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]
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.
Полупроводниковые энергонезависимые запоминающие устройства с электрической адресацией можно разделить на категории в соответствии с механизмом их записи.
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 — 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 ( 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 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 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]
В памяти FeFET используется транзистор с сегнетоэлектрическим материалом для постоянного сохранения состояния.
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 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]
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 (NVMM) — это основное хранилище с энергонезависимыми атрибутами. [20] Такое применение энергонезависимой памяти создает проблемы безопасности. [21]