حافظه هیبریدی Gain Cell | تحولی بزرگ در افزایش چگالی کش‌های L2 و L3 پردازنده‌ها و کارت‌های گرافیک

در حال حاضر، حافظه‌های کش داخلی در CPUها و GPUها برای ارتقاء عملکرد با چالش‌هایی روبرو هستند. فناوری جدیدی به نام Hybrid Gain Cell Memory (حافظه هیبریدی سلول گین) که توسط تیمی از محققان دانشگاه استنفورد به سرپرستی پروفسور فیلیپ وانگ در حال توسعه است، می‌تواند به طرز چشم‌گیری این محدودیت‌ها را از میان بردارد. این فناوری با ترکیب ویژگی‌های SRAM و DRAM، به‌طور خاص بر افزایش چگالی ذخیره‌سازی تمرکز دارد.

چالش‌های فعلی حافظه SRAM

یکی از مشکلات اصلی حافظه‌های SRAM این است که برای ذخیره‌سازی اطلاعات نیاز به چهار ترانزیستور دارد و برای دسترسی به سلول‌ها نیز به دو ترانزیستور دیگر نیاز است. این طراحی، باعث اشغال فضای زیادی بر روی چیپ‌ها می‌شود. از سوی دیگر، DRAM تنها با یک ترانزیستور و برخی اجزای اضافی این کار را انجام می‌دهد، اما مشکل اصلی DRAM نیاز مداوم به تازه‌سازی داده‌ها است.
SRAM در حال حاضر به حد نهایی چگالی ذخیره‌سازی خود رسیده است و این امر باعث شده است تا تیم‌های تحقیقاتی به دنبال جایگزین‌های بهتر باشند. این مسئله به ویژه در کش‌های داخلی CPU و GPU اهمیت پیدا می‌کند که با حافظه DRAM مقایسه می‌شوند و زمان و انرژی زیادی برای بارگذاری داده از DRAM به SRAM نیاز دارند. این وضعیت به اصطلاح “مشکل دیوار حافظه” را ایجاد کرده است.

فناوری Hybrid Gain Cell Memory

فناوری جدید Hybrid Gain Cell Memory، ترکیبی از دو ترانزیستور برای ذخیره داده است. این فناوری نیازی به خازن اضافی که در DRAM وجود دارد، ندارد و باعث بهبود عملکرد حافظه می‌شود. تیم تحقیقاتی دانشگاه استنفورد از دو نوع ماده متفاوت برای ساخت ترانزیستورهای نوشتن و خواندن استفاده کرده است؛ ترانزیستور نوشتن از اکسید ایندیوم قلع (ITO) ساخته شده است در حالی که ترانزیستور خواندن از سیلیکون P-channel (PMOS) استفاده می‌کند.

بهبود عملکرد و ظرفیت ذخیره‌سازی

این فناوری در آزمایش‌ها نتایج فوق‌العاده‌ای نشان داده است. دستگاهی که با حافظه gain cell کار می‌کرد، توانست داده‌ها را تا بیش از یک ساعت ذخیره کند که بسیار بهتر از DRAM است که هر ۶۴ میلی‌ثانیه نیاز به تازه‌سازی دارد. علاوه بر این، سرعت خواندن داده‌ها از این حافظه تا ۵۰ برابر سریع‌تر از DRAM بوده است. با این حال، در برخی جنبه‌های عملکردی مانند تراکم بالاتر داده‌ها، ممکن است این حافظه در مقایسه با SRAM کمی کندتر عمل کند.

اهمیت در کش‌های CPU و GPU

ویژگی اصلی این حافظه، افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی است که برای کش‌های سطح پایین CPU و GPU بسیار حیاتی است. هرچه کش بزرگ‌تر باشد، زمان کمتری برای انتقال داده از حافظه DRAM به CPU یا GPU نیاز است و این بهبود قابل‌توجهی در عملکرد و کاهش تأخیر ایجاد می‌کند. این اصل به ویژه در فناوری 3D V-Cache شرکت AMD مشاهده شده است.
در نهایت، Hybrid Gain Cell Memory می‌تواند در CPUها و GPUهای آینده مورد استفاده قرار گیرد و ظرفیت کش‌های سطح پایین را فراتر از چیزی که امروزه شاهد آن هستیم، افزایش دهد. همچنین، استفاده از نسخه‌های سه‌بعدی این فناوری توسط شرکت‌هایی مانند Intel یا AMD می‌تواند باعث افزایش بیشتر ظرفیت حافظه کش شود.

نتیجه‌گیری

فناوری Hybrid Gain Cell Memory یک پیشرفت بالقوه در صنعت پردازش و ذخیره‌سازی داده است. این فناوری می‌تواند با افزایش ظرفیت کش‌ها و کاهش تأخیر، بهبودهای قابل توجهی در عملکرد CPUها و GPUهای آینده ایجاد کند. اگرچه این فناوری همچنان در حال توسعه است، اما نتایج اولیه نشان می‌دهد که ممکن است جایگزین مناسبی برای حافظه‌های سنتی مانند SRAM و DRAM باشد.