Введение

Нелетучая память (NVM) или нелетучее хранилище – это тип компьютерной памяти, который сохраняет данные даже после отключения питания. В отличие от неё, для сохранения данных в летучей памяти требуется постоянное электропитание. Нелетучая память обычно реализуется на полупроводниковых чипах памяти, которые хранят данные в ячейках с плавающим затвором, состоящих из полевых транзисторов с плавающим затвором (MOSFET), включая флеш-память, такую как NAND-флеш и твердотельные накопители (SSD). Другие примеры нелетучей памяти включают память только для чтения (ROM), EPROM (электрически стираемое программируемое ПЗУ) и EEPROM (электрически стираемое программируемое ПЗУ), ферроэлектрическую RAM, большинство типов устройств хранения компьютерных данных (например, дисковое хранилище, жесткие диски, оптические диски, дискеты и магнитную ленту), а также ранние методы хранения данных, такие как перфокарты и перфоленты.

Обзор

Нелетучая память обычно используется для вторичного хранения или долгосрочного постоянного хранения данных. Наиболее распространенной формой первичной памяти сегодня является летучая память с произвольным доступом (RAM), что означает, что при выключении компьютера все данные, хранящиеся в RAM, теряются. Однако большинство типов нелетучей памяти имеют ограничения, которые делают их непригодными для использования в качестве первичной памяти. Как правило, нелетучая память стоит дороже, обеспечивает меньшую производительность или имеет ограниченный срок службы по сравнению с летучей памятью с произвольным доступом. Нелетучие устройства хранения данных можно классифицировать на системы с электрической адресацией (например, флэш-память и память только для чтения) и системы с механической адресацией (жесткие диски, оптические диски, магнитная лента, голографическая память и подобные). В общем, системы с электрической адресацией дороже, имеют меньшую емкость, но более быстрые, в то время как системы с механической адресацией стоят дешевле за бит, но медленнее.

Электрические

Электрически адресуемые полупроводниковые энергонезависимые памяти можно классифицировать по механизму записи.

Устройства только для чтения и в основном для чтения

Маскированные ПЗУ (ROM) программируются только на заводе и обычно используются в продукции больших объемов, не требующей обновления после изготовления устройства памяти. Программируемое ПЗУ (PROM) может быть изменено один раз после изготовления устройства памяти с помощью программатора PROM. Программирование часто выполняется до установки устройства в целевую систему, как правило, встроенную. Программа является постоянной, и для дальнейших изменений требуется замена устройства. Данные хранятся путем физического изменения (прожигания) ячеек памяти в устройстве. EPROM – это стираемое ПЗУ, которое можно изменять более одного раза. Однако для записи новых данных в EPROM требуется специальная программаторская схема. EPROM имеют кварцевое окно, позволяющее стирать их ультрафиолетовым светом, но при этом стирается все устройство целиком. Однократно программируемое устройство (OTP) может быть реализовано с использованием чипа EPROM без кварцевого окна, что снижает стоимость производства. Электрически стираемое программируемое ПЗУ (EEPROM) использует напряжение для стирания памяти. Эти устройства памяти требуют значительного времени для стирания данных и записи новых данных и обычно не предназначены для программирования процессором целевой системы. Данные хранятся с использованием транзисторов с плавающим затвором, которым требуются специальные рабочие напряжения для захвата или высвобождения электрического заряда на изолированном управляющем затворе для хранения информации.

Флэш-память

Флэш-память — это чип твердотельного типа, сохраняющий данные без внешнего источника питания. Она тесно связана с EEPROM, но отличается тем, что стирание данных должно производиться блоками, а её ёмкость существенно больше, чем у EEPROM. Для организации хранения данных во флэш-памяти используются две различные технологии — NOR и NAND. NOR-флэш обеспечивает высокоскоростной произвольный доступ, чтение и запись данных в конкретные ячейки памяти, позволяя извлекать даже один байт. NAND-флэш осуществляет последовательное чтение и запись на высокой скорости, работая с данными блоками. Однако скорость чтения у него ниже, чем у NOR. NAND-флэш быстрее записывает, чем читает, оперативно передавая целые страницы данных. При высокой плотности технология NAND обходится дешевле NOR-флэша и обеспечивает большую ёмкость на единицу площади кремния.

Железоэлектрические РАМ (F-RAM)

Ферроэлектрическая оперативная память (FeRAM, F RAM или FRAM) – это тип энергонезависимой памяти с произвольным доступом, конструкция которого аналогична DRAM. В обоих типах памяти используются конденсатор и транзистор, но в F RAM конденсатор содержит тонкую ферроэлектрическую пленку из свинцового цирконата титаната [Pb(Zr,Ti)O3], обычно называемую PZT, вместо простого диэлектрического слоя. Атомы циркония и титана в PZT изменяют свою полярность под воздействием электрического поля, создавая таким образом двоичный переключатель. Благодаря способности кристалла PZT сохранять полярность, F RAM сохраняет данные при отключении или прерывании питания. Эта кристаллическая структура и ее свойства обеспечивают F RAM уникальные характеристики, отличающие ее от других типов энергонезависимой памяти, включая чрезвычайно высокую, хотя и не бесконечную, стойкость к перезаписи (более 10¹⁶ циклов чтения/записи для устройств на 3,3 В), ультранизкое энергопотребление (поскольку F RAM не требует зарядного насоса, как другие энергонезависимые памяти), скорость записи за один цикл и устойчивость к гамма-излучению.

Магнитнорезистивная оперативная память (MRAM)

Магниторезистивная оперативная память хранит данные в магнитных элементах хранения, называемых магнитными туннельными переходами (MTJ). Первое поколение MRAM, такое как 4 Мбит от Everspin Technologies, использовало запись, индуцированную магнитным полем. Второе поколение разрабатывается в основном двумя способами: переключение с тепловой поддержкой (TAS), которое разрабатывает Crocus Technology, и спин-торковый момент (STT), которое разрабатывают Crocus, Hynix, IBM и несколько других компаний.

Функция памяти с изменением фазы (PCM)

Память с переключением фаз хранит данные в халькогенидном стекле, которое может обратимо изменять фазовое состояние между аморфным и кристаллическим, что достигается нагревом и охлаждением стекла. Кристаллическое состояние обладает низким сопротивлением, а аморфное – высоким, что позволяет включать и выключать ток для представления цифровых состояний 1 и 0.

Память FeFET

В памяти FeFET используется транзистор с ферроэлектрическим материалом для надежного сохранения состояния.

Память RRAM

RRAM (ReRAM) работает, изменяя сопротивление в диэлектрическом твердотельном материале, часто называемом мемристором. ReRAM предполагает создание дефектов в тонком оксидном слое, известном как кислородные вакансии (позиции окисных связей, из которых был удален кислород), которые впоследствии могут заряжаться и перемещаться под воздействием электрического поля. Движение ионов кислорода и вакансий в оксиде аналогично движению электронов и дырок в полупроводнике. Хотя ReRAM изначально рассматривался как потенциальная замена флэш-памяти, преимуществ в стоимости и производительности оказалось недостаточно для того, чтобы компании перешли на его использование. Похоже, для ReRAM можно использовать широкий спектр материалов. Однако открытие того, что популярный диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью HfO2 может быть использован для создания ReRAM, работающего при низком напряжении, стимулировало исследователей к дальнейшим поискам.

Системы с механическим адресом

Системы с механическим доступом используют записывающую головку для чтения и записи на предназначенном носителе информации. Поскольку время доступа зависит от физического местоположения данных на устройстве, системы с механическим доступом могут быть системами последовательного доступа. Например, магнитная лента хранит данные в виде последовательности битов на длинной ленте; для доступа к любой части хранилища требуется перемещение ленты мимо записывающей головки. Ленточные носители можно извлекать из привода и хранить, обеспечивая практически неограниченную емкость за счет времени, необходимого для извлечения и установки ленты. Жесткие диски используют вращающийся магнитный диск для хранения данных; время доступа больше, чем у полупроводниковой памяти, но стоимость на бит хранимых данных очень низкая, и они обеспечивают произвольный доступ к любой точке на диске. Ранее широко использовались сменные дисковые пакеты, позволявшие расширять емкость хранения. Оптические диски хранят данные, изменяя пигментный слой на пластиковом диске, и также обеспечивают произвольный доступ. Доступны версии только для чтения и для чтения-записи; сменные носители снова позволяют практически неограниченное расширение, а некоторые автоматизированные системы (например, оптические джукбоксы) использовались для извлечения и установки дисков под прямым программным управлением. Память на доменных стенках (DWM) хранит данные в магнитных туннельных переходах (MTJ), работающих за счет управления движением доменных стенок (DW) в ферромагнитных нанопроводах.

Нелетучая основная память

Нелетучая основная память (НЛПМ) — это основное хранилище с энергонезависимыми характеристиками. Такое применение энергонезависимой памяти создает угрозы безопасности.