حافظه‌های اسپینترونیک SOT-MRAM و حافظه جهانی بدون فرار

دیوار حافظه و بحران نشت انرژی استاتیک در تراشه‌های ۳ و ۲ نانومتری

در تمام دهه‌های گذشته، معماری رایانه‌ها بر پایه تفکیک بنیادین حافظه‌ها شکل گرفته بود: حافظه‌های کش بسیار سریع اما حجیم و گران SRAM، حافظه‌های موقت اصلی پرظرفیت اما فرار DRAM که نیازمند بازخوانی (Refresh) مداوم ده‌ها بار در ثانیه هستند، و حافظه‌های ذخیره‌سازی غیرفرار اما کند NAND Flash. با کوچک شدن ترانزیستورها به ابعاد زیر ۳ نانومتر، پدیده تونل‌زنی کوانتومی باعث نشت عظیم جریان در حالت خاموشی ترانزیستورها شده است.

در سرورهای مراکز داده مدرن هوش مصنوعی، تا ۴۰ درصد از کل توان مصرفی تراشه‌ها صرفاً برای نگه داشتن داده‌ها در حافظه‌های فرار و جلوگیری از پاک شدن آن‌ها در حالت آماده‌به‌کار (Static Leakage Power) تلف می‌شد. اگر برق سرور قطع می‌شد، تمامی وزن‌ها و وضعیت‌های چند صد گیگابایتی مدل‌های زبانی در کسری از میکروثانیه دود می‌شد و به هوا می‌رفت.

این چالش در کنار ضرورت امنیت داده‌ها، زیرساخت سخت‌افزاری را دگرگون ساخته است. همان‌طور که در واکاوی پردازش محرمانه سخت‌افزاری و ریزمعماری RISC-V دیدیم، محافظت از حافظه نیازمند طراحی بنیادین سیلیکون است؛ طراحی نوینی که اکنون با اسپینترونیک وارد فاز نهایی خود شده است.

اسپینترونیک چگونه کار می‌کند؟ جادوی گشتاور مدار اسپینی (SOT) و پیوندهای تونل مغناطیسی

برخلاف ترانزیستورهای سنتی که اطلاعات صفر و یک را با انباشتن بار الکتریکی الکترون‌ها در خازن ذخیره می‌کردند، حافظه‌های اسپینترونیک از تکانه زاویه‌ای ذاتی و جهت چرخش اسپین (Spin) الکترون بهره می‌برند. واحد بنیادین ذخیره‌سازی، پیوند تونل مغناطیسی (Magnetic Tunnel Junction - MTJ) نام دارد که از دو لایه فرومغناطیس به ضخامت چند نانومتر تشکیل شده که توسط یک لایه عایق باریک اکسید منیزیم جدا شده‌اند.

اگر جهت مغناطیسی هر دو لایه موازی باشد، الکترون‌ها به آسانی تونل زده و مقاومت پایینی ایجاد می‌کنند (نماد صفر منطقی)، و اگر خلاف جهت باشند، مقاومت بسیار بالا می‌رود (نماد یک منطقی). در نسل اول حافظه‌های مغناطیسی یعنی STT-MRAM، جریان نوشتن مستقیماً از لایه عایق عبور می‌کرد که باعث استهلاک تدریجی و کاهش طول عمر قطعه می‌شد.

اما در حافظه‌های پیشرفته دوران کنونی از معماری گشتاور مدار اسپینی (Spin-Orbit Torque - SOT-MRAM) استفاده شده است. در SOT، مسیر جریان خواندن و نوشتن از هم کاملاً تفکیک شده است. یک لایه فلز سنگین در زیر لایه مغناطیسی قرار می‌گیرد که با پدیده اثر هال اسپینی، اسپین‌های هم‌جهت را به سطح رانده و جهت قطب مغناطیسی را بدون نیاز به عبور جریان مخرب از لایه عایق تغییر می‌دهد؛ نوآوری بی‌نظیری که پایداری سوئیچینگ را به بیش از ۱۰ به توان ۱۶ بار ارتقا داده و دوام نامحدود را ممکن کرده است.

تحقق رویای حافظه جهانی (Universal Memory) و جایگزینی کش‌های لایه L2 و L3

با رسیدن زمان تاخیر خواندن و نوشتن در SOT-MRAM به زیر ۰.۵ نانوسانیه، این فناوری ویژگی‌های فوق‌العاده SRAM (سرعت بی‌نهایت) و DRAM (تراکم ذخیره‌سازی بالا) و فلش (غیرفرار بودن ابدی) را یکجا در خود جمع کرده است. به همین دلیل مهندسان نیمه‌رسانا رسماً آن را «حافظه جهانی» نامیده‌اند.

در پردازنده‌های سرور معرفی شده امروزه کش‌های غول‌پیکر L3 و حافظه‌های میانی پردازنده‌های گرافیکی به طور کامل از SRAM به سلول‌های جاسازی شده eMRAM تغییر یافته‌اند. این جابجایی باعث شده فضای اشغال شده روی تراشه تا سه برابر کاهش یافته و مصرف توان کل کلاستر تا ۶۰ درصد افت کند.

تلفیق این فناوری با اتصالات نوری که در مقاله تراشه‌های فوتونیک یکپارچه سیلیکونی Co-Packaged Optics تحلیل شد، پهنای باند سرسام‌آور ترابایتی را بدون تولید گرمای کشنده برای پردازش حجم‌های عظیم داده فراهم نموده است.

بوت صفرمیلی‌ثانیه‌ای و کاربرد حیاتی در سامانه‌های ترابری و اینترنت اشیاء لبه

پیامد عملیاتی این جهش برای کاربران و سیستم‌های حساس بی‌نظیر است: سیستم‌عامل‌ها دیگر نیاز به فرآیند زمان‌بر بارگذاری فایل‌ها از SSD به رم ندارند. به محض فشردن کلید روشن، سیستم با تمام برنامه‌ها، صفحات باز و محاسبات نیمه‌کاره در یک میلی‌ثانیه زنده می‌شود، چرا که محتوای رم در زمان خاموشی تغییر نکرده است.

این ویژگی در سامانه‌های بی‌درنگ مانند پهپادها، حسگرهای صنعتی و به ویژه در معماری خودروها سرنوشت‌ساز است. همان‌طور که در بررسی رایانش متمرکز مرکزی خودرو و چیپلت‌های چندهسته‌ای خواهیم دید، بازیابی فوری حافظه پس از هرگونه افت ولتاژ در کنترل‌کننده‌های رانندگی خودکار، ایمنی جانی سرنشینان را در سخت‌ترین شرایط ترافیکی تضمین می‌کند.