MRAM และ ReRAM: เทคโนโลยีหน่วยความจำแห่งอนาคต
MRAM และ ReRAM: เทคโนโลยีความจำแห่งอนาคตที่อาจมาแทน SSD
ในโลกยุคดิจิทัลที่ข้อมูลเติบโตแบบทวีคูณ หน่วยความจำกลายเป็นหัวใจสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ไม่ว่าจะเป็นสมาร์ทโฟน คอมพิวเตอร์ รถยนต์อัจฉริยะ หรือแม้แต่เซ็นเซอร์ในระบบ IoT ปัจจุบัน Solid State Drive (SSD) คือเทคโนโลยีเก็บข้อมูลหลักที่ใช้งานกันแพร่หลาย แต่ด้วยข้อจำกัดด้านความเร็ว อายุการใช้งาน และพลังงาน จึงเกิดการแข่งขันพัฒนาเทคโนโลยีหน่วยความจำรุ่นใหม่ขึ้นมาหลายแบบ โดยเฉพาะสองตัวเต็งที่น่าจับตามองอย่าง MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) และ ReRAM (Resistive Random Access Memory)
MRAM คืออะไร?
MRAM หรือ Magnetoresistive RAM เป็นหน่วยความจำที่ใช้หลักการของแม่เหล็กในการเก็บข้อมูล แทนที่จะอาศัยประจุไฟฟ้าแบบใน DRAM หรือ Flash หน่วยความจำ MRAM เก็บข้อมูลด้วยการเปลี่ยนแปลงทิศทางของสนามแม่เหล็กในโครงสร้างที่เรียกว่า Magnetic Tunnel Junction (MTJ)
MTJ ประกอบด้วยชั้นแม่เหล็กสองชั้นคือ ชั้นที่มีทิศทางคงที่ (Fixed Layer) และชั้นที่สามารถเปลี่ยนทิศทางได้ (Free Layer) โดยมีฉนวนบางๆ คั่นกลาง ถ้าทิศทางของทั้งสองชั้นตรงกัน จะมีความต้านทานต่ำ (อ่านเป็น 1) ถ้าทิศทางสวนทางกัน จะมีความต้านทานสูง (อ่านเป็น 0) ทำให้สามารถเก็บข้อมูลในรูปแบบดิจิทัลได้
ReRAM คืออะไร?
ReRAM หรือ Resistive RAM เป็นหน่วยความจำที่เก็บข้อมูลโดยการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานของวัสดุฉนวนเมื่อมีแรงดันไฟฟ้า เหมือนกับ MRAM มันเป็นหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือน (non-volatile) ที่ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานเพื่อคงข้อมูลไว้
โครงสร้างของ ReRAM ประกอบด้วยโลหะสองชั้น (Electrode) และวัสดุฉนวนตรงกลาง เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า ความต้านทานของฉนวนจะเปลี่ยนสถานะระหว่าง High Resistance (HRS) กับ Low Resistance (LRS) ซึ่งสามารถแปลความเป็นข้อมูล 0 และ 1 ได้
ข้อดีของ MRAM
1. Non-volatile: ข้อมูลไม่หายแม้ไฟดับ
2. ทนทานสูง: สามารถเขียนข้อมูลซ้ำได้หลายล้านถึงพันล้านครั้ง เหนือกว่า Flash
3. ความเร็วสูง: เขียน-อ่านเร็วกว่า Flash และใกล้เคียงกับ DRAM
4. พลังงานต่ำ: ไม่ต้องจ่ายพลังงานตลอดเวลาเพื่อคงข้อมูล
5. ต้านทานรังสี: เหมาะกับงานในอวกาศหรือสภาพแวดล้อมรุนแรง
ข้อเสียของ MRAM
1. ต้นทุนสูง: ยังมีราคาสูงต่อบิตเมื่อเทียบกับ Flash
2. ความหนาแน่นต่ำกว่า: โครงสร้าง MTJ ต้องใช้พื้นที่มากกว่าเซลล์หน่วยความจำแบบ NAND
3. ต้องควบคุมแม่เหล็กแม่นยำ: มีความซับซ้อนทางวิศวกรรม
ข้อดีของ ReRAM
1. Non-volatile: เก็บข้อมูลได้โดยไม่ต้องใช้พลังงานต่อเนื่อง
2. ขนาดเล็กมาก: สามารถผลิตความหนาแน่นสูง เหมาะกับอุปกรณ์พกพา
3. พลังงานต่ำ: เขียน-อ่านข้อมูลใช้พลังงานน้อย
4. ความเร็วสูง: เร็วกว่า NAND Flash หลายเท่า และใกล้เคียง DRAM
5. โครงสร้างเรียบง่าย: ผลิตง่ายกว่า MRAM
ข้อเสียของ ReRAM
1. ความทนทานต่ำกว่า MRAM: อายุการใช้งานของบางวัสดุอาจไม่สูงมาก
2. ยังอยู่ระหว่างการพัฒนา: มีการทดสอบใช้งานในบางอุปกรณ์ แต่ยังไม่แพร่หลาย
3. ความสม่ำเสมอของเซลล์: อาจเกิดการเปลี่ยนแปลงของคุณสมบัติในระดับนาโน ทำให้ควบคุมได้ยาก
บทบาทของ MRAM และ ReRAM ในการแทน SSD
SSD ในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้ NAND Flash ซึ่งมีข้อจำกัดด้านความเร็ว ความทนทาน และพลังงาน แม้จะมีความหนาแน่นสูงและต้นทุนต่ำ แต่นั่นก็แลกมาด้วยอายุการใช้งานที่จำกัด (ประมาณ 1,000-100,000 รอบการเขียน)
เมื่อเทียบกับ MRAM และ ReRAM แล้ว ทั้งสองเทคโนโลยีมีคุณสมบัติที่สามารถเข้ามาแทนที่ SSD ได้ในอนาคต...