نسل جدید حافظه‌های فلش: کوچک، شفاف، پرسرعت

حافظه‌های تغییر حالت دهنده به تولید انبوه می‌رسند تا نسل جدید تراشه‌های رایانه‌ای با سرعتی فراتر از حد تصور به بازار عرضه شوند. شفافیت و ابعاد ریز این تراشه‌های جدید، چشم‌انداز جدیدی را نوید می‌دهد.

شرکت کره‌ای سامسونگ الکترونیک از آغاز تولید انبوه نسل جدیدی از تراشه‌های حافظه خبر داده است که از گداخت و انجماد مجدد ریزبلورها برای نگهداری اطلاعات استفاده می‌کند. این حافظه که به نام حافظه تغییر حالت دهنده، پی.سی.ام شناخته می‌شود، اولین‌بار در اواخر دهه 1960 / 1340 توسط فیزیک‌دانان مطرح شد و در ادامه، خواهید دید که این حافظه چگونه کار می‌کند، چرا دست‌یابی به آن 40 سال طول کشید و چطور استفاده از آن می‌تواند دنیای اطراف شما را، از گوشی همراه گرفته تا دستگاه‌های الکترونیکی و حتی دیوارهای خانه، برای همیشه تغییر دهد.

ایده اولیه پی.سی.ام از کجا آمده است؟
ایده اصلی پی.سی.ام اولین‌بار توسط استنفورد اوشینسکی، مخترع و فیزیک‌دان آمریکایی در سال 1968/1347 مطرح شد و برخلاف انتظار خیلی‌ها، بر پایه مفاهیم فیزیکی ساده‌ای بنا شده است: اتم‌ها زمانی که در ساختار بلوری به شکلی منظم چیده شوند، نسبت به حالت شیشه‌ای که نظم خاصی وجود ندارد و اتم‌ها پراکنده هستند، جریان الکتریکی را بهتر هدایت می‌کنند. با استفاده از این تعریف می‌شود ساختار بلوری را به عنوان 1 در مبنای دودویی و شکل شیشه‌ای را صفر در این مبنا در نظر گرفت تا امکان نگهداری اطلاعات الکترونیکی در سلول‌های بلوری فراهم شود. تعداد زیادی از این سلول‌ها می‌توانند در کنار هم برای خلق حافظه‌های کامپیوتری جدید استفاده شوند.
بر خلاف حافظه قراردادی که الکترون‌ها می‌توانند در نقاط مختلف تراشه حرکت کنند، تک تک داده‌ها می‌توانند حتی وقتی دستگاه خاموش است، در نقاطی مشخص ثابت شوند. بدین‌ترتیب دستگاه‌های الکتریکی را می‌توان تقریبا بلافاصله پس از روشن کردن، استفاده کرد.

چرا پیش از این کسی به فکر ساخت تراشه‌های پی.سی.ام نیفتاده بود؟
ماتیاس ووتیگ، فیزیکدان دانشگاه RWTH در آخن آلمان می‌گوید: «پی.سی.ام در تئوری بسیار‌ساده است، اما وقتی نوبت به ساخت عملی تراشه‌ها برسد، با پیچیدگی‌های زیادی همراه است. مهم‌ترین مسئله برای ما نوشتن اطلاعات روی این تراشه‌هاست. برای نوشتن اطلاعات در حالت 1 یا صفر، ماده بلوری باید تا دماهای بالا گرم شده و سپس، دوباره منجمد شود. این برای هر دوحالت شیشه‌ای و بلوری صادق است. در دهه 1960/1340 اغلب موادی که فیزیک‌دانان برای رسیدن به حافظه پی.سی.ام مورد آزمایش قرار دادند، به جریان الکتریکی قوی و دماهای بالا برای بلوری‌شدن نیاز داشتند.

فیزیک‌دانان چطور از این مانع بزرگ عبور کردند؟
در سال‌های دهه1970/1350 و 1980/1360، دانشمندان گروه جدیدی از مواد بلورین را آزمایش کردند که در آنها، اتم‌ها با پیوندهای بسیار‌ضعیفی به یکدیگر متصل شده بودند. در نتیجه، ماده می‌توانست با سرعت بسیار زیاد از ساختار بلوری به حالت شیشه‌ای تغییر شکل دهد.
اما باز هم تبدیل این تجربه به ابزاری کاربردی، کار ساده‌ای نبود. گریگوری آتوود از کارکنان ارشد شرکت سوئیسی Numonyx Memory Solutions که در زمینه حافظه پی.سی.ام کار می‌کند، در این باره می‌گوید: «در آن زمان، صنعت تراشه هنوز به بهبود ترانزیستورهای اولیه فکر می‌کرد. در نتیجه، شکل‌های دیگری از حافظه‌های ترانزیستوری مانند حافظه‌های فلش، تولید و روی اغلب تلفن‌های همراه و ام.پی.تری‌پلیرها نصب شدند و بازار را تسخیر کردند. مواد بلوری ساخته شده از ژرمانیوم، آنتیمون و تلوراید با فرمول شیمیایی (Ge2Sb2Te5) برای تولید و توسعه دیسک‌های نوری به کار رفتند که هنوز هم برای ساخت آنها، کاربرد دارند.

چه چیزی باعث شد حافظه پی.سی.ام از محبوبیت بیشتری برخوردار شود؟
حافظه‌های فلش، مانند دیگر حافظه‌های حالت جامد، اطلاعات را به صورت مناطقی کوچک از بار الکتریکی - مخصوصا دسته‌هایی کوچک از الکترون‌ها - روی یک ترانزیستور نگهداری می‌کنند. زمانی که ابعاد این حافظه‌ها کوچک و کوچک‌تر شود، این فضا گنجایش تعداد کمتری الکترون را خواهد داشت و به همین دلیل با کاهش ابعاد، از پایداری حافظه کاسته خواهد شد.
ووتیگ توضیح می‌دهد: «زمانی که ابعاد ترانزیستورها تنها به چند ده نانومتر برسد، پدیده‌ای اتفاق می‌افتد که در مکانیک کوانتم به آن تونل‌زنی گفته می‌شود. تونل‌زنی به الکترون‌ها اجازه می‌دهد به بیرون از ترانزیستور راه پیدا کنند و این، عامل مهمی در تخریب حافظه است. از آنجا که حافظه پی.سی.ام برمبنای شارژ الکتریکی عمل نمی‌کند، از لحاظ تئوری می‌تواند در ابعادی به مراتب کوچک‌تر ساخته شده و در ابزارهایی کوچک‌تر مورد استفاده قرار بگیرد.
از آن‌جاکه سرعت حافظه پی.سی.ام به سرعت ذوب و انجماد مجدد ماده بلوری بستگی دارد، هرقدر ابعاد سلول بلوری کوچک‌تر باشد، سرعت نوشتن و خواندن در آن بالاتر خواهد بود. گروه ووتیگ در حال حاضر روی سلول‌های بلوری با ابعاد 20 نانومتر کار می‌کند. این سلول‌ها می‌توانند تنها طی 16 میلیاردیم ثانیه پس از اتصال به جریان برق مورد استفاده قرار بگیرند که این، بسیار ‌سریع‌تر از فناوری‌های موجود است.
شرکت‌های سازنده حافظه پی.سی.ام امیدوارند این تراشه بتواند سهم بزرگی را از بازار حافظه‌های فلش تسخیر کند، بازاری که تنها در سال 2008 /1387بیش از 20 میلیارد دلار ارزش داشته است.

چه زمانی شاهد استفاده از این حافظه در گوشی‌های تلفن همراه خواهیم بود؟
خیلی زود. شرکت Numonyx تولید انبوه تراشه‌های 128 مگابایتی حافظه پی.سی.ام را از پایان سال 2008 میلادی/1387 آغاز کرده است. با این‌که این تراشه‌ها قابل استفاده‌ هستند، اما از لحاظ قدرت نمی‌توانند با نسل فعلی حافظه‌های فلش برابری کنند، آتوود می‌گوید: «من فکر می‌کنم این تراشه‌ها به شکل انبوه در ساخت سرورهای جدید یا نمونه‌های اولیه آنها، تلفن‌های همراه و دستگاه‌های ویدئویی ضبط دیجیتال استفاده شوند». تراشه‌های تولیدی شرکت سامسونگ 512 مگابایتی هستند و با این حال، هنوز ابعادی کوچک‌تر از نسل فعلی حافظه‌های فلش دارند.
به هر حال، فناوری به سرعت توسعه پیدا می‌کند، راهکارهای تازه، نگرانی در زمینه کوچک‌تر شدن ابعاد تراشه‌ها و مشکلات ناشی از آن را برطرف خواهند کرد. آتوود می‌گوید: «من گمان می‌کنم حافظه‌های بلوری ظرف چند سال آینده بازار را تصاحب کنند. ما اعتقاد داریم پی.سی.ام نسل آینده حافظه است».