חוקרים מ-IBM: פיתחנו זיכרון מחשב מהיר פי 50
19 ביוני, 2016 זמן קריאה משוער 5 דקות 5 ד׳
טכנולוגיית ה-PCM נחשבת כבר שנים להבטחה גדולה, אבל עד כה לא הצליחו להפיק ממנה זיכרון מסחרי יעיל. האם כעת הושגה סוף סוף פריצת הדרך?
אחד האתגרים הגדולים בעידן המידע שבו אנחנו חיים הוא איך לשמור כמה שיותר מידע לאורך זמן, במהירות ובזול. מאמצים רבים מופנים בשנים האחרונות לפתרון הבעיה, וכעת הודיעה קבוצת חוקרים ממעבדות IBM בציריך שהגיע לפריצת דרך בתחום. שיפור שהשיגו בטכנולוגיית זיכרון מחשב בשם Phase Change Memory (או בקיצור PCM), יאפשר אולי לייצר זיכרון מחשב בלתי נדיף – כלומר כזה ששומר על המידע שבו גם בלי שמופעל עליו מתח. החוקרים טוענים שהזיכרון הזה יהיה מהיר פי 50 ויותר מטכנולוגיות הזיכרון הקיימות.
שמירה בלתי נדיפה, למשל על התקני החסן נייד (Disk on key), נעשית כיום באמצעות זיכרון פלאש. זיכרון ה-PCM הרבה יותר מהיר ממנו, אך עד כה לא היה לו שימוש מסחרי בשל עלות הייצור הגבוהה שלו. פריצת הדרך הנוכחית תאפשר לייצר תאי זיכרון PCM עם קיבולת גדולה יותר בכל תא. כך יידרשו פחות תאי זיכרון בכל התקן ועלות הייצור הכוללת תהיה נמוכה יותר.
משל החתונה
כדי ליצור זיכרון מחשב, המערכת צריכה להציע שתי תכונות עיקריות: ראשית, צריך שתהיה אפשרות לכתוב לזיכרון, כלומר לקבוע את המצב של המערכת בצורה יציבה, בלי שתשתנה לאחר מכן בלי פעולה יזומה מצדנו. שנית, עלינו להיות מסוגלים לקרוא את הנתונים בלי שעצם הפעולה תגרום לשינוי המצב, אחרת הזיכרון שלנו "ישכח" אותם.
יש כמובן דרכים רבות לייצר מערכות כאלה, ומאחר שמחשב הוא מערכת חשמלית, גם רוב הדרכים הללו לקריאה וכתיבה מתבססות על חשמל. המידע שנשמר במחשב מיוצג על ידי שני מצבים – אחד שמסומן "0" והשני שמסומן "1". באמצעות רצפים ארוכים של אפסים ואחדים אפשר לייצג כל מידע שאנו שומרים על המחשב, החל בטקסט של אנציקלופדיה, דרך גיליונות אקסל וכלה בפרקים של "משחקי הכס".
ב-PCM, שמירת המידע מסתמכת על חומרים שאפשר לשנות את התנגדותם החשמלית אם מעבירים דרכם זרם חשמלי. כדי להבין את זה, דמיינו קבלת פנים של חתונה באולם עמוס. אנשים מתגודדים סביב שולחנות הקפה הפזורים בחדר ומשוחחים. יש באולם כמה צבירים כאלה של אנשים והם ממלאים את כולו. אם תעמדו בצד אחד של החדר ותרצו להגיע אל בר המשקאות שבצד השני, תתקשו לפלס את דרככם בין צבירי האנשים וההתקדמות תהיה אטית. בזמן ארוחת הערב לעומת זאת, כשכולם יעמדו בתורים מסודרים כדי להעמיס את הצלחות במזנון, יהיה פשוט מאוד לתמרן בין התורים ולהגיע לבר.
זהו בדיוק האפקט שעליו ה-PCM מתבסס. לחומר שבו משתמשים כאן יש שני מצבים: אמורפי או גבישי. בצורה האמורפית, המבנה המיקרוסקופי של החומר אינו מסודר והוא עשוי כצבר של גבישים קטנים שמצביעים לכיוונים שונים במרחב. המצב הזה משול להתגודדות האנשים סביב שולחנות הקפה ומתבטא בהתנגדות חשמלית גבוהה.
לעומת זאת, במצב הגבישי החומר כולו מסודר היטב וההתנגדות החשמלית נמוכה. כשמזרימים בחומר זרם חשמלי חזק הוא עובר ממצב אחד למשנהו. כך אפשר לבנות התקן זיכרון שבו מצב התנגדות אחד מייצג "0" ומצב התנגדות שני מייצג "1". מאחר שכיבוי המתח לא משנה את מבנה החומר, המידע השמור נשאר ללא שינוי.
הבעיה עם הטכנולוגיה הזאת היא שבפועל הסידור המיקרוסקופי של הגביש לא נשאר קבוע לאורך זמן. בתוך כמה ימים או שבועות, ההתנגדות של כל ההתקן משתנה לאטה והגבישים בחומר מסתדרים מחדש.
החוקרים הצליחו לשפר את ההתמודדות עם הקושי הזה באמצעות מנגנוני כתיבה וקריאה יעילים יותר שמגלים חסינות מנדידת ההתנגדות הזו. יתרה מזאת, העמידות הגבוהה יותר לשינויים אפשרה להם ליצור תאי זיכרון חדשים שאפשר לייצב על שלושה מצבים ולא רק שניים – התנגדות נמוכה, התנגדות גבוהה ומצב ביניים שבו החומר נמצא בחציו במצב גבישי ובחציו השני במצב אמורפי. כך ניתן לשמור הרבה יותר מידע בכל תא זיכרון.
השיפורים האלה עשויים להפוך את טכנולוגיית ה-PCM לתחליף כדאי כלכלית ליישומים שמשתמשים בזיכרונות בלתי נדיפים – למשל באלקטרוניקה ניידת (טלפונים חכמים וטאבלטים) או במרכזי מידע גדולים שבהם דיסקים קשיחים נחשבים אטיים מדי. המהירות שיאפשרו זיכרונות כאלה יניחו לנו למשל לאתחל את הטלפון החכם שלנו בתוך שניות ספורות, לעומת עשרות שניות כיום. בנוסף, אמינות הזיכרון הזה עולה בהרבה על זו של טכנולוגיות שמירת הנתונים הקיימות ומאפשרת מיליוני מחזורי כתיבה וקריאה לעומת עשרות אלפי מחזורים בלבד כיום.
זכרונות בליתי נדיפים