Source:
The Quest for a Universal Memory -
IEEE Spectrum
現今的電子產品,從智慧型手機、超輕薄筆電,到一般的桌上型電腦,使用的都是三層式的記憶體架構。
如同圖中所表示,SRAM, DRAM, Flash/HDD 三種記憶體的存取速度和製造成本不同,因此在電腦裡的使用量也不同。
SRAM 的速度最快,與處理器的運作時脈相當,但是相對的製作的難度也高,因此現行架構一般只配置相對少量的 SRAM 來存放處理器立即會運用到的資料。DRAM 的存在某種程度上算是彌補 SRAM 的容量不足,但是跟 SRAM 相同的是兩者同屬於「揮發性」儲存:一旦電源切斷,內部的資料即消失,因此需要「非揮發性」的記憶體來輔助,在現有的架構下也就是 Flash 記憶體或是硬碟。
由此可知,現行的三層架構,是在成本與效能之間取得較佳平衡的解決方案,事實上單一的「萬用記憶體」,一直是電腦架構設計者追尋的目標。以下是幾種目前看起來有希望的萬用記憶體的候選人:
MRAM(
magnetoresistive RAM )可以算是最接近「萬用」的記憶體。在硬體架構上,MRAM 可以視為把 DRAM 記憶單元裡的電阻換成磁極,在耗電上比 DRAM 低很多,而資料可以被保存 20 年以上,高於現有的 Flash / HDD。但是,MRAM 在存取速度上還是比 SRAM 慢,而儲存容量也只有 Flash 的十分之一。
RRAM (ReRAM,
resistive RAM ) 也是經常被提到的「萬用」候選人之一,基本結構是在絕緣材料上製作微小的導電孔隙,但是會因材料的耗損而喪失記憶性質,目前的發展因為製造上的困難而停滯。
PCRAM(
phase-change RAM)算是目前新記憶體技術當中最成熟的,透過改變硫系玻璃的晶態和非晶態來運作。PCRAM 的速度比 DRAM 慢,容量比 Flash 小,因此以目前的三層架構來看,不是特別有吸引力。但是 PCRAM 具有抗輻射的特性,因此在特殊用途(例如航太)的裝置上有其存在的價值。
雖然目前有十餘種萬用記憶體的可能方案,但是似乎還沒有一個可以突破物理學上的限制,而完全取代現有的三層架構。今日電子運算裝置的用途日益多元化,針對不同特殊的用途,有的情況需要的是高速的小量存取,有的情況需要的是大量儲存,所以三層架構恐怕也難以應付所有的情況。因此在以矽晶圓為主的時代結束之前,我們恐怕還會看到更多更複雜的記憶體架構。