stringtranslate.com

Энергонезависимая память

Энергонезависимая память ( NVM ) или энергонезависимое хранилище — это тип компьютерной памяти , который может сохранять сохраненную информацию даже после отключения питания. Напротив, энергозависимая память требует постоянного питания 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. -состояние дисков (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 вторичного или долговременного постоянного хранения. Наиболее широко используемая сегодня форма первичного хранилища [ по состоянию на? ] — это энергозависимая форма оперативной памяти (ОЗУ), что означает, что при выключении компьютера все, что находится в ОЗУ, теряется. Однако большинство форм энергонезависимой памяти имеют ограничения, которые делают их непригодными для использования в качестве основного хранилища. Как правило, энергонезависимая память стоит дороже, обеспечивает меньшую 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 постоянная память ) и системы с механической адресацией ( жесткие диски , оптические диски , магнитная лента , голографическая память и т. д.). [2] [3] Вообще говоря, системы с электрической адресацией дороги и имеют ограниченную пропускную способность, но работают быстро, тогда как системы с механической адресацией стоят меньше за бит, но работают медленнее.

Электрически адресованный

Полупроводниковые энергонезависимые запоминающие устройства с электрической адресацией можно разделить на категории в соответствии с механизмом их записи.

Устройства только для чтения и устройства, предназначенные преимущественно для чтения

ПЗУ маски программируются только на заводе и обычно используются для продуктов большого объема, которые не требуют обновления после изготовления устройства памяти.

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

EPROM — это стираемое ПЗУ , которое можно изменять более одного раза. Однако для записи новых данных в EPROM требуется специальная схема программатора. СППЗУ имеют кварцевое окно, позволяющее стирать их ультрафиолетовым светом, но одновременно очищается все устройство. Одноразово программируемое (OTP) устройство может быть реализовано с использованием микросхемы EPROM без кварцевого окна; это менее затратно в производстве. Электрически стираемая программируемая постоянная память EEPROM использует напряжение для стирания памяти. Этим устройствам стираемой памяти требуется значительное количество времени для стирания данных и записи новых данных; они обычно не настраиваются для программирования процессором целевой системы. Данные хранятся с помощью транзисторов с плавающим затвором , которым требуется специальное рабочее напряжение для улавливания или высвобождения электрического заряда на изолированном управляющем затворе для хранения информации.

Флэш-память

Флэш-память — это твердотельный чип, который сохраняет хранимые данные без какого-либо внешнего источника питания. Это близкий родственник EEPROM; он отличается тем, что операции стирания должны выполняться поблочно, а его емкость существенно больше, чем у EEPROM. Устройства флэш-памяти используют две разные технологии — NOR и NAND — для сопоставления данных. NOR flash обеспечивает высокоскоростной произвольный доступ, чтение и запись данных в определенные ячейки памяти; он может получить всего один байт. Флэш-память NAND считывает и записывает последовательно на высокой скорости, обрабатывая данные блоками. Однако он медленнее читает по сравнению с NOR. Флеш-память NAND читает 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]

Сегнетоэлектрическое ОЗУ (F-RAM)

Сегнетоэлектрическое ОЗУ ( FeRAM , F-RAM или FRAM ) — это форма оперативной памяти, аналогичная по конструкции DRAM , в обеих используются конденсатор и транзистор, но вместо использования простого диэлектрического слоя конденсатор, ячейка F-RAM содержит тонкую сегнетоэлектрическая пленка цирконата-титаната свинца [Pb(Zr,Ti)O 3 ] , обычно называемая PZT. Атомы Zr/Ti в ЦТС меняют полярность в электрическом поле, создавая тем самым бинарный 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 на нее влияют, F-RAM обладает свойствами, отличными от других вариантов энергонезависимой памяти, включая чрезвычайно высокий, хотя и не бесконечный, срок службы (превышающий 10 16 циклов чтения/записи для устройств с напряжением 3,3 В), сверхнизкое энергопотребление. потребление (поскольку F-RAM не требует подкачки заряда, как другие энергонезависимые запоминающие устройства), скорость записи за один цикл и устойчивость к гамма-излучению. [5]

Магниторезистивное ОЗУ (MRAM)

Магниторезистивное ОЗУ хранит данные в магнитных запоминающих элементах, называемых магнитными туннельными переходами (MTJ). Первое поколение MRAM, такое как 4 Мбит Everspin Technologies , использовало запись, индуцированную полем. Второе поколение разрабатывается в основном с помощью двух подходов: термического переключения (TAS) [6] , которое разрабатывается Crocus Technology , и Spin-Transfer Torque (STT), которое разрабатывают Crocus , Hynix , IBM и ряд других компаний. [7]

Память с фазовым изменением (PCM)

Память с фазовым переходом хранит данные в халькогенидном стекле , которое может обратимо менять фазу между аморфным и кристаллическим состояниями , что достигается путем нагревания и охлаждения стекла. Кристаллическое состояние имеет низкое сопротивление, а аморфная фаза имеет высокое сопротивление, что позволяет включать и выключать токи, отображая состояния цифровых 1 и 0 . [8] [9]

Память FeFET

В памяти FeFET используется транзистор с сегнетоэлектрическим материалом для постоянного сохранения состояния.

RRAM-память

RRAM (ReRAM) работает путем изменения сопротивления диэлектрического твердотельного материала, часто называемого мемристором. ReRAM предполагает создание дефектов в тонком оксидном слое, известных как кислородные вакансии (места оксидных связей, из которых был удален кислород), которые впоследствии могут заряжаться и дрейфовать под действием электрического поля. Движение ионов кислорода и вакансий в оксиде было бы аналогично движению электронов и дырок в полупроводнике.

Хотя ReRAM изначально рассматривалась как технология замены флэш-памяти, преимущества ReRAM по стоимости и производительности оказались недостаточными для того, чтобы компании могли приступить к замене. Судя по всему, для ReRAM можно использовать широкий спектр материалов. Однако открытие [10] того, что популярный диэлектрик затвора с высоким κ HfO 2 может использоваться в качестве низковольтного ReRAM, побудило исследователей исследовать больше возможностей.

Системы с механической адресацией

Системы с механической адресацией используют записывающую головку для чтения и записи на назначенный носитель данных. Поскольку время доступа зависит от физического расположения данных на устройстве, в системах с механической адресацией может быть 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. Ленточный носитель можно извлечь из привода и сохранить, что дает неограниченную емкость за счет времени, необходимого для извлечения демонтированной ленты. [11] [12]

В жестких дисках для хранения данных используется вращающийся магнитный диск; время доступа больше, чем у полупроводниковой памяти, но стоимость одного сохраненного бита данных очень низка, и они обеспечивают произвольный доступ к любому месту на диске. Раньше были распространены съемные дисковые пакеты , позволяющие расширить емкость хранилища. Оптические диски хранят данные путем изменения пигментного слоя на пластиковом диске и также имеют произвольный доступ. Доступны версии только для чтения и для чтения и записи; съемные носители снова допускают неограниченное расширение, а некоторые автоматизированные системы (например, оптический музыкальный автомат ) использовались для извлечения и монтирования дисков под прямым программным управлением. [13] [14] [15]

Память доменной стенки (DWM) хранит данные в магнитных туннельных переходах (MTJ), которые работают, управляя движением доменной стенки (ДВ) в ферромагнитных нанопроводах. [16]

Органический

Компания Thinfilm производит перезаписываемую энергонезависимую органическую сегнетоэлектрическую память на основе сегнетоэлектрических полимеров . В 2009 году компания Thinfilm успешно продемонстрировала память , напечатанную с рулона на рулон. [17] [18] [19] В органической памяти Thinfilm сегнетоэлектрический полимер зажат между двумя наборами электродов в пассивной матрице. Каждое пересечение металлических линий представляет собой сегнетоэлектрический конденсатор и определяет ячейку памяти.

Энергонезависимая основная память

Энергонезависимая основная память (NVMM) — это основное хранилище с энергонезависимыми атрибутами. [20] Такое применение энергонезависимой памяти создает проблемы безопасности. [21]

Рекомендации

  1. ^ Паттерсон, Дэвид; Хеннесси, Джон (2005). Организация и дизайн компьютера: аппаратно-программный интерфейс. Эльзевир . п. 23. ISBN 9780080502571.
  2. ^ «i-NVMM: защита энергонезависимой памяти на лету» . Техреспублика . Август 2011. Архивировано из оригинала 22 марта 2017 года . Проверено 21 марта 2017 г.
  3. ^ «Энергонезависимая память (NVM)» . Техопедия. Архивировано из оригинала 22 марта 2017 года . Проверено 21 марта 2017 г.
  4. Рассел Кей (7 июня 2010 г.). "Флэш-память". Компьютерный мир . Архивировано из оригинала 10 июня 2010 года.
  5. ^ F-RAM Memory Technology, Ramtron.com, заархивировано из оригинала 27 января 2012 г. , получено 30 января 2012 г.
  6. ^ Появление практической MRAM «Технология Crocus | Магнитные датчики | Датчики TMR» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2011 года . Проверено 20 июля 2009 г.
  7. ^ «Последние новости». ЭЭ|Таймс . Архивировано из оригинала 19 января 2012 года.
  8. ^ Хадженс, С.; Джонсон, Б. (ноябрь 2004 г.). «Обзор технологии энергонезависимой памяти на основе халькогенидов с фазовым переходом». Вестник МРС . 29 (11): 829–832. дои : 10.1557/mrs2004.236. ISSN  1938-1425. S2CID  137902404.
  9. ^ Пировано, А.; Лакаита, Алабама; Бенвенути, А.; Пеллизцер, Ф.; Хадженс, С.; Без, Р. (декабрь 2003 г.). «Масштабный анализ технологии памяти с фазовым изменением». Международная конференция IEEE по электронным устройствам , 2003 г. стр. 29.6.1–29.6.4. doi :10.1109/IEDM.2003.1269376. ISBN 0-7803-7872-5. S2CID  1130884.
  10. ^ Ли, Хай; Чен, PS; Ву, Тай; Чен, Ю.С.; Ван, CC; Ценг, П.Дж.; Лин, CH; Чен, Ф.; Лиен, Швейцария; Цай, MJ (2008). Низкое энергопотребление и высокая скорость биполярного переключения с тонким реактивным буферным слоем Ti в надежной RRAM на основе HfO2. 2008 ИП
  11. ^ «Определение: ленточный накопитель» . ТехТаржет . Архивировано из оригинала 7 июля 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.
  12. ^ «Ленточные накопители». snia.org . Архивировано из оригинала 7 июля 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.
  13. ^ «Что такое жесткий диск?». www.computerhope.com . Архивировано из оригинала 8 июля 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.
  14. ^ «Дисковые накопители IBM 2314» . ncl.ac.uk. ​Архивировано из оригинала 2 октября 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.
  15. ^ «Оптические музыкальные автоматы Blu-ray и библиотечные системы для хранения архивов - Kintronics» . kintronics.com . Архивировано из оригинала 20 июля 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.
  16. ^ Паркин, Стюарт С.П.; Хаяси, Масамицу; Томас, Люк (11 апреля 2008 г.). «Магнитная память ипподрома с доменной стеной». Наука . 320 (5873): 190–194. Бибкод : 2008Sci...320..190P. дои : 10.1126/science.1145799. PMID  18403702. S2CID  19285283.
  17. ^ Thinfilm и InkTec награждены наградой IDTechEx за техническое развитие производства IDTechEx, 15 апреля 2009 г.
  18. PolyIC и ThinFilm объявляют о пилотном выпуске объемной печатной пластиковой памяти. Архивировано 29 сентября 2012 г. в Wayback Machine EETimes, 22 сентября 2009 г.
  19. ^ Все готово для крупносерийного производства печатных воспоминаний. 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 . СИНА . Проверено 24 апреля 2018 г.
  21. ^ Каннан, Сахид; Карими, Нагме; Синаноглу, Озгур; Карри, Рамеш (22 января 2015 г.). «Уязвимости безопасности возникающих энергонезависимых основных воспоминаний и меры противодействия». Транзакции 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