Энергонезависимая память с произвольным доступом - Non-volatile random-access memory

Смотрите также: Энергонезависимая память BIOS
Память компьютера типы
Общее
Летучий
баран
Исторический
Энергонезависимая
ПЗУ
NVRAM
Ранняя стадия NVRAM
Магнитный
Оптический
В развитии
Исторический

Энергонезависимая память с произвольным доступом (NVRAM) является оперативная память который сохраняет данные без подачи питания. Это в отличие от динамическая память с произвольным доступом (DRAM) и статическая оперативная память (SRAM), которые хранят данные только до тех пор, пока подается питание, или такие формы памяти, как магнитная лента, к которой нельзя получить произвольный доступ, но которая хранит данные бесконечно без электроэнергии.

Только для чтения памяти устройства могут использоваться для хранения системы прошивка в встроенные системы например, система управления автомобильным зажиганием или бытовая техника. Они также используются для хранения начальных инструкций процессора, необходимых для бутстрап компьютерная система. Память чтения-записи может использоваться для хранения калибровочных констант, паролей или информации о настройках и может быть интегрирована в микроконтроллер.

Если бы основная память компьютерной системы была энергонезависимой, это значительно сократило бы время, необходимое для запуска системы после отключения питания. Существующие в настоящее время типы полупроводниковой энергонезависимой памяти имеют ограничения по размеру памяти, потребляемой мощности или сроку службы, что делает их непрактичными для основной памяти. Продолжаются разработки для использования микросхем энергонезависимой памяти в качестве основной памяти системы, так как постоянная память. Известный как NVDIMM-P, ожидается, что он будет выпущен в 2020 году.[1][2]

Ранние NVRAM

Ранние компьютеры использовали системы памяти ядра и барабана, которые были энергонезависимыми в качестве побочного продукта их построения. Наиболее распространенной формой памяти в 1960-х годах была магнитная память, в котором хранятся данные в полярности небольших магнитов. Поскольку магниты сохраняли свое состояние даже при отключенном питании, основная память также была энергонезависимой. Другим типам памяти требуется постоянная мощность для хранения данных, например вакуумная труба или твердотельный шлепки, Трубки Вильямса, и полупроводниковая память (статическая или динамическая RAM).

Достижения в производство полупроводников в 1970-х годах привело к появлению нового поколения твердое состояние память, с которой память на магнитном сердечнике не могла сравниться ни по стоимости, ни по плотности. Сегодня динамическая RAM составляет подавляющее большинство типичных компьютеров. основная память. Многие системы требуют по крайней мере некоторой энергонезависимой памяти. Настольные компьютеры требуют постоянного хранения 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 для этих ролей комбинацию ОЗУ и ПЗУ в той или иной форме.

Обычай ПЗУ интегральные схемы были одним из решений. Содержимое памяти хранилось как образец последней маски, использованной для изготовления интегральной схемы, и поэтому не могло быть изменено после завершения.

ВЫПУСКНОЙ ВЕЧЕР усовершенствованная конструкция, позволяющая конечному пользователю писать в микросхему электрически. PROM состоит из серии диодов, для которых изначально установлено одно значение, например «1». Подавая более высокую мощность, чем обычно, выбранный диод можно «сжечь» (например, предохранитель ), тем самым постоянно устанавливая этот бит в "0". PROM способствовал созданию прототипов и мелкосерийному производству. Многие производители полупроводников предоставили PROM-версию своей части ПЗУ маски, так что разработка прошивка может быть протестирован перед заказом ПЗУ с маской.

В настоящее время наиболее известная форма NV-RAM и EEPROM память флэш-память. Некоторые недостатки флэш-памяти включают требование записывать ее большими блоками, чем многие компьютеры могут автоматически адресовать, и относительно ограниченный срок службы флэш-памяти из-за ее конечного числа циклов записи-стирания (по состоянию на январь 2010 года большинство потребительских флэш-продуктов могут выдерживать всего около 100000 перезаписей до того, как память начнет ухудшаться)[нужна цитата ]. Другим недостатком является ограничение производительности, не позволяющее флэш-памяти соответствовать времени отклика, и, в некоторых случаях, случайная адресация, предлагаемая традиционными формами ОЗУ. Некоторые новые технологии пытаются заменить флэш в определенных ролях, а некоторые даже заявляют, что они действительно универсальная память, предлагая производительность лучших устройств SRAM с энергонезависимостью флэш-памяти.[3] По состоянию на июнь 2018 года эти альтернативы еще не получили широкого распространения.

Тем, кому требовалась реальная производительность и энергонезависимость, подобная ОЗУ, обычно приходилось использовать обычные устройства ОЗУ и резервную батарею. Например, IBM PC и его последователи, начиная с IBM PC AT используемый энергонезависимая память BIOS, часто называют CMOS RAM или Параметр RAM, и это было обычным решением в других ранних микрокомпьютерных системах, таких как оригинальный Apple Macintosh, в котором использовался небольшой объем памяти с питанием от батареи для хранения базовой информации о настройке, такой как выбранный загрузочный том. (В исходных IBM PC и PC XT вместо этого использовались DIP-переключатели для представления до 24 бит данных конфигурации системы; DIP-переключатели или аналогичные переключатели представляют собой другой примитивный тип программируемого устройства ПЗУ, которое широко использовалось в 1970-х и 1980-х годах для очень небольших количеств данных (обычно не более 8 байт). До промышленной стандартизации архитектуры IBM PC некоторые другие модели микрокомпьютеров более широко использовали ОЗУ с резервным питанием от батарей: например, в TRS-80 Модель 100 / Tandy 102, вся основная память (минимум 8 КБ, максимум 32 КБ) - это SRAM с батарейным питанием. Кроме того, в 1990-х годах многие картриджи с программным обеспечением для видеоигр (например, для таких консолей, как Sega Genesis ) включала оперативную память с резервным питанием от батареи для сохранения сохраненных игр, рекордов и других подобных данных. Кроме того, некоторые шкафы для аркадных видеоигр содержат модули ЦП, которые включают в себя ОЗУ с батарейным питанием, содержащее ключи для дешифрования игрового программного обеспечения на лету. Память с батарейным питанием гораздо большего размера используется и сегодня в тайники для высокоскоростной базы данных которые требуют уровня производительности, которому новые устройства NVRAM еще не смогли удовлетворить.

МОП-транзистор с плавающим затвором

Огромным прорывом в технологии NVRAM стало введение МОП-транзистор с плавающим затвором транзистор, что привело к появлению стираемая программируемая постоянная память, или EPROM. EPROM состоит из сетки транзисторов, Ворота клемма («выключатель») защищена качественным изолятором. Путем «подталкивания» электронов к базе с приложением напряжения, превышающего нормальное, электроны захватываются на дальней стороне изолятора, тем самым постоянно включая транзистор («1»). EPROM может быть повторно установлен в «базовое состояние» (все «1» или «0», в зависимости от конструкции), применив ультрафиолетовый свет (УФ). УФ фотоны имеют достаточно энергии, чтобы протолкнуть электроны через изолятор и вернуть базу в основное состояние. На этом этапе EPROM можно переписать с нуля.

Улучшение EPROM, EEPROM, вскоре последовал. Дополнительная буква "E" означает электрически, имея в виду возможность сброса EEPROM с использованием электричества вместо УФ, что значительно упрощает использование устройств на практике. Биты переустанавливаются с приложением еще большей мощности через другие выводы транзистора (источник и осушать). Этот мощный импульс, по сути, всасывает электроны через изолятор, возвращая его в основное состояние. Однако этот процесс имеет недостаток, заключающийся в механической деградации микросхемы, поэтому системы памяти на основе транзисторов с плавающим затвором в целом имеют короткое время записи, порядка 105 пишет в любой конкретный бит.

Один из подходов к преодолению ограничения на количество перезаписей - иметь стандартный SRAM где каждый бит зарезервирован битом EEPROM. При нормальной работе микросхема функционирует как быстрая SRAM, и в случае сбоя питания содержимое быстро передается в часть EEPROM, откуда загружается обратно при следующем включении питания. Такие фишки назывались NOVRAMs[4] их производителями.

Основа флэш-память идентична EEPROM и существенно отличается внутренней компоновкой. Flash позволяет записывать в свою память только блоки, что значительно упрощает внутреннюю разводку и позволяет использовать более высокую плотность. Плотность памяти является основным фактором, определяющим стоимость в большинстве компьютерных систем памяти, и благодаря этому флэш-память превратилась в одно из самых дешевых устройств твердотельной памяти. Начиная примерно с 2000 года спрос на постоянно растущие количества вспышек заставил производителей использовать только новейшие производственные системы, чтобы максимально увеличить плотность. Хотя ограничения на изготовление начинают действовать, новые "многобитные" техники похоже, могут удвоить или учетверить плотность даже при существующей ширине линии.

Новые подходы

Однако ограниченные циклы записи Flash и EEPROM являются серьезной проблемой для любой реальной роли, подобной RAM. Кроме того, высокая мощность, необходимая для записи ячеек, является проблемой в ролях с низким энергопотреблением, где часто используется NVRAM. Электроэнергии также нужно время, чтобы «накопить» устройство, известное как зарядный насос, что делает запись намного медленнее чтения, часто в 1000 раз. Для устранения этих недостатков был предложен ряд новых запоминающих устройств.

Сегнетоэлектрическое ОЗУ

На сегодняшний день единственной такой системой, которая может выйти в массовое производство, является сегнетоэлектрическое RAM, или F-RAM (иногда называемый FeRAM). F-RAM - это оперативная память аналогичен по конструкции DRAM но (вместо диэлектрик слой как в DRAM) содержит тонкую сегнетоэлектрическую пленку титаната цирконата свинца [Pb (Zr, Ti) O3], обычно называемый PZT. Атомы Zr / Ti в PZT меняют полярность в электрическом поле, тем самым создавая бинарный переключатель. В отличие от устройств RAM, F-RAM сохраняет свою память данных при отключении или прерывании питания из-за того, что кристалл PZT поддерживает полярность. Благодаря такой кристаллической структуре и влиянию на нее F-RAM предлагает отличные от других вариантов энергонезависимой памяти свойства, в том числе чрезвычайно высокую долговечность (более 1016 циклы доступа для устройств 3,3 В), сверхнизкое энергопотребление (поскольку F-RAM не требует подкачки заряда, как другие энергонезависимые запоминающие устройства), скорость записи за один цикл и устойчивость к гамма-излучению.[5] Ramtron International разработал, произвел и лицензировал сегнетоэлектрическое RAM (F-RAM) и другие компании, которые лицензировали и производили технологию F-RAM, включая Инструменты Техаса, Ром, и Fujitsu.

Магниторезистивная RAM

Другой подход, позволяющий увидеть основные усилия по разработке, - магниторезистивная память с произвольным доступом, или MRAM, в котором используются магнитные элементы и в целом работает аналогично сердечнику, по крайней мере, для технологии первого поколения. На сегодняшний день в производство запущен только один чип MRAM: Everspin Technologies Часть 4 Мбит, которая представляет собой MRAM первого поколения, в которой используется запись, индуцированная полем кросс-точки.[6] В настоящее время в разработке находятся два метода второго поколения: Переключение с тепловой поддержкой (ТАС),[7] который разрабатывается Крокус Технологии, и крутящий момент передачи вращения (СТТ) на котором Крокус, Hynix, IBM, и еще несколько компаний.[8] STT-MRAM, по-видимому, обеспечивает гораздо более высокую плотность, чем у первого поколения, но отстает от флэш-памяти по тем же причинам, что и FeRAM - огромное конкурентное давление на рынке флэш-памяти.

ОЗУ с фазовым переходом

Еще одна твердотельная технология, которая требует большего, чем чисто экспериментальное развитие, - это ОЗУ с фазовым переходом, или PRAM. PRAM основан на том же механизме хранения, что и записываемый. Компакт-диски и DVD, но считывает их, основываясь на изменении электрического сопротивления, а не на изменениях их оптических свойств. Некоторое время считался «темной лошадкой», в 2006 году. Samsung объявила о доступности модуля на 512 Мбит, что значительно превышает емкость MRAM или FeRAM. Плотность записи этих частей оказывается даже выше, чем у современных флэш-устройств, а меньшая общая емкость хранилища связана с отсутствием многобитового кодирования. За этим объявлением последовало сообщение от Intel и STMicroelectronics, которые продемонстрировали собственные устройства PRAM на выставке 2006 г. Форум разработчиков Intel в октябре.

Intel и STMicroelectronics сейчас продают потребителям устройства на базе PRAM под именами 3D XPoint Optane и QuantX.[9]

Многоножка память

Основная статья: Многоножка память

Возможно, одним из наиболее инновационных решений является многоножка память, разработан IBM. Многоножка по сути перфокарта визуализировано с использованием нанотехнологии для того, чтобы резко увеличить поверхностную плотность. Хотя планировалось представить Millipede еще в 2003 году, неожиданные проблемы в разработке отложили это до 2005 года, когда он уже не мог конкурировать с flash. Теоретически эта технология предлагает плотность хранения порядка 1 Тбит / дюйм² (≈394 Гбит / см²), что превышает даже самую лучшую. жесткий диск технологии, используемые в настоящее время (перпендикулярная запись предлагает 636 Гбит / дюйм² (≈250,4 Гбит / см²) по состоянию на декабрь 2011 г.[10]), но будущее магнитная запись с подогревом и узорчатые медиа вместе могут поддерживать плотность 10 Тбит / дюйм²[11] (≈3,95 Тбит / см²). Однако медленное время чтения и записи для памяти такого размера, похоже, ограничивает эту технологию заменой жестких дисков, в отличие от использования высокоскоростной RAM, хотя в очень большой степени то же самое верно и для флэш-памяти.

FeFET память

Основная статья: FeFET память

Альтернативное применение (на основе оксида гафния) сегнетоэлектрики является Fe FET на основе памяти, в которой используется сегнетоэлектрик между затвором и устройством полевой транзистор. Утверждается, что такие устройства имеют то преимущество, что они используют ту же технологию, что и HKMG (с металлическим затвором с высоким L) и масштабируется до того же размера, что и обычный полевой транзистор при заданном узел процесса. По состоянию на 2017 год 32Мбит устройства демонстрировались на 22 нм.

Другие

Был предложен ряд более эзотерических приемов, в том числе Нано-RAM на основе технология углеродных нанотрубок, но в настоящее время они далеки от коммерциализации. Преимущества таких наноструктур, как квантовые точки, углеродные нанотрубки и нанопровода Предложение по сравнению с их предшественниками на основе кремния включает их крошечный размер, скорость и плотность. Недавно было разработано несколько концепций устройств памяти молекулярного масштаба. Также были проведены исследования в области проектирования память о беговой дорожке, также называемая памятью доменной стенки.[12] Также наблюдается возобновление интереса к кремнию-оксид-нитрид-оксид-кремний (SONOS ) объем памяти.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ «Стандарты JEDEC DDR5 и NVDIMM-P в стадии разработки» (Пресс-релиз). JEDEC. 2017-03-30.
  2. ^ «JEDEC проведет семинары по стандартам DDR5, LPDDR5 и NVDIMM-P» (Пресс-релиз). JEDEC. 2019-09-05.
  3. ^ "Обзор архитектурных подходов к управлению встроенной памятью DRAM и энергонезависимыми встроенными кэшами ", Миттал и др., IEEE TPDS, 2014.
  4. ^ Чан, Питер (21 апреля 2005 г.). «Функции и приложения X4C105 NOVRAM» (PDF). Интерсил. Архивировано из оригинал (PDF) на 2007-06-14.
  5. ^ «Технология памяти F-RAM». Ramtron. Архивировано из оригинал на 2012-04-18. Получено 2012-06-08.
  6. ^ "Технологии". Everspin. Архивировано из оригинал 10 июня 2009 г.
  7. ^ Хоберман, Барри. «Появление практического MRAM» (PDF). Крокус Технологии. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-04-27. Получено 2009-07-20.
  8. ^ Лапедус, Марк (18.06.2009). «Tower инвестирует в Crocus, подсказывает сделку с литейным заводом MRAM». EE Times. Получено 2020-01-09.
  9. ^ https://pcper.com/2017/06/how-3d-xpoint-phase-change-memory-works/. Отсутствует или пусто | название = (Помогите)
  10. ^ «Hitachi GST поставляет жесткие диски объемом один терабайт на пластину» (Пресс-релиз). Hitachi Global Storage Technologies. 2011-08-03. Архивировано из оригинал на 2011-10-26. Получено 2011-12-17.
  11. ^ Джонстон, Кейси (07.05.2011). «Новые пакеты методов записи на жесткие диски - один терабит на дюйм». Ars Technica. Получено 2011-12-17.
  12. ^ Миттал, Спарш (2016). «Обзор методов проектирования компонентов процессора с использованием памяти доменной стенки». ACM Journal о новых технологиях в вычислительных системах. 13 (2): 1–25. Дои:10.1145/2994550.

внешняя ссылка