Энергонезависимая память с произвольным доступом ( NVRAM ) — это память с произвольным доступом , которая сохраняет данные без подачи питания. Это отличается от динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) и статической памяти с произвольным доступом (SRAM), которые обе сохраняют данные только до тех пор, пока подается питание, или форм памяти с последовательным доступом , таких как магнитная лента , к которой нельзя получить произвольный доступ, но которая сохраняет данные неограниченно долго без подачи питания.
Устройства памяти только для чтения могут использоваться для хранения системной прошивки во встроенных системах, таких как управление автомобильной системой зажигания или бытовая техника. Они также используются для хранения начальных инструкций процессора, необходимых для загрузки компьютерной системы. Память для чтения и записи, такая как NVRAM, может использоваться для хранения калибровочных констант, паролей или информации о настройке и может быть интегрирована в микроконтроллер .
Если бы основная память компьютерной системы была энергонезависимой, это значительно сократило бы время, необходимое для запуска системы после сбоя питания. Существующие в настоящее время типы полупроводниковой энергонезависимой памяти имеют ограничения по размеру памяти, энергопотреблению или сроку службы, что делает их непрактичными для основной памяти. Ведутся разработки по использованию энергонезависимых микросхем памяти в качестве основной памяти системы, как постоянной памяти . Стандарт для постоянной памяти, известный как NVDIMM-P, был опубликован в 2021 году. [1] [2] [3]
Некоторые ранние компьютеры использовали магнитный барабан , который был энергонезависимым как побочный продукт его конструкции. В конце 1950-х годов промышленность перешла на память на магнитных сердечниках , которая хранила данные в полярности маленьких магнитов. Поскольку магниты сохраняли свое состояние даже при отключении питания, память на сердечниках также была энергонезависимой. Другие типы памяти требовали постоянного питания для сохранения данных, такие как вакуумные трубки или твердотельные триггеры , трубки Уильямса и полупроводниковая память (статическая или динамическая RAM).
Достижения в области производства полупроводников в 1970-х годах привели к появлению нового поколения твердотельной памяти, с которой память на магнитных сердечниках не могла сравниться по стоимости или плотности. Сегодня динамическая оперативная память составляет большую часть основной памяти типичного компьютера . Многим системам требуется по крайней мере некоторая энергонезависимая память. Настольным компьютерам требуется постоянное хранение инструкций, необходимых для загрузки операционной системы. Встроенные системы, такие как компьютер управления двигателем для автомобиля, должны сохранять свои инструкции при отключении питания. Многие системы использовали комбинацию ОЗУ и некоторой формы ПЗУ для этих ролей.
Одним из решений были интегральные схемы ROM собственного производства . Содержимое памяти хранилось в виде шаблона последней маски, использованной для изготовления интегральной схемы, и поэтому не могло быть изменено после завершения.
PROM улучшил эту конструкцию, позволив конечному пользователю записывать чип электрически. PROM состоит из ряда диодов, которые изначально все установлены на одно значение, например, 1. Применяя большую мощность, чем обычно, выбранный диод может быть сожжен ( как предохранитель ), тем самым навсегда установив этот бит в 0. PROM облегчил прототипирование и мелкосерийное производство. Многие производители полупроводников предоставили версию PROM своей части маски ROM, чтобы можно было протестировать прошивку разработки перед заказом маски ROM.
В настоящее время наиболее известной формой памяти как NV-RAM, так и EEPROM является флэш-память . Некоторые недостатки флэш-памяти включают необходимость записи ее большими блоками, чем многие компьютеры могут автоматически адресовать, и относительно ограниченную долговечность флэш-памяти из-за ее конечного числа циклов записи-стирания (по состоянию на январь 2010 года большинство потребительских флэш-продуктов могут выдержать только около 100 000 перезаписей, прежде чем память начнет ухудшаться) [ необходима ссылка ] . Другим недостатком являются ограничения производительности, не позволяющие флэш-памяти соответствовать времени отклика и, в некоторых случаях, случайной адресуемости, предлагаемой традиционными формами RAM. Несколько новых технологий пытаются заменить флэш-память в определенных ролях, а некоторые даже заявляют, что являются по-настоящему универсальной памятью , предлагая производительность лучших устройств SRAM с энергонезависимостью флэш-памяти. По состоянию на июнь 2018 года эти альтернативы еще не стали общепринятыми.
Те, кому требовалась реальная производительность и энергонезависимость, как правило, должны были использовать обычные устройства RAM и резервную батарею. Например, IBM PC и их последователи, начиная с IBM PC AT, использовали энергонезависимую память BIOS , часто называемую CMOS RAM или параметрической RAM , и это было распространенным решением в других ранних микрокомпьютерных системах, таких как оригинальный Apple Macintosh , который использовал небольшой объем памяти, работающей от батареи, для хранения базовой информации о настройке, такой как выбранный загрузочный том. (Вместо этого оригинальные IBM PC и PC XT использовали DIP-переключатели для представления до 24 бит данных конфигурации системы; DIP-переключатели или аналогичные им — это другой, примитивный тип программируемого устройства ПЗУ, который широко использовался в 1970-х и 1980-х годах для очень небольших объемов данных — обычно не более 8 байт.) До промышленной стандартизации архитектуры IBM PC некоторые другие модели микрокомпьютеров использовали ОЗУ с батарейным питанием более широко: например, в TRS-80 Model 100 / Tandy 102 вся основная память (минимум 8 КБ, максимум 32 КБ) представляет собой SRAM с батарейным питанием. Кроме того, в 1990-х годах многие картриджи с программным обеспечением для видеоигр (например, для таких консолей, как Sega Genesis ) включали ОЗУ с батарейным питанием для хранения сохраненных игр, рекордов и подобных данных. Кроме того, некоторые игровые автоматы содержат модули ЦП, которые включают ОЗУ с батарейным питанием, содержащую ключи для расшифровки игрового программного обеспечения «на лету». Сегодня гораздо более объемная память с батарейным питанием по-прежнему используется в качестве кэшей для высокоскоростных баз данных , требующих уровня производительности, которого новые устройства NVRAM пока не смогли достичь.
Огромным достижением в технологии NVRAM стало внедрение транзистора MOSFET с плавающим затвором , что привело к появлению стираемой программируемой постоянной памяти , или EPROM . EPROM состоит из сетки транзисторов, затворный вывод которых (переключатель) защищен высококачественным изолятором. При проталкивании электронов к базе с применением более высокого, чем обычно, напряжения, электроны оказываются запертыми на дальней стороне изолятора, тем самым постоянно включая транзистор (1). EPROM можно сбросить в базовое состояние (все 1 или 0, в зависимости от конструкции) путем применения ультрафиолетового света (УФ). УФ- фотоны обладают достаточной энергией, чтобы протолкнуть электроны через изолятор и вернуть базу в основное состояние. В этот момент EPROM можно перезаписать с нуля.
Вскоре последовало усовершенствование EPROM, EEPROM . Дополнительная буква E означает electrically (электрически) , что указывает на возможность сбрасывать EEPROM с помощью электричества вместо ультрафиолета, что значительно упрощает использование устройств на практике. Биты сбрасываются с помощью приложения еще более высокой мощности через другие клеммы транзистора ( исток и сток ). Этот мощный импульс, по сути, всасывает электроны через изолятор, возвращая его в основное состояние. Однако этот процесс имеет недостаток в виде механической деградации чипа, поэтому системы памяти на основе транзисторов с плавающим затвором в целом имеют короткое время жизни записи, порядка 10 5 записей в любой конкретный бит.
Один из подходов к преодолению ограничения количества перезаписей — иметь стандартную SRAM , где каждый бит резервируется битом EEPROM. В нормальном режиме работы чип функционирует как быстрое SRAM, а в случае сбоя питания содержимое быстро переносится в часть EEPROM, откуда оно загружается обратно при следующем включении питания. Такие чипы были названы их производителями NOVRAM [4] .
Основа флэш-памяти идентична EEPROM и во многом отличается внутренней компоновкой. Флэш-память позволяет записывать свою память только блоками, что значительно упрощает внутреннюю разводку и позволяет достичь более высокой плотности. Плотность хранения памяти является основным фактором, определяющим стоимость большинства систем компьютерной памяти, и благодаря этому флэш-память превратилась в одно из самых дешевых твердотельных устройств памяти. Начиная примерно с 2000 года, спрос на все большие объемы флэш-памяти заставил производителей использовать только новейшие системы изготовления, чтобы максимально увеличить плотность. Хотя ограничения по изготовлению начинают вступать в игру, новые «многобитовые» технологии , по-видимому, способны удвоить или учетверить плотность даже при существующей ширине линий.
Ограниченные циклы записи Flash и EEPROM являются серьезной проблемой для любой реальной роли типа RAM. Кроме того, высокая мощность, необходимая для записи ячеек, является проблемой в ролях с низким энергопотреблением, где часто используется NVRAM. Энергии также требуется время для накопления в устройстве, известном как зарядовый насос , что делает запись значительно медленнее чтения, часто в 1000 раз. Для устранения этих недостатков был предложен ряд новых устройств памяти.
На сегодняшний день единственной такой системой, которая вышла в широкое производство, является сегнетоэлектрическая RAM , или F-RAM (иногда называемая FeRAM). F-RAM — это память с произвольным доступом, похожая по конструкции на DRAM, но (вместо диэлектрического слоя, как в DRAM) содержащая 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. В отличие от устройств RAM, F-RAM сохраняет свою память данных при отключении или прерывании питания, поскольку кристалл PZT сохраняет полярность. Благодаря этой кристаллической структуре и тому, как она влияет, F-RAM предлагает свойства, отличные от других вариантов энергонезависимой памяти, включая чрезвычайно высокую выносливость (превышающую 10 16 циклов доступа 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] Ramtron International разработала, произвела и лицензировала сегнетоэлектрическую оперативную память (F-RAM), а другие компании, лицензировавшие и производившие технологию F-RAM, включают Texas Instruments , Rohm и Fujitsu .
Другой подход, который должен увидеть основные усилия по разработке, — это магниторезистивная память с произвольным доступом , или MRAM, которая использует магнитные элементы и в целом работает аналогично ядру, по крайней мере, для технологии первого поколения. На сегодняшний день в производство поступил только один чип MRAM: 4-мегабитная часть Everspin Technologies , которая представляет собой MRAM первого поколения, использующую запись, индуцированную перекрестным полем. [6] В настоящее время разрабатываются две технологии второго поколения: Thermal Assisted Switching (TAS), [7] которая разрабатывается Crocus Technology , и spin-transfer torque (STT), над которой работают Crocus, Hynix , IBM и несколько других компаний. [8] STT-MRAM, по-видимому, позволяет достичь гораздо более высокой плотности, чем у первого поколения, но отстает от флэш-памяти по тем же причинам, что и FeRAM — огромное конкурентное давление на рынке флэш-памяти.
Другая твердотельная технология, которая не ограничивается чисто экспериментальной разработкой, — это ОЗУ с изменением фазы , или PRAM. PRAM основана на том же механизме хранения, что и записываемые CD и DVD , но считывает их на основе изменений их электрического сопротивления, а не изменений их оптических свойств. Считавшаяся некоторое время темной лошадкой, в 2006 году Samsung объявила о выпуске 512-мегабитной детали, что значительно превышает емкость MRAM или FeRAM. Плотность записи этих деталей, по-видимому, даже выше, чем у современных флэш-устройств, а более низкий общий объем хранения обусловлен отсутствием многобитового кодирования. За этим объявлением последовало объявление от Intel и STMicroelectronics , которые продемонстрировали свои собственные устройства PRAM на Форуме разработчиков Intel 2006 года в октябре.
У Intel и Micron Technology было совместное предприятие по продаже устройств PRAM под названиями 3D XPoint , Optane и QuantX, которое было прекращено в июле 2022 года. [9] [10]
Компания STMicroelectronics производит устройства фазовой памяти для автомобильной промышленности.
Возможно, одним из наиболее инновационных решений является память millipede , разработанная IBM . Millipede, по сути, представляет собой перфокарту, созданную с использованием нанотехнологий для значительного увеличения плотности записи. Хотя Millipede планировалось представить еще в 2003 году, неожиданные проблемы в разработке задержали это до 2005 года, к тому времени она уже не могла конкурировать с флэш-памятью. Теоретически эта технология обеспечивает плотность хранения порядка 1 Тбит/дюйм2 ( ≈155 Гбит/см2 ) , что превышает даже лучшие технологии жестких дисков , используемые в настоящее время ( перпендикулярная запись обеспечивает 636 Гбит/дюйм2 ( ≈98,6 Гбит/см2 ) по состоянию на декабрь 2011 года [11] ), но будущая магнитная запись с использованием нагрева и структурированные носители вместе могут поддерживать плотность 10 Тбит/дюйм2 [ 12] (≈1,55 Тбит/см2 ) . Однако медленное чтение и запись для столь объемной памяти, по-видимому, ограничивает применение этой технологии только заменой жестких дисков, а не высокоскоростной оперативной памятью, хотя в значительной степени то же самое относится и к флэш-памяти.
Альтернативным применением сегнетоэлектриков (на основе оксида гафния) является память на основе Fe FET , которая использует сегнетоэлектрик между затвором и устройством полевого транзистора . Такие устройства, как утверждается, имеют преимущество в том, что они используют ту же технологию, что и литография на основе HKMG (high-L metal gate), и масштабируются до тех же размеров, что и обычный FET на данном технологическом узле . По состоянию на 2017 год были продемонстрированы 32-мегабитные устройства на 22 нм .