Войти
Энергонезависимая память с произвольным доступом (NVRAM ) - это память с произвольным доступом, в которой данные хранятся без подачи питания. Это контрастирует с динамической памятью с произвольным доступом (DRAM) и статической памятью с произвольным доступом (SRAM), которые хранят данные только до тех пор, пока подается питание, и т. формы памяти в виде магнитной ленты, к которой нельзя получить произвольный доступ, но которая хранит данные бесконечно без электроэнергии.
Постоянная память устройства может использоваться для хранения системного микропрограмм во встроенных системах, таких как система управления автомобильной системой зажигания или бытовая техника. Они также используются для хранения начальных инструкций процессора, необходимых для начальной загрузки компьютерной системы. Память чтения-записи 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 требуется для запуска системы после отключения электроэнергии. 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, например, постоянной памяти. Известный как NVDIMM-P, ожидается, что он будет выпущен в 2020 году.
Ранние компьютеры использовали системы памяти ядра и барабана, которые были энергонезависимыми как побочный продукт их конструкции. Наиболее распространенной формой памяти в 1960-х годах была память на магнитном сердечнике, в которой данные сохранялись с полярностью небольших магнитов. Поскольку магниты сохраняли свое состояние даже при отключенном питании, основная память также была энергонезависимой. Другим типам памяти требуется постоянное питание для хранения данных, например, электронная лампа или твердотельные триггеры, трубки Вильямса и полупроводниковая память (статическая или динамическая. ОЗУ).
Достижения в производстве 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 динамическое ОЗУ составляет подавляющее большинство основной памяти типичного компьютера. Многим системам требуется по крайней мере некоторая энергонезависимая память. 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.
Интегральные схемы Custom ROM были одним из решений. Содержимое памяти хранилось как образец последней маски, использованной для изготовления интегральной схемы, и поэтому не могло быть изменено после завершения.
PROM усовершенствован по этой конструкции, позволяя конечному пользователю электрически записывать микросхемы. PROM состоит из серии диодов, для которых изначально установлено одно значение, например «1». При подаче более высокой мощности, чем обычно, выбранный диод можно «сжечь» (например, предохранитель ), тем самым навсегда установив для этого бита значение «0». PROM способствовал созданию прототипов и мелкосерийному производству. Многие производители полупроводников предоставили PROM-версию своей части ПЗУ маски, чтобы можно было протестировать разрабатываемое встроенное ПО перед заказом ПЗУ маски.
В настоящее время наиболее известной формой памяти NV-RAM и EEPROM является 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 только около 100000 перезаписей до того, как память начнет ухудшаться). 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 флеш-память в определенных ролях, а некоторые даже претендуют на звание действительно универсальной памяти, предлагая производительность лучших устройств SRAM с энергонезависимостью флеш-памяти. 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, использовали энергонезависимую память BIOS, часто называемую CMOS RAM или RAM с параметрами, 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 оригинальных IBM PC и PC XT вместо этого использовались DIP-переключатели для представления до 24 бит данных конфигурации системы; DIP-переключатели или аналогичные переключатели - это еще один примитивный тип программируемого устройства ROM, который широко использовался 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 Model 100 / Tandy 102 вся основная память (минимум 8 КБ, максимум 32 КБ) - это SRAM с резервным питанием от батареи. Кроме того, в 1990-х годах многие картриджи с программным обеспечением для видеоигр (например, для консолей, таких как Sega Genesis ) включали ОЗУ с резервным питанием от батареи для хранения сохраненных игр, рекордов и подобных данных. Кроме того, некоторые шкафы для аркадных видеоигр содержат модули ЦП, которые включают в себя ОЗУ с резервным питанием, содержащее ключи для расшифровки программного обеспечения игры на лету. Память с резервным питанием от батарей гораздо большего объема используется и сегодня в качестве кэшей для высокоскоростных баз данных, которые требуют уровня производительности, которого новые устройства NVRAM еще не смогли обеспечить.
Огромным прорывом в технологии энергонезависимой памяти стало появление транзистора MOSFET с плавающим затвором, что привело к появлению стираемого программируемого модуля только для чтения память или СППЗУ. EPROM состоит из сетки транзисторов, вывод затвора которых («переключатель») защищен высококачественным 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), применяя ультрафиолетовый свет (УФ). У фотонов УФ достаточно энергии, чтобы протолкнуть электроны через изолятор и вернуть базу в основное состояние. На этом этапе EPROM можно переписать с нуля.
Вскоре последовало усовершенствование EPROM, EEPROM. 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 (исток и сток). Этот мощный импульс, по сути, засасывает электроны через изолятор, возвращая его в основное состояние. Однако этот процесс имеет недостаток, заключающийся в механической деградации микросхемы, поэтому системы памяти, основанные на транзисторах с плавающим затвором, обычно имеют короткое время жизни записи, порядка 10 операций записи в любой конкретный бит.
Один из подходов к преодолению ограничения количества перезаписей - иметь стандартную SRAM, где каждый бит дублируется 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 чипы производители называли NOVRAM .
Основа флэш-памяти 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 флеш-память превратилась в одно из самых дешевых устройств твердотельной памяти. Начиная примерно с 2000 года спрос на постоянно увеличивающиеся количества вспышек заставил производителей использовать только новейшие производственные системы, чтобы максимально увеличить плотность. Хотя ограничения изготовления начинают действовать, новые «многобитовые» методы, похоже, могут удвоить или учетверить плотность даже при существующей ширине линии.
Ограниченные циклы записи Flash и EEPROM представляют собой серьезную проблему 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. Также требуется время, чтобы «накопить» мощность в устройстве, известном как подкачка заряда, что делает запись значительно медленнее, чем чтение, часто в 1000 раз. Для устранения этих недостатков был предложен ряд новых запоминающих устройств.
На сегодняшний день единственная такая система, которая находится в массовом производстве, - это Сегнетоэлектрическое ОЗУ или F-RAM (иногда называемое FeRAM). F-RAM - это память с произвольным доступом, аналогичная по конструкции DRAM, но (вместо диэлектрического слоя, как в DRAM) содержит тонкую сегнетоэлектрическую пленку из свинца. цирконат-титанат [Pb (Zr, Ti) O 3 ], 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, включая чрезвычайно высокую надежность (более 10 циклов доступа для устройств 3,3 В), сверхнизкое энергопотребление (поскольку F-RAM не требует насос заряда, как и другие энергонезависимые запоминающие устройства), скорость записи за один цикл и устойчивость к гамма-излучению. Ramtron International разработала, произвела и лицензировала сегнетоэлектрическое ОЗУ (F-RAM), и другие компании, которые лицензировали и производили технологию F-RAM, включают Texas Instruments, Rohm и Fujitsu.
Другой подход к основные усилия по разработке - это магниторезистивная память с произвольным доступом, или MRAM, в которой 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 '4 Мбит, который представляет собой MRAM первого поколения, в котором используется запись, индуцированная полем кросс-точки. В настоящее время разрабатываются два метода второго поколения: терморегулирующая коммутация (TAS), которая разрабатывается Crocus Technology, и крутящий момент с передачей вращения (STT), над которым работают Crocus, Hynix, IBM и несколько других компаний. STT-MRAM, похоже, обеспечивает гораздо более высокую плотность, чем у первого поколения, но отстает от флэш-памяти по тем же причинам, что и FeRAM - огромное давление конкуренции на рынке флэш-памяти.
Другой твердотельной технологией, которая требует более чем чисто экспериментальной разработки, является ОЗУ с фазовым переходом или PRAM. PRAM основан на том же механизме хранения, что и записываемые компакт-диски и DVD, но считывает их на основе изменений электрического сопротивления, а не изменений их оптических свойств. Некоторое время считавшийся «темной лошадкой», в 2006 году Samsung объявил о выпуске модуля на 512 Мбит, что значительно превышает емкость MRAM или FeRAM. Плотность записи этих частей оказывается даже выше, чем у современных флеш-устройств, а меньшая общая емкость хранилища связана с отсутствием многобитового кодирования. За этим объявлением последовало сообщение от компаний Intel и STMicroelectronics, которые продемонстрировали свои собственные устройства PRAM на Форуме разработчиков Intel в октябре 2006 года.
Intel и STMicroelectronics теперь продают потребителям устройства на базе PRAM под названиями 3D XPoint Optane и QuantX.
Пожалуй, одним из наиболее инновационных решений является многоножка, разработанная IBM. Многоножка - это, по сути, перфокарта, визуализированная с использованием нанотехнологии для значительного увеличения плотности записи. 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 выше, чем даже у лучших жестких дисков, используемых в настоящее время (перпендикулярная запись предлагает 636 Гбит / дюйм² (≈250,4 Гбит / см²) по состоянию на декабрь 2011 г.), но будущие магнитные записи с подогревом и носители с рисунком вместе могут поддерживать плотность 10 Тбит / дюйм² ( ≈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.
Альтернативным применением (на основе оксида гафния) сегнетоэлектриков является память на основе Fe FET, в которой используется сегнетоэлектрик между затвором и устройство полевого транзистора . Утверждается, что такие устройства имеют то преимущество, что в них используется та же технология, что и литография на основе HKMG (с металлическим затвором с высоким L), и они масштабируются до тех же размеров, что и обычный полевой транзистор на данном узле процесса . По состоянию на 2017 год были продемонстрированы 32-мегабитные устройства на 22 нм.
Был предложен ряд более эзотерических устройств, включая Nano-RAM на основе углерода. технология нанотрубок, но они в настоящее время далеки от коммерциализации. Преимущества, которые наноструктуры, такие как квантовые точки, углеродные нанотрубки и нанопроволоки, по сравнению с их предшественниками на основе кремния, включают их крошечный размер, скорость и плотность. Недавно было разработано несколько концепций устройств памяти молекулярного масштаба. Также были проведены исследования по разработке памяти типа "беговая дорожка", также называемой памятью доменной стенки. Также наблюдается возобновление интереса к памяти оксид кремния-нитрид-оксид-кремний (SONOS ).
