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.
Non volatile memory (NVM) or non volatile storage is a type of computer memory that can retain stored information even after power is removed. In contrast, volatile memory needs constant power in order to retain data. Non volatile memory typically refers to storage in semiconductor memory chips, which store data in floating gate memory cells consisting of floating gate MOSFETs (metal–oxide–semiconductor field effect transistors), including flash memory storage such as NAND flash and solid state drives (SSD). Other examples of non volatile memory include read only memory (ROM), EPROM (erasable programmable ROM) and EEPROM (electrically erasable programmable ROM), ferroelectric RAM, most types of computer data storage devices (e. g. disk storage, hard disk drives, optical discs, floppy disks, and magnetic tape), and early computer storage methods such as punched tape and cards.
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.