Vêm aí as supermemórias


Vêm aí as supermemórias


SÃO PAULO - Cinco maneiras de revolucionar o armazenamento no computador.

Pouco tempo atrás, a ideia de que você poderia armazenar sua coleção de músicas inteira num único dispositivo de mão teria sido recebida com incredulidade. O mesmo valeria para fazer o backup de todos os arquivos essenciais do seu computador usando um memory stick em formato de chaveiro ou armazenar milhares de fotos de alta resolução numa câmera que cabe no bolso. Que diferença faz uma década. O impossível se tornou viável, graças à ascensão relâmpago de uma tecnologia de memória com o elegante nome de “flash”.

Mas onde está a tecnologia capaz de armazenar nossa coleção pessoal de filmes em alta definição num único chip? Ou todos os livros que você possa querer ler ou citar na vida? A memória flash não pode fazer isso. Em laboratórios de todo o mundo, porém, está se desenvolvendo um impressionante conjunto de tecnologias que podem tornar estes sonhos reais.

Hoje, a menor área capaz de armazenar um bit de informação é de cerca de 40 nanômetros, em dispositivos flash comerciais. Os primeiros chips de memória flash com capacidade de armazenar 64 gigabytes de informação começaram a ser vendidos apenas alguns meses atrás.

No entanto, para armazenar terabytes de dados num único chip, é necessária uma concepção ainda mais enxuta que a já admiravelmente simples arquitetura flash (ver o quadro Flash, a memória). O mecanismo de leitura e escrita da memória também teria de ser confiável e, acima de tudo, rápido, levando apenas nanossegundos. E a memória teria de ser estável: uma vez gravada, não poderia se degradar por pelo menos uma década.

Esta é uma bela lista de requisitos. Seja lá qual for a tecnologia capaz de atendê-la, não será a memória flash, mas será algo extremamente impressionante. Não vai ser fácil fazê-la vingar, já que a memória flash está bem estabelecida, mas com o mercado de chip de memória valendo algo entre 20 bilhões e 30 bilhões de dólares, podemos apostar que não vai demorar muito para que algumas das novas tecnologias dessa área estejam em nossos bolsos. Mas antes disso, os entusiastas da “supermemória” têm alguns obstáculos a vencer.

MRAM

A mais antiga pretendente a sucessora da memória flash é a memória magnética de acesso aleatório, ou MRAM, desenvolvida por várias empresas desde os anos 90. Os chips de MRAM armazenam informações entre duas fi nas camadas de material magnético, cada uma delas dividida em grupos de células. Uma camada é um ímã permanente, cuja direção magnética não muda. A outra é um ímã temporário cuja magnetização pode ser girada em 180 graus por aplicação de um pequeno campo magnético ou de corrente elétrica. O alinhamento relativo da magnetização das duas camadas determina se um bit é definido como 1 ou 0.

O uso de magnetização na MRAM é tanto seu ponto forte quanto o fraco: o lado positivo é que ela permite que a memória seja escrita e lida em menos de um nanossegundo; o negativo é que alterar a magnetização de uma célula tende a afetar também as vizinhas. Isso é um sério obstáculo para os pesquisadores. No momento, isso limita o tamanho dos chips MRAM a 32 MB, menos de um milésimo da capacidade dos melhores dispositivos flash. Empresas de eletrônicos como a Hitachi e a Toshiba continuam a trabalhar para aperfeiçoar a tecnologia, mantendo a fé no potencial da MRAM controlada eletricamente para criar memórias rápidas e de alta densidade.


FeRAM

A memória ferroelétrica de acesso aleatório, ou FeRAM, é uma parenta próxima da flash. Como a flash, ela utiliza efeitos elétricos para controlar uma estrutura similar a um transistor. Mas, em vez de controlar os fluxos de elétrons livres, ela tira proveito da estranha distribuição de cargas elétricas encontrada em cristais complexos conhecidos como ferroelétricos. Pequenos campos elétricos externos podem induzir íons carregados no cristal a mudar de posição, criando uma polarização elétrica estável como o campo existente entre os polos norte e sul de um ímã. Polarizações para cima e para baixo são os 0s e 1s dos bits ferroelétricos. Uma pequena tensão aplicada ao cristal pode ser usada para enviar cargas adicionais, mudando a polarização e levando os bits a girar. Esse processo é rápido — demora menos de um nanossegundo — e requer pouca energia, duas das vantagens da FeRAM.

Mas, como acontece com a MRAM, a maior qualidade da FeRAM é também seu calcanhar de aquiles. O problema é que as FeRAMs são baseadas em cargas. Para mudar o cristal na velocidade certa, a carga adicional tem de ficar em algum lugar próximo. Então, cada célula de FeRAM tem um capacitor acoplado, ocupando um espaço precioso. “Esse espaço compromete a densidade de armazenamento”, admite Scott. Ela ainda pode ser útil, no entanto: o baixo uso de energia e o design simples da FeRAM poderiam torná-la a escolha ideal quando a economia é mais importante que a capacidade. A Toshiba está convencida disso, e anunciou um protótipo de chip de FeRAM com 128 MB em fevereiro de 2009.

PCRAM

Uma tecnologia conhecida como memória de acesso aleatório com mudança de fase, PCRAM, parece uma aposta promissora. Ela utiliza o mesmo esquema dos CDs e DVDs regraváveis. Estes armazenam informações na estrutura atômica dos materiais com duas fases sólidas distintas: uma fase amorfa semelhante à do vidro de janela, na qual os átomos estão dispostos sem nenhuma ordem particular; e uma fase ordenada e cristalina, como a encontrada nos metais. O estado cristalino é condutor, e o amorfo, isolante. Na PCRAM o material é posicionado entre dois eletrodos. Só é necessário um pulso de laser ou uma corrente elétrica aplicada aos eletrodos para derreter o material. Se o pulso é longo, o material se organiza em estado cristalino. Se é curto, ele se resfria no estado amorfo.

Essa abordagem também tem problemas. Aquecer elementos da memória às centenas de graus Celsius necessárias para alterar seu estado dissipa muita energia — embora essa exigência caia com o tamanho dos componentes. Somente alguns átomos são necessários para criar uma unidade de memória capaz de transitar entre os estados amorfo e cristalino. Luping Shi, da Agência de Ciência, Tecnologia e Pesquisa (A*STAR) em Singapura, acredita que memórias com apenas 5 nanômetros de largura sejam possíveis — isso representa um décimo do menor tamanho já alcançado pela memória flash. O que é ainda melhor, a velocidade de alteração da PCRAM pode ser extremamente alta. O problema é que quanto mais rápido um material é alterado, menos estável tende a ser sua fase cristalina. De todo modo, com bits individuais já sendo impressos em apenas algumas dezenas de átomos, o desafio agora é descobrir qual combinação de diferentes átomos fornece o equilíbrio ideal entre velocidade e estabilidade. Muitas empresas estão trabalhando nisso. Recentemente, a Samsung apresentou um chip de 512 MB de memória PCRAM.

RRAM

Também está no páreo a tecnologia rival chamada memória de acesso aleatório resistiva, ou RRAM. A RRAM explora reações eletroquímicas que mudam a estrutura de ligação de certos sólidos cristalinos. A matéria-prima da RRAM é um óxido naturalmente isolante, como o de titânio. Se uma alta voltagem é aplicada a esse cristal, as ligações de elétrons que prendem os átomos de oxigênio ao cristal começam a se romper. Quando o oxigênio flui para fora do cristal, deixa buracos e elétrons excedentes disponíveis para a condução. Os buracos tendem a se alinhar em fileiras, criando canais condutores de eletricidade. Inverta a tensão e os átomos de oxigênio voltam para o canal, cortando a condução elétrica.

Essa transição cria estados de memória que apenas uma alta tensão na polaridade certa pode mudar. Aplicada essa tensão, bastam alguns espaços de oxigênio entrando e saindo do canal para alternar entre a condução e o isolamento, fazendo da RRAM uma tecnologia rápida e de baixo consumo de energia. Em escalas menores, no entanto, a estabilidade é um desafio crescente. Se um bit de alta resistência está ao lado de outro de baixa resistência, a corrente elétrica tende a tomar um atalho indesejável pelo elemento vizinho. Este é um problema que a Hewlett-Packard e outras companhias estão trabalhando para resolver.

Memória racetrack Stuart Parkin, do Almaden IBM Research Center, em San Jose, Califórnia, acredita que deveríamos repensar a concepção de memória. “Talvez considerar arquiteturas inteiramente novas, tridimensionais, permita-nos aprimorar ainda mais os dispositivos de memória”, diz ele. Ele e seus colegas da IBM começaram com uma sugestão: a memória racetrack. Nesse tipo de memória, os bits são armazenados como pequenos domínios de magnetização oposta, como em um disco rígido convencional. A diferença é que as unidades de memória, ou domínios, não são esculpidas num bloco monolítico, mas alinhadas como pérolas ao longo de um fio magnético em nanoescala. Uma corrente elétrica empurra esses domínios ao longo do fio, fazendo-os passar por cabeças de gravação e leitura, onde a informação armazenada no padrão de bits pode ser recuperada ou modificada.

A grande vantagem potencial da racetrack é a sua capacidade de armazenamento. Um único fio com a largura de um micrômetro pode armazenar informações com uma densidade comparável à da memória flash, diz Parkin. O pulo do gato, porém, está em desviar os nanofios da configuração bidimensional e organizá-los num arranjo 3D. Assim, centenas de vezes mais bits podem ser armazenados na mesma área que seria ocupada por uma memória flash. Até agora, apenas protótipos bidimensionais estão em desenvolvimento. Se as racetracks 3D forem obtidas, em breve a memória

Flash, a memória

Os discos rígidos convencionais, com seus braços mecânicos, são sugadores de energia, grandes e propensos a falhas. A memória flash, desenvolvida pela Toshiba no Japão, em 1980, é compacta e exige pouca energia. É por isso que ela dominou o mercado, apesar de seu preço mais alto.

Os bits de memória flash trabalham de forma semelhante aos transistores dentro dos microprocessadores. Num transistor, um canal condutor de elétrons é controlado por uma barreira metálica, a base. Uma tensão aplicada à base cria campos que determinam se os elétrons podem passar pelo canal ou não, produzindo as funções de “ligar” ou “desligar” — os binários 1 e 0. Na memória flash, a única diferença é que os elétrons estão presos à base por uma camada envolvente de um óxido altamente isolante, tornando os estados “ligado” e “desligado” permanentes.

O estado da memória só pode ser alterado pela aplicação de uma tensão grande, que permite que os elétrons escapem através do óxido. Isso torna os drives flash mais lentos que os HDs, e a passagem de elétrons também degrada lentamente a capacidade de isolamento do óxido. A memória flash só pode ser reescrita um número limitado de vezes — em geral entre 10 000 e 100 000 vezes — antes de falhar. Mas sua principal limitação é a densidade de armazenamento, que torna difícil avançar na miniaturização.