Энергонезависимая оперативная память

Энергонезависимая память с произвольным доступом ( NVRAM ) — это память с произвольным доступом , которая сохраняет данные без подачи питания. В этом отличие от динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) и статической памяти с произвольным доступом (SRAM), которые сохраняют данные только до тех пор, пока подается питание, или форм памяти с последовательным доступом , таких как магнитная лента , которая не может иметь произвольный доступ, но сохраняет данные в течение неопределенного времени без электропитания.

Устройства постоянной памяти можно использовать для хранения системной прошивки во встроенных системах, таких как система управления автомобильной системой зажигания или бытовая техника. Они также используются для хранения начальных инструкций процессора, необходимых для загрузки компьютерной системы. Память чтения-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 энергонезависимым, 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 микросхем энергонезависимой памяти в качестве основной памяти системы, а также постоянной памяти . Стандарт постоянной памяти, известный как NVDIMM-P, был опубликован в 2021 году. ^[1]^[2]^[3]

Ранние NVRAM

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 , в которой данные хранились в полярности маленьких магнитов. Поскольку магниты сохраняли свое состояние даже при отключении питания, основная память также была энергонезависимой. Другие типы памяти требовали постоянной мощности для хранения данных, например, электронные лампы или твердотельные триггеры , лампы Вильямса и полупроводниковая память (статическое или динамическое ОЗУ).

Достижения в производстве полупроводников в 1970-х годах привели к появлению нового поколения твердотельных запоминающих устройств, с которыми память на магнитных сердечниках не могла сравниться по стоимости и плотности. типичного компьютера Сегодня динамическое ОЗУ составляет подавляющее большинство основной памяти . Многим системам требуется хотя бы немного энергонезависимой памяти. Настольные компьютеры требуют постоянного хранения инструкций, необходимых для загрузки операционной системы. Встроенные системы, такие как компьютер управления двигателем автомобиля, должны сохранять свои инструкции при отключении питания. Многие системы использовали для этих целей комбинацию ОЗУ и ПЗУ той или иной формы.

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

PROM усовершенствовал эту конструкцию, позволив конечному пользователю электрически записывать микросхему. PROM состоит из серии диодов, которые изначально настроены на одно значение, например 1. При подаче более высокой мощности, чем обычно, выбранный диод может перегореть (как предохранитель ), тем самым навсегда установив этот бит в 0. PROM облегчил прототипирование и мелкосерийное производство. Многие производители полупроводников предоставили версию PROM своей части ПЗУ с маской, чтобы можно было протестировать встроенное ПО перед заказом ПЗУ с маской.

В настоящее время наиболее известной формой памяти NV-RAM и EEPROM является флэш-память . Некоторые недостатки флэш-памяти включают необходимость записи ее более крупными блоками, чем многие компьютеры могут автоматически адресовать, а также относительно ограниченный срок службы флэш-памяти из-за ее конечного числа циклов записи-стирания (по состоянию на январь 2010 года большинство потребительских флэш-продуктов выдерживают всего около 100 000 перезаписей, прежде чем память начнет ухудшаться) ^{[ нужна ссылка ]}. Еще одним недостатком являются ограничения производительности, не позволяющие флэш-памяти соответствовать времени отклика, а также, в некоторых случаях, случайная адресация, обеспечиваемая традиционными формами ОЗУ. Несколько новых технологий пытаются заменить флэш-память в определенных функциях, а некоторые даже претендуют на звание поистине универсальной памяти , предлагая производительность лучших устройств SRAM при энергонезависимости флэш-памяти. По состоянию на июнь 2018 года эти альтернативы еще не стали мейнстримом.

Тем, кому требовалась реальная производительность и энергонезависимость, подобная оперативной памяти, обычно приходилось использовать обычные устройства оперативной памяти и резервную батарею. Например, IBM PC и его преемники, начиная с IBM PC AT, использовали энергонезависимую память BIOS , часто называемую CMOS RAM или RAM параметров , и это было обычным решением в других ранних микрокомпьютерных системах, таких как оригинальный Apple Macintosh , который использовал небольшой объем памяти. питание от аккумулятора для хранения базовой информации о настройке, например выбранного загрузочного тома. (Вместо этого в оригинальных IBM PC и PC XT использовались DIP-переключатели для представления до 24 бит данных конфигурации системы; DIP или аналогичные переключатели — это другой, примитивный тип программируемого устройства ПЗУ, который широко использовался в 1970-х и 1980-х годах для очень небольших объемов данных. данные — обычно не более 8 байт.) До промышленной стандартизации архитектуры IBM PC некоторые другие модели микрокомпьютеров более широко использовали ОЗУ с батарейным питанием: например, в TRS-80 Model 100 /Tandy 102 вся основная память (минимум 8 КБ, максимум 32 КБ) — это SRAM с батарейным питанием. Кроме того, в 1990-е годы многие картриджи с программным обеспечением для видеоигр (например, для таких консолей, как Sega Genesis ) включала в себя ОЗУ с батарейным питанием для сохранения сохраненных игр, рекордов и подобных данных. Кроме того, некоторые шкафы для аркадных видеоигр содержат модули ЦП, которые включают в себя ОЗУ с батарейным питанием, содержащее ключи для оперативной расшифровки игрового программного обеспечения. Память гораздо большего размера с батарейным питанием до сих пор используется в качестве кэшей для высокоскоростных баз данных , требующих уровня производительности, которого новые устройства NVRAM еще не смогли достичь.

МОП-транзистор с плавающим затвором

Огромным достижением в технологии NVRAM стало появление MOSFET-транзистора с плавающим затвором , что привело к появлению стираемой программируемой постоянной памяти , или EPROM . EPROM состоит из сетки транзисторов, вывод затвора которых (переключатель) защищен высококачественным изолятором. Выталкивая электроны на базу с применением напряжения, превышающего нормальное, электроны захватываются на дальней стороне изолятора, тем самым постоянно включая транзистор (1). СППЗУ можно вернуть в базовое состояние (все 1 или 0, в зависимости от конструкции) путем воздействия ультрафиолетового света (УФ). У УФ- фотонов 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-излучения, что значительно упрощает использование устройств на практике. Биты переустанавливаются при подаче 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 механическом разрушении чипа, поэтому системы памяти, основанные на транзисторах с плавающим затвором, обычно имеют короткое время записи, порядка 10 ⁵ записывает в любой конкретный бит.

Один из подходов к преодолению ограничения количества перезаписей — использовать стандартную SRAM , в которой каждый бит резервируется битом EEPROM. При нормальной работе чип работает как быстрое SRAM, и в случае сбоя питания содержимое быстро переносится в часть EEPROM, откуда оно загружается обратно при следующем включении питания. Такие чипы назывались NOVRAM . ^[4] их производителями.

Основа флэш-памяти идентична EEPROM и существенно отличается внутренней компоновкой. Flash позволяет записывать свою память только блоками, что значительно упрощает внутреннюю проводку и обеспечивает более высокую плотность. Плотность памяти является основным фактором, определяющим стоимость большинства компьютерных систем памяти, и благодаря этому флэш-память превратилась в одно из самых дешевых доступных твердотельных запоминающих устройств. Начиная примерно с 2000 года спрос на все большее количество флэш-памяти заставил производителей использовать только новейшие производственные системы, чтобы максимально увеличить плотность. Хотя производственные ограничения начинают проявляться, новые «многоразрядные» методы, похоже, способны удвоить или учетверить плотность даже при существующей ширине линий.

Коммерческие альтернативы

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 системах с низким энергопотреблением, где часто используется NVRAM. энергии также требуется время Для накопления в устройстве, известном как зарядовый насос , что делает запись значительно медленнее, чем чтение, часто в 1000 раз. Для устранения этих недостатков был предложен ряд новых устройств памяти.

Сегнетоэлектрическая RAM

На сегодняшний день единственной такой системой, поступившей в широкое производство, является сегнетоэлектрическая RAM , или F-RAM (иногда называемая FeRAM). F-RAM — это оперативное запоминающее устройство , по конструкции похожее на DRAM, но (вместо диэлектрического слоя, как в DRAM) содержит тонкую сегнетоэлектрическую пленку из 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. В отличие от устройств RAM, F-RAM сохраняет свою память данных при отключении или прерывании питания благодаря сохранению полярности кристалла PZT. Благодаря этой кристаллической структуре и влиянию на нее F-RAM обладает свойствами, отличными от других вариантов энергонезависимой памяти, включая чрезвычайно высокий срок службы (более 10 ¹⁶ циклы доступа 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] Ramtron International разработала, произвела и лицензировала сегнетоэлектрическую RAM (F-RAM), а в число других компаний, которые лицензировали и производили технологию F-RAM, входят Texas Instruments , Rohm и Fujitsu .

Магниторезистивное ОЗУ

Другой подход к реализации крупных разработок — 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, в которой используется запись, индуцированная полем пересечения точек. ^[6] В настоящее время разрабатываются две технологии второго поколения: термическое переключение (TAS), ^[7] который разрабатывается Crocus Technology , и крутящий момент с передачей вращения (STT), над которым Crocus, Hynix , IBM и ряд других компаний. работают ^[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 изменением

Еще одна полупроводниковая технология, которая выходит за рамки чисто экспериментальной разработки, — это ОЗУ с фазовым переходом , или PRAM. PRAM основана на том же механизме хранения, что и записываемые компакт-диски и DVD-диски , но считывает их на основе изменений их электрического сопротивления, а не изменений их оптических свойств. Некоторое время считалось темной лошадкой, но в 2006 году компания Samsung объявила о доступности 512-мегабитной части, что значительно превышает емкость MRAM или FeRAM. Плотность площади этих частей оказывается даже выше, чем у современных флэш-устройств, а меньший общий объем памяти объясняется отсутствием многобитного кодирования. За этим заявлением последовало заявление от компаний 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, производство которого было прекращено в июле 2022 года. ^[9]^[10]

STMicroelectronics производит устройства памяти с фазовым переходом для автомобильной техники.

Исследованные альтернативы

Память многоножки

Возможно, одним из наиболее инновационных решений является многоножка памяти , разработанная IBM . По сути, Миллиножка — это перфокарта , созданная с использованием нанотехнологий с целью значительного увеличения плотности пространства. Хотя планировалось представить Millipede еще в 2003 году, неожиданные проблемы в разработке задержали это до 2005 года, когда он уже не мог конкурировать с Flash. Теоретически технология обеспечивает плотность хранения порядка 1 Тбит/дюйм. ² (≈155 Гбит/см ²), превосходит даже лучшие технологии жестких дисков , используемые в настоящее время ( перпендикулярная запись обеспечивает скорость 636 Гбит/дюйм). ² (≈98,6 Гбит/см ²) по состоянию на декабрь 2011 г. ^[11]), но будущие магнитная запись с подогревом и носители с рисунком вместе смогут поддерживать плотность 10 Тбит/дюйм. ²^[12] (≈1,55 Тбит/см ²). Однако медленное время чтения и записи для памяти такого размера, по-видимому, ограничивает эту технологию заменой жесткого диска, а не использованием высокоскоростной оперативной памяти, хотя в очень большой степени то же самое справедливо и для флэш-памяти.

Память FeFET

Альтернативным применением сегнетоэлектриков (на основе оксида гафния) является память на основе Fe FET используется сегнетоэлектрик , в которой между затвором и устройством полевого транзистора . Утверждается, что такие устройства имеют то преимущество, что они используют ту же технологию, что и литография на основе HKMG (металлический затвор с высоким L), и масштабируются до того же размера, что и обычный полевой транзистор в данном технологическом узле . По состоянию на 2017 год 32-мегабитные устройства были продемонстрированы на 22 нм .

См. также

Ссылки

^ «Стандарты JEDEC DDR5 и NVDIMM-P в стадии разработки» (пресс-релиз). ДЖЕДЕК . 2017-03-30.
^ «JEDEC проведет семинары по стандартам DDR5, LPDDR5 и NVDIMM-P» (пресс-релиз). ДЖЕДЕК. 05.09.2019.
^ «JEDEC публикует стандарт протокола шины DDR4 NVDIMM-P» (пресс-релиз). ДЖЕДЕК. 17 февраля 2021 г.
^ Чан, Питер (21 апреля 2005 г.). «Функции и приложения X4C105 NOVRAM» (PDF) . Интерсил . Архивировано из оригинала (PDF) 14 июня 2007 г.
^ «Технология памяти F-RAM» . Рамтрон . Архивировано из оригинала 18 апреля 2012 г. Проверено 8 июня 2012 г.
^ «Технология» . Эверспин . Архивировано из оригинала 10 июня 2009 года.
^ Хоберман, Барри. «Появление практического MRAM» (PDF) . Крокус Технологии . Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2011 г. Проверено 20 июля 2009 г.
^ ЛаПедус, Марк (18 июня 2009 г.). «Tower инвестирует в «Крокус» и предлагает сделку с литейным заводом MRAM» . ЭЭ Таймс . Проверено 9 января 2020 г.
^ Манн, Тобиас (29 июля 2022 г.). «Почему Intel закрыла свой бизнес по производству памяти Optane» . Регистр . Ситуация Публикация . Проверено 18 ноября 2022 г.
^ Аллин Мальвентано (2 июня 2017 г.). «КАК РАБОТАЕТ ФАЗОВАЯ ПАМЯТЬ 3D XPOINT» . Перспектива ПК .
^ «Hitachi GST поставляет жесткие диски емкостью один терабайт на каждую пластину» (пресс-релиз). Hitachi Global Storage Technologies . 03 августа 2011 г. Архивировано из оригинала 26 октября 2011 г. Проверено 17 декабря 2011 г.
^ Джонстон, Кейси (7 мая 2011 г.). «Новый метод записи на жесткий диск обеспечивает скорость записи один терабит на дюйм» . Арс Техника . Проверено 17 декабря 2011 г.

Внешние ссылки

Поддержка файловых систем в постоянной памяти , LWN.net , 2 сентября 2014 г., Джонатан Корбет

[1] «Стандарты JEDEC DDR5 и NVDIMM-P в стадии разработки» (пресс-релиз). ДЖЕДЕК . 2017-03-30.

[2] «JEDEC проведет семинары по стандартам DDR5, LPDDR5 и NVDIMM-P» (пресс-релиз). ДЖЕДЕК. 05.09.2019.

[3] «JEDEC публикует стандарт протокола шины DDR4 NVDIMM-P» (пресс-релиз). ДЖЕДЕК. 17 февраля 2021 г.

[4] Чан, Питер (21 апреля 2005 г.). «Функции и приложения X4C105 NOVRAM» (PDF) . Интерсил . Архивировано из оригинала (PDF) 14 июня 2007 г.

[5] «Технология памяти F-RAM» . Рамтрон . Архивировано из оригинала 18 апреля 2012 г. Проверено 8 июня 2012 г.

[6] «Технология» . Эверспин . Архивировано из оригинала 10 июня 2009 года.

[7] Хоберман, Барри. «Появление практического MRAM» (PDF) . Крокус Технологии . Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2011 г. Проверено 20 июля 2009 г.

[8] ЛаПедус, Марк (18 июня 2009 г.). «Tower инвестирует в «Крокус» и предлагает сделку с литейным заводом MRAM» . ЭЭ Таймс . Проверено 9 января 2020 г.

[9] Манн, Тобиас (29 июля 2022 г.). «Почему Intel закрыла свой бизнес по производству памяти Optane» . Регистр . Ситуация Публикация . Проверено 18 ноября 2022 г.

[10] Аллин Мальвентано (2 июня 2017 г.). «КАК РАБОТАЕТ ФАЗОВАЯ ПАМЯТЬ 3D XPOINT» . Перспектива ПК .

[636-gigabits-11] «Hitachi GST поставляет жесткие диски емкостью один терабайт на каждую пластину» (пресс-релиз). Hitachi Global Storage Technologies . 03 августа 2011 г. Архивировано из оригинала 26 октября 2011 г. Проверено 17 декабря 2011 г.

[10-terabits-12] Джонстон, Кейси (7 мая 2011 г.). «Новый метод записи на жесткий диск обеспечивает скорость записи один терабит на дюйм» . Арс Техника . Проверено 17 декабря 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]