Nieulotna pamięć o dostępie swobodnym - Non-volatile random-access memory

Nieulotna pamięć o dostępie swobodnym ( NVRAM ) to pamięć o dostępie swobodnym, która zachowuje dane bez podłączonego zasilania. Kontrastuje to z dynamiczną pamięcią o dostępie swobodnym (DRAM) i statyczną pamięcią o dostępie swobodnym (SRAM), które przechowują dane tylko tak długo, jak jest włączone zasilanie, lub takimi formami pamięci, jak taśma magnetyczna , do których nie można uzyskać swobodnego dostępu. ale który zachowuje dane na czas nieokreślony bez zasilania elektrycznego.

Urządzenia pamięci tylko do odczytu mogą być używane do przechowywania oprogramowania układowego systemu w systemach wbudowanych, takich jak układ sterowania samochodowego układu zapłonowego lub urządzenie gospodarstwa domowego. Są również używane do przechowywania początkowych instrukcji procesora wymaganych do załadowania systemu komputerowego. Pamięć do odczytu i zapisu może być używana do przechowywania stałych kalibracji, haseł lub informacji konfiguracyjnych i może być zintegrowana z mikrokontrolerem .

Gdyby pamięć główna systemu komputerowego była nieulotna, znacznie skróciłoby to czas potrzebny do uruchomienia systemu po przerwie w zasilaniu. Obecnie istniejące typy pamięci nieulotnych półprzewodnikowych mają ograniczenia dotyczące rozmiaru pamięci, zużycia energii lub okresu eksploatacji, co sprawia, że są one niepraktyczne w przypadku pamięci głównej. Trwają prace nad wykorzystaniem nieulotnych układów pamięci jako pamięci głównej systemu, jako pamięci trwałej . Znany jako NVDIMM-P , którego standard został opublikowany w 2021 roku.

Wczesne pamięci NVRAM

Wczesne komputery wykorzystywały systemy pamięci rdzeniowej i bębnowej, które były nieulotne jako produkt uboczny ich konstrukcji. Najpowszechniejszą formą pamięci w latach sześćdziesiątych była pamięć z rdzeniem magnetycznym , która przechowywała dane w biegunowości małych magnesów. Ponieważ magnesy utrzymywały swój stan nawet po odłączeniu zasilania, pamięć rdzeniowa również była nieulotna. Inne typy pamięci wymagały stałej mocy do przechowywania danych, na przykład przerzutniki lampowe lub półprzewodnikowe , lampy Williamsa i pamięć półprzewodnikowa (statyczna lub dynamiczna pamięć RAM).

Postępy w produkcji półprzewodników w latach siedemdziesiątych XX wieku doprowadziły do nowej generacji pamięci półprzewodnikowych, których pamięć z rdzeniem magnetycznym nie mogła dorównać pod względem kosztów ani gęstości. Obecnie dynamiczna pamięć RAM stanowi zdecydowaną większość typowej pamięci głównej komputera . Wiele systemów wymaga przynajmniej pewnej ilości pamięci nieulotnej. Komputery stacjonarne wymagają stałego przechowywania instrukcji wymaganych do załadowania systemu operacyjnego. Systemy wbudowane, takie jak komputer sterujący silnikiem w samochodzie, muszą zachować swoje instrukcje po odłączeniu zasilania. Wiele systemów wykorzystywało do tych ról kombinację pamięci RAM i jakiejś formy pamięci ROM.

Jednym z rozwiązań były niestandardowe układy scalone ROM . Zawartość pamięci była przechowywana jako wzór ostatniej maski użytej do produkcji układu scalonego, a zatem nie można jej było modyfikować po ukończeniu.

PROM ulepszył ten projekt, umożliwiając użytkownikowi końcowemu pisanie na chipie elektrycznie. PROM składa się z szeregu diod, które są początkowo ustawione na jedną wartość, na przykład „1”. Stosując wyższą moc niż normalnie, można „przepalić” wybraną diodę (jak bezpiecznik ), tym samym ustawiając ten bit na stałe na „0”. PROM ułatwił prototypowanie i produkcję małoseryjną. Wielu producentów półprzewodników dostarczyło wersję PROM części pamięci ROM z maską, dzięki czemu oprogramowanie sprzętowe programistyczne można było przetestować przed zamówieniem pamięci ROM maski.

Obecnie najbardziej znaną formą pamięci NV-RAM i EEPROM jest pamięć flash . Niektóre wady pamięci flash obejmują wymóg zapisywania jej w większych blokach, niż wiele komputerów może automatycznie adresować, oraz stosunkowo ograniczoną żywotność pamięci flash ze względu na skończoną liczbę cykli zapisu i kasowania (od stycznia 2010 większość konsumenckich produktów flash może wytrzymać tylko około 100 000 przepisań, zanim pamięć zacznie się pogarszać). Inną wadą są ograniczenia wydajności, które uniemożliwiają flashowanie dopasowywania czasów odpowiedzi, aw niektórych przypadkach losowe adresowanie oferowane przez tradycyjne formy pamięci RAM. Kilka nowszych technologii próbuje zastąpić pamięć flash w pewnych rolach, a niektóre nawet twierdzą, że są naprawdę uniwersalną pamięcią , oferującą wydajność najlepszych urządzeń SRAM z niezmiennością pamięci flash. Od czerwca 2018 r. Te alternatywy nie weszły jeszcze do głównego nurtu.

Ci, którzy wymagali prawdziwej wydajności podobnej do pamięci RAM i braku zmienności, zwykle musieli używać konwencjonalnych urządzeń pamięci RAM i podtrzymania bateryjnego. Na przykład komputery IBM PC i ich następcy, zaczynając od IBM PC AT, używali nieulotnej pamięci BIOS , często nazywanej CMOS RAM lub parametrycznej pamięci RAM , i było to powszechne rozwiązanie w innych wczesnych systemach mikrokomputerowych, takich jak oryginalny Apple Macintosh , który zużywał niewielką ilość pamięci. zasilany baterią do przechowywania podstawowych informacji konfiguracyjnych, takich jak wybrany wolumin rozruchowy. (Oryginalne IBM PC i PC XT zamiast tego wykorzystywały przełączniki DIP do reprezentowania do 24 bitów danych konfiguracyjnych systemu; przełączniki DIP lub podobne to inny, prymitywny typ programowalnego urządzenia ROM, który był szeroko stosowany w latach 70. i 80. danych - zwykle nie więcej niż 8 bajtów.) Przed standaryzacją przemysłową na architekturze IBM PC, niektóre inne modele mikrokomputerów bardziej intensywnie korzystały z pamięci RAM z podtrzymaniem bateryjnym: na przykład w TRS-80 Model 100 / Tandy 102 cała pamięć główna (Minimum 8 KB, maksimum 32 KB) to pamięć SRAM z podtrzymaniem bateryjnym. Ponadto w latach 90. wiele kaset z oprogramowaniem do gier wideo (np. Na konsole, takie jak Sega Genesis ) zawierało pamięć RAM podtrzymywaną bateryjnie, aby zachować zapisane gry, najlepsze wyniki i podobne dane. Ponadto niektóre szafki do gier wideo zawierają moduły procesora, które zawierają pamięć RAM podtrzymywaną bateryjnie, zawierającą klucze do deszyfrowania oprogramowania gier w locie. Znacznie większe pamięci podtrzymywane bateryjnie są nadal używane jako pamięci podręczne dla szybkich baz danych, które wymagają poziomu wydajności, którego nowsze urządzenia NVRAM jeszcze nie zdołały osiągnąć.

MOSFET z bramką pływającą

Ogromnym postępem w technologii NVRAM było wprowadzenie tranzystora MOSFET z ruchomą bramką , co doprowadziło do wprowadzenia kasowalnej programowalnej pamięci tylko do odczytu , czyli EPROM . EPROM składa się z siatki tranzystorów, których zacisk bramki („przełącznik”) jest chroniony wysokiej jakości izolatorem. Poprzez „wpychanie” elektronów na podstawę przy zastosowaniu wyższego niż normalne napięcia, elektrony zostają uwięzione po drugiej stronie izolatora, w ten sposób trwale włączając tranzystor („1”). Pamięć EPROM można zresetować do „stanu podstawowego” (wszystkie „1” lub „0”, w zależności od projektu) przez zastosowanie światła ultrafioletowego (UV). Fotony UV mają wystarczającą energię, aby przepchnąć elektrony przez izolator i przywrócić podstawę do stanu podstawowego. W tym momencie EPROM można przepisać od nowa.

Wkrótce nastąpiło ulepszenie EPROM, EEPROM . Dodatkowa litera „E” oznacza elektrycznie , odnoszącą się do możliwości resetowania pamięci EEPROM przy użyciu energii elektrycznej zamiast UV, co znacznie ułatwia korzystanie z urządzeń w praktyce. Bity są resetowane przy zastosowaniu jeszcze większej mocy przez pozostałe zaciski tranzystora ( źródło i dren ). W efekcie ten impuls o dużej mocy zasysa elektrony przez izolator, przywracając je do stanu podstawowego. Proces ten ma tę wadę, mechanicznie degradujące chip, jednak, więc układy pamięci w oparciu o tranzystory zmiennoprzecinkowych brama w ogóle mają krótkie odpisów wcieleń, rzędu 10 ⁵ zapisuje do konkretnego kawałka.

Jednym ze sposobów przezwyciężenia ograniczenia liczby ponownych zapisów jest posiadanie standardowej pamięci SRAM, w której każdy bit jest zabezpieczony przez bit EEPROM. Podczas normalnej pracy układ funkcjonuje jako szybka pamięć SRAM, aw przypadku awarii zasilania zawartość jest szybko przenoszona do części EEPROM, skąd jest ponownie ładowana przy następnym uruchomieniu. Takie chipy nazywane były przez ich producentów NOVRAM- ami.

Podstawa pamięci flash jest identyczna jak EEPROM i różni się znacznie układem wewnętrznym. Flash pozwala na zapisywanie pamięci tylko w blokach, co znacznie upraszcza wewnętrzne okablowanie i pozwala na większe gęstości. Gęstość pamięci masowej jest głównym wyznacznikiem kosztu w większości systemów pamięci komputerowych i dzięki tej pamięci flash stała się jednym z najtańszych dostępnych półprzewodnikowych urządzeń pamięciowych. Począwszy od około 2000 roku, popyt na coraz większe ilości flasha skłonił producentów do korzystania tylko z najnowszych systemów produkcyjnych w celu maksymalnego zwiększenia gęstości. Chociaż zaczynają pojawiać się ograniczenia produkcyjne, nowe techniki „wielobitowe” wydają się być w stanie podwoić lub czterokrotnie zwiększyć gęstość nawet przy istniejących szerokościach linii.

Nowsze podejścia

Jednak ograniczone cykle zapisu pamięci Flash i EEPROM są poważnym problemem dla każdej rzeczywistej roli podobnej do pamięci RAM. Ponadto duża moc potrzebna do zapisania komórek jest problemem w rolach o niskim poborze mocy, w których często używana jest pamięć NVRAM. Energia wymaga również czasu, aby „zgromadzić się” w urządzeniu znanym jako pompa ładująca , co sprawia, że pisanie jest znacznie wolniejsze niż czytanie, często nawet 1000 razy. Zaproponowano szereg nowych urządzeń pamięciowych, aby zaradzić tym niedociągnięciom.

Ferroelektryczna pamięć RAM

Do tej pory jedynym takim systemem, który wszedł do powszechnej produkcji, jest ferroelektryczna pamięć RAM , czyli F-RAM (czasami określana jako FeRAM). F-RAM to pamięć o dostępie swobodnym podobna w budowie do DRAM, ale (zamiast warstwy dielektrycznej , jak w DRAM) zawiera cienką warstwę ferroelektryczną z tytanianu cyrkonianu ołowiu [ Pb (Zr, Ti) O
3 ], potocznie określane jako PZT. Atomy Zr / Ti w PZT zmieniają polaryzację w polu elektrycznym, tworząc w ten sposób przełącznik binarny. W przeciwieństwie do urządzeń RAM, F-RAM zachowuje swoją pamięć danych po wyłączeniu lub przerwaniu zasilania, ze względu na zachowanie polaryzacji kryształu PZT. Ze względu na tę strukturę krystaliczną i wpływ na nią, F-RAM oferuje odmienne właściwości od innych opcji pamięci nieulotnych, w tym wyjątkowo wysoką wytrzymałość (przekraczającą 10 ¹⁶ cykli dostępu dla urządzeń 3,3 V), bardzo niskie zużycie energii (ponieważ F-RAM nie wymagają pompy ładującej, podobnie jak inne pamięci nieulotne), szybkości zapisu w jednym cyklu i tolerancji na promieniowanie gamma. Firma Ramtron International opracowała, wyprodukowała i licencjonowała ferroelektryczną pamięć RAM (F-RAM), a inne firmy, które licencjonowały i produkowały technologię F-RAM, to m.in. Texas Instruments , Rohm i Fujitsu .

Magnetorezystywna pamięć RAM

Innym podejściem do poważnych prac rozwojowych jest magnetorezystywna pamięć o dostępie swobodnym (MRAM), która wykorzystuje elementy magnetyczne i ogólnie działa w sposób podobny do rdzenia, przynajmniej w przypadku technologii pierwszej generacji. Do tej pory do produkcji wszedł tylko jeden chip MRAM: część 4 Mbit firmy Everspin Technologies , która jest MRAM pierwszej generacji, który wykorzystuje zapis indukowany polem krzyżowym. Obecnie opracowywane są dwie techniki drugiej generacji: Thermal Assisted Switching (TAS), który jest opracowywany przez Crocus Technology , oraz moment obrotowy z przenoszeniem spinu (STT), nad którym pracują Crocus, Hynix , IBM i kilka innych firm. Wydaje się, że STT-MRAM pozwala na znacznie wyższe gęstości niż te z pierwszej generacji, ale pozostaje w tyle za lampą błyskową z tych samych powodów co FeRAM - ogromna presja konkurencyjna na rynku pamięci flash.

Pamięć RAM z przemianą fazową

Inną technologią półprzewodnikową, której rozwój nie jest czysto eksperymentalny, jest pamięć RAM z przemianą fazową lub PRAM. PRAM opiera się na tym samym mechanizmie przechowywania, co zapisywalne płyty CD i DVD , ale odczytuje je na podstawie zmian ich rezystancji elektrycznej, a nie zmian ich właściwości optycznych. Przez pewien czas uważany za „czarnego konia”, w 2006 roku Samsung ogłosił dostępność części 512 Mbit, znacznie większej pojemności niż MRAM lub FeRAM. Wydaje się, że gęstość powierzchniowa tych części jest nawet większa niż we współczesnych urządzeniach flash, a mniejsza ogólna pojemność wynika z braku kodowania wielobitowego. Po tym ogłoszeniu nastąpiło ogłoszenie firm Intel i STMicroelectronics , które zademonstrowały swoje własne urządzenia PRAM na 2006 Intel Developer Forum w październiku.

Intel i STMicroelectronics sprzedają teraz klientom urządzenia oparte na PRAM pod nazwami 3D XPoint Optane i QuantX.

Pamięć krocionoga

Być może jednym z bardziej innowacyjnych rozwiązań jest pamięć krocionoga , opracowana przez IBM . Millipede to w istocie karta perforowana renderowana przy użyciu nanotechnologii w celu radykalnego zwiększenia gęstości powierzchniowej. Chociaż planowano wprowadzić Millipede już w 2003 r., Nieoczekiwane problemy w rozwoju opóźniły to do 2005 r., Kiedy to przestało być konkurencyjne w stosunku do Flasha. Teoretycznie technologia ta zapewnia gęstość pamięci rzędu 1 Tbit / in² (≈394 Gbit / cm ² ), większą niż nawet najlepsze obecnie używane technologie dysków twardych ( nagrywanie prostopadłe oferuje 636 Gbit / in² (≈ 250,4 Gbit / cm ² ), stan na grudzień 2011 r.), ale przyszłe nośniki magnetyczne wspomagane ciepłem i wzorowane nośniki razem mogą obsługiwać gęstości 10 Tbit / in² (≈ 3,95 Tbit / cm ² ). Jednak powolne czasy odczytu i zapisu tak dużych pamięci wydają się ograniczać tę technologię do wymiany dysków twardych w przeciwieństwie do szybkich zastosowań podobnych do pamięci RAM, chociaż w bardzo dużym stopniu to samo dotyczy pamięci flash.

Pamięć FeFET

Alternatywnym zastosowaniem ferroelektryków (opartych na tlenku hafnu) jest pamięć oparta na Fe FET , która wykorzystuje ferroelektryk pomiędzy bramką a urządzeniem tranzystora polowego . Uważa się , że takie urządzenia mają tę zaletę, że wykorzystują tę samą technologię, co litografia oparta na HKMG (metalowa bramka o wysokim L) i skalują się do tego samego rozmiaru, co konwencjonalny FET w danym węźle procesowym . Od 2017 roku urządzenia 32Mbit zostały zademonstrowane przy 22 nm .

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Obsługa systemów plików w pamięci trwałej , LWN.net , 2 września 2014 r., Autor: Jonathan Corbet

Languages

In other projects