniejsze niż w przypadku pamięci NAND, a nawet 3D Xpoint. Zdaniem Nantero pamięć tego typu łączy zalety DRAM i NAND, przy zachowaniu niższych kosztów produkcji i wyższej gęstości komórek (możliwość uzyskania większych pojemności pamięci) niż w przypadku DRAM.

Komórki NRAM zużywają także znacznie mniej energii niż ich konkurencja w postaci DRAM i NAND, co ma szczególne znaczenie dla urządzeń mobilnych, których okres pracy na jednym ładowaniu ma szansę się wydłużyć. Mniejsze zużycie energii to również znacznie wyższa wydajność zapisu, która jest w dużej mierze określona przez wymagany, w tym przypadku mniejszy, ładunek do ustalenia stanu komórki pamięci.

Czy pamięci zbudowane z nanorurek węglowych zastąpią DRAM i NAND? Odpowiedź na to pytanie zweryfikuje niedaleka przyszłość.

Pavel Kroupka