Энергонезависимая память

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 полупроводниковой памяти микросхемах , которые хранят данные в с плавающим затвором, ячейках памяти 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 хранения данных компьютерных устройств (например, дисковые накопители , жесткие диски , оптические диски , дискеты и магнитная лента ), а также ранние компьютерные методы хранения данных, такие как перфолента и карты . ^[1]

Обзор

Энергонезависимая память обычно используется для вторичного . или долговременного постоянного хранения наиболее широко используемая форма первичного хранилища. Сегодня ^{[ на момент? ]} — это энергозависимая форма оперативной памяти (ОЗУ), означающая, что при компьютера выключении все, что содержится 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, имеют ограниченную пропускную способность, но работают быстро, тогда как системы с механической адресацией стоят меньше за бит, но работают медленнее.

Электрически адресованный

Полупроводниковые энергонезависимые запоминающие устройства с электрической адресацией можно разделить на категории в соответствии с механизмом их записи.

Устройства только для чтения и устройства, предназначенные преимущественно для чтения

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

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 (F-RAM)

Сегнетоэлектрическое ОЗУ ( FeRAM , F-RAM или FRAM ) представляет собой форму оперативной памяти, аналогичную 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 называемый 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 (более 10 ¹⁶ циклы чтения/записи для устройств с напряжением 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]

Магниторезистивное ОЗУ (MRAM)

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 использованием двух подходов: термическое переключение (TAS). ^[6] который разрабатывается Crocus Technology , и Spin-transfer Torque (STT), который Crocus , Hynix , IBM и ряд других компаний. разрабатывают ^[7]

Память с фазовым изменением (PCM)

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]

Память FeFET

В памяти FeFET используется транзистор с сегнетоэлектрическим материалом для постоянного сохранения состояния.

RRAM-память

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] Тот факт, что популярный диэлектрик затвора с высоким κ HfO ₂ может использоваться в качестве низковольтной памяти ReRAM, побудил исследователей исследовать больше возможностей.

Системы с механической адресацией

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]

Органический

Компания Thinfilm производит перезаписываемую энергонезависимую органическую сегнетоэлектрическую память на основе сегнетоэлектрических полимеров . В 2009 году компания Thinfilm успешно продемонстрировала памяти с рулона на рулон печать . ^[17]^[18]^[19] В органической памяти Thinfilm сегнетоэлектрический полимер заключен между двумя наборами электродов в пассивной матрице. Каждое пересечение металлических линий представляет собой сегнетоэлектрический конденсатор и определяет ячейку памяти.

Энергонезависимая основная память

Энергонезависимая основная память (NVMM) — это первичное хранилище с энергонезависимыми атрибутами. ^[20] Такое применение энергонезависимой памяти создает проблемы безопасности. ^[21]

Ссылки

^ Паттерсон, Дэвид; Хеннесси, Джон (2005). Организация и проектирование компьютера: аппаратно-программный интерфейс . Эльзевир . п. 23. ISBN 9780080502571 .
^ «i-NVMM: защита энергонезависимой памяти на лету» . Техреспублика . Август 2011. Архивировано из оригинала 22 марта 2017 года . Проверено 21 марта 2017 г.
^ «Энергонезависимая память (ЭНВМ)» . Техопедия. Архивировано из оригинала 22 марта 2017 года . Проверено 21 марта 2017 г.
^ Рассел Кей (7 июня 2010 г.). «Флэш-память» . Компьютерный мир . Архивировано из оригинала 10 июня 2010 года.
^ Технология памяти F-RAM , Ramtron.com, заархивировано из оригинала 27 января 2012 г. , получено 30 января 2012 г.
^ Появление практической MRAM «Crocus Technology | Магнитные датчики | Датчики TMR» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2011 года . Проверено 20 июля 2009 г.
^ "Последние новости" . ЭЭ|Таймс . Архивировано из оригинала 19 января 2012 года.
^ Хадженс, С.; Джонсон, Б. (ноябрь 2004 г.). «Обзор технологии энергонезависимой памяти на основе халькогенидов с фазовым переходом» . Вестник МРС . 29 (11): 829–832. дои : 10.1557/mrs2004.236 . ISSN 1938-1425 . S2CID 137902404 .
^ Пировано, А.; Лакаита, Алабама; Бенвенути, А.; Пеллиззер, Ф.; Хадженс, С.; Без, Р. (декабрь 2003 г.). «Масштабный анализ технологии фазовой памяти» . Международная конференция IEEE по электронным устройствам, 2003 г. стр. 29.6.1–29.6.4. дои : 10.1109/IEDM.2003.1269376 . ISBN 0-7803-7872-5 . S2CID 1130884 .
^ Ли, Хай; Чен, PS; Ву, Тай; Чен, Ю.С.; Ван, CC; Ценг, П.Дж.; Лин, CH; Чен, Ф.; Лиен, Швейцария; Цай, MJ (2008). Низкое энергопотребление и высокая скорость биполярного переключения с тонким реактивным буферным слоем Ti в надежной RRAM на основе HfO2. 2008 ИП
^ «Определение: ленточный накопитель» . ТехТаржет . Архивировано из оригинала 7 июля 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.
^ «Ленточные накопители» . snia.org . Архивировано из оригинала 7 июля 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.
^ «Что такое жесткий диск?» . www.computerhope.com . Архивировано из оригинала 8 июля 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.
^ «Диски IBM 2314» . ncl.ac.uk. Архивировано из оригинала 2 октября 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.
^ «Оптические музыкальные автоматы Blu-ray и библиотечные системы для архивного хранения – Kintronics» . kintronics.com . Архивировано из оригинала 20 июля 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.
^ Паркин, Стюарт С.П.; Хаяси, Масамицу; Томас, Люк (11 апреля 2008 г.). «Магнитная память ипподрома с доменной стенкой» . Наука . 320 (5873): 190–194. Бибкод : 2008Sci...320..190P . дои : 10.1126/science.1145799 . ПМИД 18403702 . S2CID 19285283 .
^ Thinfilm и InkTec награждены наградой IDTechEx за техническое развитие производства IDTechEx, 15 апреля 2009 г.
↑ PolyIC и ThinFilm объявляют о пилотном выпуске объемной печатной пластиковой памяти. Архивировано 29 сентября 2012 г. в Wayback Machine EETimes, 22 сентября 2009 г.
^ Все готово для крупносерийного производства печатных воспоминаний. Архивировано 13 апреля 2010 г. в Wayback Machine Printed Electronics World, 12 апреля 2010 г.
^ «NVDIMM – изменения уже наступили, что дальше?» (PDF) . snia.org . СИНА . Проверено 24 апреля 2018 г.
^ Каннан, Сахидх; Карими, Нагме; Синаноглу, Озгур; Карри, Рамеш (22 января 2015 г.). «Уязвимости безопасности возникающих энергонезависимых основных воспоминаний и меры противодействия» . Транзакции IEEE по автоматизированному проектированию интегральных схем и систем . 34 (1): 2–15. дои : 10.1109/TCAD.2014.2369741 . S2CID 14712674 – через IEEE Xplore.

Внешние ссылки

Поддержка файловых систем в постоянной памяти , LWN.net , 2 сентября 2014 г., Джонатан Корбет
Текст научной работы на тему «Перспективное использование магнитных фотопроводников в магнитооптическом хранении информации».

[1] Паттерсон, Дэвид; Хеннесси, Джон (2005). Организация и проектирование компьютера: аппаратно-программный интерфейс . Эльзевир . п. 23. ISBN 9780080502571 .

[2] «i-NVMM: защита энергонезависимой памяти на лету» . Техреспублика . Август 2011. Архивировано из оригинала 22 марта 2017 года . Проверено 21 марта 2017 г.

[3] «Энергонезависимая память (ЭНВМ)» . Техопедия. Архивировано из оригинала 22 марта 2017 года . Проверено 21 марта 2017 г.

[Flash1-4] Рассел Кей (7 июня 2010 г.). «Флэш-память» . Компьютерный мир . Архивировано из оригинала 10 июня 2010 года.

[5] Технология памяти F-RAM , Ramtron.com, заархивировано из оригинала 27 января 2012 г. , получено 30 января 2012 г.

[white_paper-6] Появление практической MRAM «Crocus Technology | Магнитные датчики | Датчики TMR» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2011 года . Проверено 20 июля 2009 г.

[7] "Последние новости" . ЭЭ|Таймс . Архивировано из оригинала 19 января 2012 года.

[8] Хадженс, С.; Джонсон, Б. (ноябрь 2004 г.). «Обзор технологии энергонезависимой памяти на основе халькогенидов с фазовым переходом» . Вестник МРС . 29 (11): 829–832. дои : 10.1557/mrs2004.236 . ISSN 1938-1425 . S2CID 137902404 .

[9] Пировано, А.; Лакаита, Алабама; Бенвенути, А.; Пеллиззер, Ф.; Хадженс, С.; Без, Р. (декабрь 2003 г.). «Масштабный анализ технологии фазовой памяти» . Международная конференция IEEE по электронным устройствам, 2003 г. стр. 29.6.1–29.6.4. дои : 10.1109/IEDM.2003.1269376 . ISBN 0-7803-7872-5 . S2CID 1130884 .

[10] Ли, Хай; Чен, PS; Ву, Тай; Чен, Ю.С.; Ван, CC; Ценг, П.Дж.; Лин, CH; Чен, Ф.; Лиен, Швейцария; Цай, MJ (2008). Низкое энергопотребление и высокая скорость биполярного переключения с тонким реактивным буферным слоем Ti в надежной RRAM на основе HfO2. 2008 ИП

[11] «Определение: ленточный накопитель» . ТехТаржет . Архивировано из оригинала 7 июля 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.

[12] «Ленточные накопители» . snia.org . Архивировано из оригинала 7 июля 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.

[13] «Что такое жесткий диск?» . www.computerhope.com . Архивировано из оригинала 8 июля 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.

[14] «Диски IBM 2314» . ncl.ac.uk. Архивировано из оригинала 2 октября 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.

[15] «Оптические музыкальные автоматы Blu-ray и библиотечные системы для архивного хранения – Kintronics» . kintronics.com . Архивировано из оригинала 20 июля 2015 года . Проверено 7 июля 2015 г.

[16] Паркин, Стюарт С.П.; Хаяси, Масамицу; Томас, Люк (11 апреля 2008 г.). «Магнитная память ипподрома с доменной стенкой» . Наука . 320 (5873): 190–194. Бибкод : 2008Sci...320..190P . дои : 10.1126/science.1145799 . ПМИД 18403702 . S2CID 19285283 .

[17] Thinfilm и InkTec награждены наградой IDTechEx за техническое развитие производства IDTechEx, 15 апреля 2009 г.

[18] PolyIC и ThinFilm объявляют о пилотном выпуске объемной печатной пластиковой памяти. Архивировано 29 сентября 2012 г. в Wayback Machine EETimes, 22 сентября 2009 г.

[19] Все готово для крупносерийного производства печатных воспоминаний. Архивировано 13 апреля 2010 г. в Wayback Machine Printed Electronics World, 12 апреля 2010 г.

[20] «NVDIMM – изменения уже наступили, что дальше?» (PDF) . snia.org . СИНА . Проверено 24 апреля 2018 г.

[21] Каннан, Сахидх; Карими, Нагме; Синаноглу, Озгур; Карри, Рамеш (22 января 2015 г.). «Уязвимости безопасности возникающих энергонезависимых основных воспоминаний и меры противодействия» . Транзакции IEEE по автоматизированному проектированию интегральных схем и систем . 34 (1): 2–15. дои : 10.1109/TCAD.2014.2369741 . S2CID 14712674 – через IEEE Xplore.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]