Wielkość pamięci operacyjnej jest podstawową cechą każdej konfiguracji komputera. Przyzwyczajeni do obowiązujących w tej mierze standardów technologicznych zazwyczaj zwracamy uwagę tylko na jeden parametr: jej rozmiar. Czy słusznie?

Architektura komputera opiera się na hierarchii pamięci. Na szczycie tej piramidy znajdują się bardzo szybkie i małe pamięci rejestrowe lub kieszeniowe. W środku konstrukcji znajdziemy klasyczną, szybką pamięć wewnętrzną - operacyjną, zaś niżej wolniejsze pamięci zewnętrzne, takie jak dyski magnetyczne i wreszcie archiwalia o dostępie sekwencyjnym w postaci np. taśm magnetycznych. Im pamięć wolniejsza, tym tańsza w przeliczeniu na koszt przechowywania 1 bita danych.

Hierarchiczność pamięci jest zjawiskiem pożądanym, wskazującym na efektywność ewolucji informatycznej - poszczególne zadania w zależności od ich usadowienia w konfiguracji komputera są przyjmowane przez wyspecjalizowane moduły pamięci. W komputerze znajdziemy różnorodne rozwiązania pamięciowo-technologiczne, co dowodzi jego elastyczności. To szybkie pamięci półprzewodnikowe i wolniejsze magnetyczne czy optyczne. Te pierwsze mają z reguły charakter nietrwały (RAM) i wymagają stałego zasilania, a jest to cecha, która może przeszkadzać.

Prawo Moore'a jest prawem wykładniczego wzrostu całej informatyki i dotyczy także pamięci operacyjnej. Jej wielkość w typowej konfiguracji komputerowej podwaja się co półtora roku. Tak więc na początku lat 90. był to 1 MB, a dziś już 128-256 MB. Tak się składa, że im większa powszechnie dostępna pamięć operacyjna, tym więcej danych trzeba do niej załadowywać podczas startu systemu operacyjnego. Ten denerwujący użytkownika proces może trwać wiele minut. Może warto wrócić do doświadczeń sprzed dziesięcioleci, kiedy tzw. bootowanie w ogóle nie było potrzebne?

Pamięć z żelaza

W początkach rozwoju informatyki wykorzystywano rdzeniowe pamięci magnetyczne. Składały się one z miniaturowych rdzeni ferrytowych, przez które przewlekano trzy przewody. Dwa z nich były uzwojeniem magnesującym, trzeci służył do odczytu. Binarną jedynką był ten rdzeń, który znajdował się na skrzyżowaniu przewodów o dobrze dobranych wartościach prądów magnesujących. Taka pamięć miała charakter trwały, co oznaczało, że komputer po włączeniu był natychmiast gotowy do pracy.

Były to jednak pamięci o niemono- litycznej budowie, cechujące się dużymi rozmiarami i wymagające prądów znacznej wartości (a więc problem z zasilaniem) dla detekcji stanów namagnesowania. Dzisiaj o nich już właściwie zapomniano, ale nie do końca... Coraz bliższa praktycznej realizacji staje się wizja korzystania z wielowarstwowych ferromagnetyków w połączeniu z efektami magnetorezystancyjnymi XMR. Wystarczy powiedzieć, że komórka takiej pamięci ma rozmiary rzędu ćwierci mikrometra kwadratowego (0,25 µ2). Kilka prostych mnożeń pozwala się przekonać, że oznacza to gęstość upakowania informacji na poziomie 10 Gb/cal2. Dla porównania, rozmiar minimalnej struktury dla innych rodzajów pamięci to odpowiednio: DRAM (Dynamic RAM) - 0,5 µ2 ; Flash - 0,6 µ2 ; FRAM (Ferroerectrically RAM) - 0,7 µ2 ;EPROM (Erasable Programmable ROM) - 2,5 µ2.

Pamięć FRAM, zwana jest niekiedy FeRAM. Nie należy jej mylić z ferroelektryczną pamięcią DRAM. Ta jest bowiem pamięcią nietrwałą, wykorzystującą kondensatory z ferroelektrycznego dielektryka (np. BaTiO3). Pamięć taka korzysta z prostej relacji proporcjonalności między ładunkiem a napięciem kondensatora. Tymczasem podstawą działania FRAM-u są nieliniowe efekty histerezy (czyli niejednoznacznej zależności namagnesowania od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego).

Już kilka lat temu można było kupić kostki FRAM Hitachi o pojemności 64 Kb. Zaletą tej technologii jest uzyskanie pamięci trwałej na podstawie doświadczenia przy produkcji DRAM (modyfikacja kondensatorów). Tą właśnie drogą poszła amerykańska firma Ramtron, przechodząc do seryjnej produkcji 256-kilobitowych układów FRAM.

Kolosalny magnes

Nowszą alternatywą dla FRAM jest MRAM (Magnetoresistance RAM), czyli pamięć korzystająca z technologii XMR (X Magneto-Resistance). Wśród nich można wyróżnić cztery grupy: AMR (Anisotropic MR), GMR (Giant MR), TMR (Tunneling MR), CMR (Colossal MR). Najprostszym z prezentowanych zjawisk magnetooporowych jest odmiana anizotropowa (AMR), wykorzystująca różnice oporności elektrycznej w zależności od kierunku magnetyzowania przewodnika. Owe różnice nie są znaczne i sięgają poziomu pojedynczych procentów, ale wystarcza to konstruktorom magnetycznych sensorów.

Zmiany dwukrotnie silniejsze (do 8%) występują w "magnetycznej kanapce" kobaltowo-miedzianej. Taki przyrost wielkości wystarczył fizykom do nadania efektowi nazwy "olbrzymiego" (GMR). Dodajmy, że bynajmniej nieolbrzymie są rozmiary opisywanej "magnetokanapki" - magnetyczna warstwa kobaltu, oddzielona od niemagnetycznej warstwy miedzi, jest zaledwie nanometrowej grubości czy raczej cienkości. Zwiększanie liczby warstw przekładańca potrafi spotęgować fenomen GMR.

Jeszcze nowszym rozwiązaniem jest technologia tunelowa MR (TMR), związana ze spinowo-zależnym tunelowaniem elektronów przez warstwę izolatora. W ten sposób już w pierwszej połowie lat 90. uzyskano niemal 20-proc. przyrost magnetooporności w temperaturze pokojowej, korzystając z "kanapki" Fe/Al2O3/Fe. Również tutaj niemagnetyczna warstwa tlenku glinu musiała być odpowiednio cienka, aby elektrony mogły przechodzić przez tę barierę: jej grubość to zaledwie kilkanaście warstw atomowych, ok. 5 nm.

Pozostaje jeszcze CMR, wykorzystujący struktury podobne do perowskitu - minerału, będącego składnikiem skał magmowych (tytanian wapnia, CaTiO3). Efekt słusznie nazwano kolosalnym - liczony jest już w setkach procent. Niestety, trzeba stosować duże pola magnetyczne (pojedyncze tesle) - zjawiska te są wręcz zbyt silne, by dały się wykorzystywać w technologiach pamięciowych.

Spinoelektronika

Bez wątpienia magnetyczne pamięci operacyjne poprawiłyby komfort użytkowania komputerów osobistych. Nie chodzi jedynie o wyeliminowanie uciążliwego oczekiwania na osiągnięcie gotowości roboczej po włączeniu urządzenia. Współczesne RAM-y wymagają ciągłego odświeżania pamięci. To zwiększa zużycie prądu, a w efekcie ciężar urządzeń przenośnych, wymagających większych akumulatorów.

Którą z prezentowanych technologii wybierze przemysł informatyczny? Warto także najpierw zapytać, czy rzeczywiście będzie możliwy wybór. Fakt, że dana technologia jest lepsza od aktualnej, nie wystarcza do opanowania rynku. Ważne jest wsparcie ze strony firm, które na tym rynku odgrywają istotną rolę. Na szczęście, widać już zainteresowanie producentów. Na naszych oczach powstaje wręcz nowa branża - magnetoelektronika. Można by ją także nazwać spinoelektroniką. O ile bowiem tradycyjna elektronika wykorzystuje właściwości ładunkowe elektronu, o tyle magnetoelektronika stawia na kombinację ładunków i spinów tych cząstek (czyli własnych momentów pędu cząstek niezależnych od ich ruchu w przestrzeni).

Przed trzema laty nowoczesna mag-netoelektronika objawiła się na rynku w rozwiązaniach masowych i to nie za sprawą pamięci operacyjnych. Zastosowano komórki MR w głowicach czytających dysków twardych. Umożliwiło to zwiększenie gęstości zapisu dysku, a więc w efekcie jego pojemności. Prekursorem tych działań była firma IBM. Jej dyski GMR umożliwiają osiąganie gęstości zapisu ponad 20 Gb/cal2. Aktualne badania pokazują, że zastąpienie technologii GMR przez TMR mogłoby kilkakrotnie zwiększyć ten parametr (do ok. 90 Gb/cal2).

Najnowsze przewidywania wskazują, że lata 2003-2005 będą początkiem opanowywania rynku przez pamięci operacyjne MRAM. Jeśli ten proces by się rozwinął, moglibyśmy liczyć na znaczny spadek cen pamięci przy jednoczesnym ujednoliceniu technologii mediów pamięciowych stosowanych w komputerach. Taka "pamięć absolutna" zatarłaby granicę między dyskami a pamięcią operacyjną. Przeciętny komputer dysponowałby gigabajtami RAM-u, programy zaś wykonywałyby się niemal "natychmiast". Wzrosłaby także ich niezawodność z uwagi na eliminowanie konfliktów dostępu do pamięci.