كشف العلماء في شركة IBM للبحوث عن طريقةٍ موثوقةٍ لتخزين 3 بت من البيانات في كل خلية باستخدام تقنية ذاكرة جديدة نسبياً تعرف باسم (phase-change memory PCM) أي ذاكرة تغيير الطور. يوفر هذا الاختراع وسيلةَ تخزينٍ سريعة وسهلة لاستيعاب الكم الهائل من بيانات الأجهزة النقالة وإنترنت الأشياء.


Image: http://m.phys.org/news/2016-05-ibm-scientists-storage-memory-breakthrough.html

في هذه الصورة، تظهر رقاقة PCM متعددة البتات التجريبية المستخدمة من قبل علماء IBM موصولة بلوح الدارات المتكاملة القياسية.
تتكون الرقاقة من مصفوفة أبعادها 2 × 2 مع 4 بُنى (bank interleaved) وهي بنى مخصصة للتعويض عن سرعة الذواكر البطيئة نسبياً من خلال تقسيم الذاكرة الى قطاعات وتوزيع العناوين عليها بالتساوي. وحجم هذه المصفوفة 2 × 1000 ميكرون × 800 ميكرون. تقوم خلايا PCM على سبيكةمن خليط الكالكوجيدالمعالج بالدمام (وهي مادة لمنع النش) تم دمجها مع رقاقة أولية بطول 90 ميكرون بتقنية شبه موصل أكسيد الفلز المكمّل "CMOS"، وهي تقنية تستخدم طاقة هائلة عندما تتغير حالة الترانزستور بين وضع التشغيل والإغلاق. بالتالي فإن "CMOS" يستخدم قدراً صغيراً من الطاقة ولا ينتج قدراً كبيراً من الحرارة كالذي تنتجه الدارات المنطقية أخرى.

تطور المشهد الحالي للذاكرة من ذواكر الوصول العشوائي الديناميكية DRAM إلى محركات الأقراص الصلبة ومن ثم ذواكر الفلاش المنتشرة اليوم في كل مكان. ولكن في السنوات القليلة الماضية، لفتت تقنية PCM نظرَ القائمين على صناعة الذواكر بوصفها تكنولوجيا الذاكرة العالمية المحتملة القائمة على أسس الجمع بين سرعة القراءة / الكتابة والتحمل والكثافة وعدم التطاير. على سبيل المثال، PCM لا تفقد البيانات عند قطع التيار الكهربائي عنها -على عكس DRAM- ويمكنها أن تدوم لـ10 مليون دورة كتابة على الأقل، وبالتالي فهي أفضل مقارنة بذاكرة USB فلاش، التي تصل إلى 3000 دورة كتابة فقط.

ينظر علماء IBM إلى تقنية PCM كتقنية مستقلة وقائمة بحد ذاتها. وفي الوقت نفسه، قد توجد تطبيقات تجمعها مع تقنية تخزين الفلاش بوصف الـPCM كذاكرة مؤقتة سريعة للغاية (cache). على سبيل المثال، يمكن تخزين نظام تشغيل الهاتف المحمول في PCM، مما يمكّن الهاتف من الإقلاع في بضع ثوانٍ. وكذلك يمكن أن تخزنَ قواعد بيانات بأكملها في PCM وبالتالي ستكون معالجة الاستعلامات لتطبيقات الإنترنت في الزمن الحقيقي سريعة للغاية. كما ستشهد خوارزميات تعلم الآلة، التي تستند على مجموعة كبيرة من البيانات، زيادةً كبيرة في السرعة عن طريق خفض كلفة قراءة البيانات أثناء التكرارات العديدة.
للمواد المكونة لـPCM حالتان ثابتتان:
1- غير متبلورة (بدون بنية محددة بوضوح)، وتكون ذات ناقلية كهربائية منخفضة.
2- بلورية (مع هيكل)، وتكون ذات ناقلية كهربائية عالية.

لتخزين "0" أو "1" في خلية PCM، يتم تطبيق تيار كهربائي مستمر مرتفع أو متوسط على هذه المواد. يمكن برمجة الـ"0" لتُكتب في المرحلة غير المتبلورة و"1" في المرحلة البلورية أو العكس بالعكس. ثم يتم تطبيق الجهد المنخفض لقراءة البت، و هذه هي طريقة المستخدمة لإعادة الكتابة على أقراص Blu-ray لتخزين الفيديو، وهي أقراص ضوئية لتخزين البيانات صممت لتحل محل أقراص الـDVD، وتستعمل تقنية الليزر الأزرق الذي يعدّ أدق من ليزر الأشعة تحت الحمراء المستعمل في الأقراص المضغوطة CD والليزر الأحمر المستعمل في أقراص DVD.

تمكن علماءٌ من شركة IBM ومعاهد أخرى من تخزين 1 بت في كل خلية PCM بنجاح، ولكن اليوم في ورشة عمل IEEE العالمية للذاكرة في باريس، يقدم علماء IBM لأول مرة، طريقة تخزين 3 بت في كل خلية ضمن مجموعة من 64 ألف خلية في درجة حرارة مرتفعة وبعد مليون دورة تحمّل.

يقول الدكتور "Haris Pozidis" ، وهو أحد مؤلفي الورقة البحثية ومدير بحث الذاكرة غير المتلاشية في IBM Research - Zurich : " ذاكرة PCM هي التجسيد الأول لذاكرة عالمية تجمع خصائص كل من DRAM وفلاش، وبالتالي التغلب على إحدى التحديات الكبيرة في صناعتنا، والوصول إلى 3بتات لكل خلية إنجاز هام لأنه بهذه الكثافة فإن تكلفة PCM ستكون أقل بكثير من تكلفة DRAM وأقرب إلى تكلفة الفلاش."

لإنجاز ذاكرة تخزين متعددة البتات، طور علماء IBM تقنيتين مبتكرتين: هما مجموعة من المقاييس ممانعة الانجراف وحالة الخلية* ، ومخططات الترميز والكشف عن الإنجراف والسماحية. وبتفصيل أدق، إعادة تعريف المقاييس الجديدة لحالة الخلية الخاصية الفيزيائية لخلية PCM والتي تبقى مستقرة على مر الزمن، وهكذا لا تعير اهتماماً للانجراف، الذي يؤثر على استقرار الناقلية الكهربائية للخلية مع مرور الوقت. لتوفير متانة إضافية للبيانات المخزنة في الخلية ضد تقلبات درجات الحرارة المحيطة، تم توظيف مخططات ترميز novel. هذه المخططات تتأقلم وتعدل مستوى العتبات المستخدمة للكشف عن البيانات المخزنة في الخلية من خلال تتبع التغيرات الناجمة عن التغيرات في درجات الحرارة. ونتيجة لذلك، فإن حالة الخلية يمكن أن تقرأ بشكل موثوق حتى بعد مرور زمن طويل على برمجة الذاكرة، مما يعني عدم التطاير.

ولمعرفة أكثر عن الذاكرة متعددة المستويات المقاومة للإنجراف (هنا)