stringtranslate.com

Энергонезависимая память

Энергонезависимая память ( NVM ) или энергонезависимое хранилище — это тип компьютерной памяти , которая может сохранять сохраненную информацию даже после отключения питания. Напротив, энергозависимая память нуждается в постоянном питании для сохранения данных.

Энергонезависимая память обычно относится к хранению в микросхемах полупроводниковой памяти , которые хранят данные в ячейках памяти с плавающим затвором, состоящих из МОП-транзисторов с плавающим затвором ( полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник ), включая флэш-память, такую ​​как флэш-память NAND и твердотельные накопители (SSD).

Другие примеры энергонезависимой памяти включают постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), EPROM (стираемое программируемое ПЗУ ) и EEPROM (электрически стираемое программируемое ПЗУ), сегнетоэлектрическое ОЗУ , большинство типов компьютерных устройств хранения данных (например, дисковые накопители , жесткие диски , оптические диски , дискеты и магнитная лента ), а также ранние компьютерные методы хранения данных, такие как перфолента и карты . [1]

Обзор

Энергонезависимая память обычно используется для задач вторичного хранения или долгосрочного постоянного хранения. Наиболее широко используемой формой первичного хранения сегодня [ по состоянию на? ] является энергозависимая форма оперативной памяти (ОЗУ), что означает, что при выключении компьютера все, что содержится в ОЗУ, теряется. Однако большинство форм энергонезависимой памяти имеют ограничения, которые делают их непригодными для использования в качестве первичного хранения. Обычно энергонезависимая память стоит дороже, обеспечивает более низкую производительность или имеет ограниченный срок службы по сравнению с энергозависимой оперативной памятью.

Энергонезависимые хранилища данных можно разделить на системы с электрической адресацией (например, флэш-память и постоянное запоминающее устройство ) и системы с механической адресацией ( жесткие диски , оптические диски , магнитная лента , голографическая память и т. д.). [2] [3] В целом, системы с электрической адресацией дороги и имеют ограниченную емкость, но работают быстро, тогда как системы с механической адресацией обходятся дешевле в расчете на бит, но работают медленнее.

Электрически адресованный

Электрически адресуемые полупроводниковые энергонезависимые запоминающие устройства можно классифицировать по механизму записи.

Устройства только для чтения и преимущественно для чтения

Маскирующие ПЗУ программируются только на заводе и обычно используются для крупносерийных изделий, которые не требуют обновления после изготовления запоминающего устройства.

Программируемое постоянное запоминающее устройство (PROM) может быть изменено один раз после изготовления запоминающего устройства с помощью программатора PROM . Программирование часто выполняется до установки устройства в целевую систему, обычно встроенную . Программирование является постоянным, и дальнейшие изменения требуют замены устройства. Данные сохраняются путем физического изменения (прожигания) мест хранения в устройстве.

EPROM — это стираемое ПЗУ, которое можно изменять более одного раза. Однако для записи новых данных в EPROM требуется специальная схема программатора. EPROM имеют кварцевое окно, которое позволяет стирать их ультрафиолетовым светом, но все устройство очищается за один раз. Одноразовое программируемое (OTP) устройство может быть реализовано с использованием микросхемы EPROM без кварцевого окна; это менее затратно в производстве. Электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство EEPROM использует напряжение для стирания памяти. Эти стираемые запоминающие устройства требуют значительного количества времени для стирания данных и записи новых данных; они обычно не настроены для программирования процессором целевой системы. Данные хранятся с помощью транзисторов с плавающим затвором , которые требуют специальных рабочих напряжений для захвата или высвобождения электрического заряда на изолированном управляющем затворе для хранения информации.

Флэш-память

Флэш-память — это твердотельный чип, который поддерживает сохраненные данные без внешнего источника питания. Он близок к EEPROM; он отличается тем, что операции стирания должны выполняться на основе блоков, и его емкость существенно больше, чем у EEPROM. Устройства флэш-памяти используют две разные технологии — NOR и NAND — для отображения данных. Флэш-память NOR обеспечивает высокоскоростной произвольный доступ, чтение и запись данных в определенных ячейках памяти; она может извлекать всего один байт. Флэш-память NAND считывает и записывает последовательно на высокой скорости, обрабатывая данные блоками. Однако она медленнее при чтении по сравнению с NOR. Флэш-память NAND считывает быстрее, чем записывает, быстро передавая целые страницы данных. Менее дорогая, чем флэш-память NOR при высокой плотности, технология NAND обеспечивает большую емкость для кремния того же размера. [4]

Ферроэлектрическая оперативная память (F-RAM)

Ферроэлектрическая RAM ( FeRAM , F-RAM или FRAM ) — это форма памяти с произвольным доступом , похожая по конструкции на DRAM , обе используют конденсатор и транзистор, но вместо простого диэлектрического слоя конденсатора ячейка F-RAM содержит тонкую сегнетоэлектрическую пленку цирконата-титаната свинца [Pb(Zr,Ti)O 3 ] , обычно называемую PZT. Атомы Zr/Ti в PZT меняют полярность в электрическом поле, тем самым создавая двоичный переключатель. Благодаря тому, что кристалл PZT сохраняет полярность, F-RAM сохраняет свою память данных при отключении или прерывании питания.

Благодаря этой кристаллической структуре и тому, как она влияет, F-RAM предлагает свойства, отличные от других вариантов энергонезависимой памяти, включая чрезвычайно высокую, хотя и не бесконечную, долговечность (превышающую 1016 циклов чтения/записи для устройств 3,3 В), сверхнизкое энергопотребление (поскольку F-RAM не требует подкачки заряда, как другие энергонезависимые памяти), скорость записи за один цикл и устойчивость к гамма-излучению. [5]

Магниторезистивная оперативная память (MRAM)

Магниторезистивная RAM хранит данные в магнитных запоминающих элементах, называемых магнитными туннельными переходами (MTJ). Первое поколение MRAM, такое как Everspin Technologies ' 4 Mbit, использовало запись, индуцированную полем. Второе поколение разрабатывается в основном с помощью двух подходов: термическое переключение (TAS) [6] , которое разрабатывается Crocus Technology , и спин-передача крутящего момента (STT), который разрабатывают Crocus , Hynix , IBM и несколько других компаний. [7]

Память с изменением фазы (PCM)

Память с изменением фазы хранит данные в халькогенидном стекле , которое может обратимо изменять фазу между аморфным и кристаллическим состоянием , достигаемым путем нагревания и охлаждения стекла. Кристаллическое состояние имеет низкое сопротивление, а аморфная фаза имеет высокое сопротивление, что позволяет включать и выключать токи для представления цифровых состояний 1 и 0. [8] [9]

Память FeFET

Память FeFET использует транзистор с сегнетоэлектрическим материалом для постоянного сохранения состояния.

RRAM-память

RRAM (ReRAM) работает, изменяя сопротивление в диэлектрическом твердотельном материале, часто называемом мемристором. ReRAM включает в себя создание дефектов в тонком оксидном слое, известных как кислородные вакансии (места оксидных связей, где был удален кислород), которые впоследствии могут заряжаться и дрейфовать под действием электрического поля. Движение ионов кислорода и вакансий в оксиде будет аналогично движению электронов и дырок в полупроводнике.

Хотя ReRAM изначально рассматривалась как технология замены флэш-памяти, преимущества ReRAM в плане стоимости и производительности оказались недостаточными для компаний, чтобы приступить к замене. По-видимому, для ReRAM можно использовать широкий спектр материалов. Однако открытие [10] , что популярный диэлектрик с высоким κ затвором HfO 2 может использоваться в качестве низковольтной ReRAM, побудило исследователей исследовать больше возможностей.

Механически адресуемые системы

Системы с механической адресацией используют записывающую головку для чтения и записи на указанном носителе данных. Поскольку время доступа зависит от физического расположения данных на устройстве, системы с механической адресацией могут иметь последовательный доступ . Например, магнитная лента хранит данные в виде последовательности битов на длинной ленте; для доступа к любой части хранилища требуется транспортировка ленты мимо записывающей головки. Ленточные носители можно извлекать из привода и хранить, что обеспечивает неограниченную емкость за счет времени, необходимого для извлечения демонтированной ленты. [11] [12]

Жесткие диски используют вращающийся магнитный диск для хранения данных; время доступа больше, чем у полупроводниковой памяти, но стоимость за бит сохраненных данных очень низкая, и они обеспечивают произвольный доступ к любому месту на диске. Раньше были распространены сменные дисковые пакеты , позволяющие расширять емкость хранилища. Оптические диски хранят данные, изменяя пигментный слой на пластиковом диске и также имеют произвольный доступ. Доступны версии только для чтения и чтения-записи; сменные носители снова допускают неограниченное расширение, и некоторые автоматизированные системы (например, оптический музыкальный автомат ) использовались для извлечения и монтирования дисков под прямым программным управлением. [13] [14] [15]

Память на доменных стенках (DWM) хранит данные в магнитных туннельных переходах (MTJ), которые работают, управляя движением доменных стенок (DW) в ферромагнитных нанопроводах. [16]

Органический

Thinfilm производит перезаписываемую энергонезависимую органическую сегнетоэлектрическую память на основе сегнетоэлектрических полимеров . Thinfilm успешно продемонстрировала рулонную печатную память в 2009 году. [17] [18] [19] В органической памяти Thinfilm сегнетоэлектрический полимер зажат между двумя наборами электродов в пассивной матрице. Каждое пересечение металлических линий является сегнетоэлектрическим конденсатором и определяет ячейку памяти.

Энергонезависимая основная память

Энергонезависимая основная память (NVMM) — это первичное хранилище с энергонезависимыми атрибутами. [20] Такое применение энергонезависимой памяти создает проблемы безопасности. [21] NVDIMM — один из примеров энергонезависимой основной памяти.

Ссылки

  1. ^ Паттерсон, Дэвид; Хеннесси, Джон (2005). Организация и проектирование компьютеров: интерфейс оборудования и программного обеспечения. Elsevier . стр. 23. ISBN 9780080502571.
  2. ^ "i-NVMM: Защита энергонезависимой памяти на лету". Techrepublic . Август 2011. Архивировано из оригинала 22 марта 2017. Получено 21 марта 2017 .
  3. ^ "Энергонезависимая память (NVM)". Techopedia. Архивировано из оригинала 22 марта 2017 г. Получено 21 марта 2017 г.
  4. ^ Рассел Кей (7 июня 2010). "Флэш-память". ComputerWorld . Архивировано из оригинала 10 июня 2010.
  5. ^ Технология памяти F-RAM, Ramtron.com, архивировано из оригинала 27 января 2012 г. , извлечено 30 января 2012 г.
  6. ^ Появление практической MRAM "Crocus Technology | Magnetic Sensors | TMR Sensors" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2011 г. . Получено 20 июля 2009 г. .
  7. ^ "Latest News". EE|Times . Архивировано из оригинала 19 января 2012 года.
  8. ^ Хадженс, С.; Джонсон, Б. (ноябрь 2004 г.). «Обзор технологии энергонезависимой памяти на основе халькогенидов с изменением фазы». MRS Bulletin . 29 (11): 829–832. doi :10.1557/mrs2004.236. ISSN  1938-1425. S2CID  137902404.
  9. ^ Pirovano, A.; Lacaita, AL; Benvenuti, A.; Pellizzer, F.; Hudgens, S.; Bez, R. (декабрь 2003 г.). «Анализ масштабирования технологии памяти с изменением фазы». IEEE International Electron Devices Meeting 2003 г. стр. 29.6.1–29.6.4. doi :10.1109/IEDM.2003.1269376. ISBN 0-7803-7872-5. S2CID  1130884.
  10. ^ Ли, HY; Чен, PS; Ву, TY; Чен, YS; Ван, CC; Ценг, PJ; Лин, CH; Чен, F.; Лиен, CH; Цай, MJ (2008). Маломощное и высокоскоростное биполярное переключение с тонким реактивным буферным слоем Ti в надежной RRAM на основе HfO2. 2008 IE
  11. ^ "Определение: ленточный накопитель". TechTarget . Архивировано из оригинала 7 июля 2015 г. Получено 7 июля 2015 г.
  12. ^ "Tape Drives". snia.org . Архивировано из оригинала 7 июля 2015 . Получено 7 июля 2015 .
  13. ^ "Что такое жесткий диск?". computerhope.com . Архивировано из оригинала 8 июля 2015 г. . Получено 7 июля 2015 г. .
  14. ^ "IBM 2314 Disk Drives". ncl.ac.uk . Архивировано из оригинала 2 октября 2015 г. Получено 7 июля 2015 г.
  15. ^ "Оптические Blu-ray Jukeboxes и библиотеки Systems for Archiving Storage – Kintronics". kintronics.com . Архивировано из оригинала 20 июля 2015 г. Получено 7 июля 2015 г.
  16. ^ Паркин, Стюарт СП; Хаяши, Масамицу; Томас, Люк (11 апреля 2008 г.). «Память с ипподромом магнитных доменных стенок». Science . 320 (5873): 190–194. Bibcode :2008Sci...320..190P. doi :10.1126/science.1145799. PMID  18403702. S2CID  19285283.
  17. ↑ Thinfilm и InkTec награждены премией IDTechEx за техническое развитие производства IDTechEx, 15 апреля 2009 г.
  18. ^ PolyIC и ThinFilm анонсируют пилотный проект по объемной печати пластиковых запоминающих устройств. Архивировано 29 сентября 2012 г. в Wayback Machine. EETimes, 22 сентября 2009 г.
  19. ^ Все готово для массового производства печатных запоминающих устройств Архивировано 13 апреля 2010 г. в Wayback Machine Printed Electronics World, 12 апреля 2010 г.
  20. ^ "NVDIMM – Изменения уже есть, что дальше?" (PDF) . snia.org . SINA . Получено 24 апреля 2018 г. .
  21. ^ Каннан, Сахидх; Карими, Нагмех; Синаноглу, Озгур; Карри, Рамеш (22 января 2015 г.). «Уязвимости безопасности новых энергонезависимых основных запоминающих устройств и меры противодействия». Труды IEEE по автоматизированному проектированию интегральных схем и систем . 34 (1): 2–15. doi :10.1109/TCAD.2014.2369741. S2CID  14712674 – через IEEE Xplore.

Внешние ссылки