Energeticky nezávislá paměť s náhodným přístupem - Non-volatile random-access memory

Energeticky nezávislá paměť s náhodným přístupem ( NVRAM ) je paměť s náhodným přístupem, která uchovává data bez použití napájení. To je v kontrastu s dynamickou pamětí s náhodným přístupem (DRAM) a statickou pamětí s náhodným přístupem (SRAM), které obě uchovávají data pouze po dobu napájení, nebo s takovými formami paměti, jako je magnetická páska , ke které nelze náhodně přistupovat. ale která uchovává data na neurčito bez elektrické energie.

Paměťová zařízení jen pro čtení lze použít k ukládání firmwaru systému do vestavěných systémů , jako je ovládání zapalovacího systému automobilu nebo domácí spotřebič. Používají se také k uložení počátečních instrukcí procesoru potřebných k zavedení systému počítače. Paměť pro čtení a zápis lze použít k uložení kalibračních konstant, hesel nebo informací o nastavení a lze ji integrovat do mikrokontroléru .

Pokud by byla hlavní paměť počítačového systému energeticky nezávislá, výrazně by se snížila doba potřebná ke spuštění systému po přerušení napájení. Aktuální existující typy polovodičových energeticky nezávislých pamětí mají omezení velikosti paměti, spotřeby energie nebo provozní životnosti, díky nimž jsou pro hlavní paměť nepraktické. Pokračuje vývoj pro použití energeticky nezávislých paměťových čipů jako hlavní paměti systému jako trvalé paměti . Známý jako NVDIMM-P , jehož standard byl publikován v roce 2021.

Časné NVRAM

Brzy počítače používaly jádrové a bubnové paměťové systémy, které byly energeticky nezávislé jako vedlejší produkt jejich konstrukce. Nejběžnější formou paměti v 60. letech byla paměť s magnetickým jádrem , která ukládala data v polaritě malých magnetů. Jelikož magnety udržovaly svůj stav i po odebrání energie, byla jádrová paměť také energeticky nezávislá. Jiné typy paměti vyžadovaly konstantní výkon pro uchování dat, například vakuové elektronky nebo klopné obvody v pevné fázi , Williamsovy elektronky a polovodičová paměť (statická nebo dynamická paměť RAM).

Pokroky ve výrobě polovodičů v 70. letech vedly k nové generaci pamětí v pevné fázi, které se paměť s magnetickým jádrem nemohla vyrovnat z hlediska nákladů nebo hustoty. Dynamická paměť RAM dnes tvoří převážnou většinu hlavní paměti typického počítače . Mnoho systémů vyžaduje alespoň nějakou energeticky nezávislou paměť. Stolní počítače vyžadují trvalé uložení pokynů potřebných k zavedení operačního systému. Integrované systémy, jako je například počítač řízení motoru automobilu, si musí při odpojení napájení ponechat své pokyny. Mnoho systémů pro tyto role používalo RAM a nějakou formu ROM.

Jedním řešením byly zakázkové integrované obvody ROM . Obsah paměti byl uložen jako vzor poslední masky použité pro výrobu integrovaného obvodu, a proto jej nebylo možné po dokončení upravit.

PROM vylepšil tento design a umožnil koncovému uživateli psát čip elektricky. PROM se skládá z řady diod, které jsou zpočátku všechny nastaveny na jednu hodnotu, například „1“. Použitím vyššího výkonu, než je obvyklé, může být vybraná dioda „vypálena“ (jako pojistka ), čímž se tento bit trvale nastaví na „0“. PROM usnadnil prototypování a malosériovou výrobu. Mnoho výrobců polovodičů poskytlo PROM verzi své části ROM masky, takže před objednáním ROM masky bylo možné otestovat vývojový firmware .

V současné době je nejznámější formou paměti NV-RAM i EEPROM paměť flash . Některé nevýhody flash paměti zahrnují požadavek na její zápis do větších bloků, než kolik může automaticky řešit mnoho počítačů, a relativně omezená životnost flash paměti kvůli konečnému počtu cyklů zápisu a mazání (od ledna 2010 většina spotřebních flash produktů vydrží pouze asi 100 000 přepsání, než se paměť začne zhoršovat). Další nevýhodou je omezení výkonu, které brání blesku ve shodě s dobami odezvy, a v některých případech náhodná adresovatelnost nabízená tradičními formami RAM. Několik novějších technologií se pokouší nahradit blesk v určitých rolích a některé dokonce tvrdí, že jsou skutečně univerzální pamětí , které nabízejí výkon těch nejlepších zařízení SRAM s nevolatilitou blesku. Od června 2018 se tyto alternativy dosud nestaly běžnými.

Ti, kteří požadovali skutečný výkon podobný RAM a trvalou volatilitu, museli obvykle používat konvenční RAM zařízení a záložní baterii. Například IBM PC a jeho nástupci začínající na IBM PC AT používali energeticky nezávislou paměť BIOS , často nazývanou CMOS RAM nebo parametrická RAM , a toto bylo běžné řešení v jiných časných mikropočítačových systémech, jako je původní Apple Macintosh , které používaly malé množství paměti napájeno baterií pro ukládání základních informací o nastavení, jako je vybraný spouštěcí svazek. (Původní počítače IBM PC a PC XT místo toho používaly přepínače DIP, které představují až 24 bitů konfiguračních dat systému; přepínače DIP nebo podobné jsou dalším primitivním typem programovatelného zařízení ROM, které bylo v 70. a 80. letech široce používáno pro velmi malé množství data - obvykle ne více než 8 bajtů.) Před průmyslovou standardizací architektury IBM PC některé další modely mikropočítačů používaly RAM zálohovanou bateriemi ve větším rozsahu: například v modelu TRS-80 Model 100 / Tandy 102 byla veškerá hlavní paměť (Minimálně 8 kB, maximálně 32 kB) je SRAM napájený z baterie. V 90. letech také mnoho softwarových kazet pro videohry (např. Pro konzoly, jako je Sega Genesis ) obsahovalo RAM zálohovanou baterií, aby si uchovala uložené hry, vysoké skóre a podobná data. Některé skříně s arkádovými videohrami také obsahují moduly CPU, které obsahují RAM zálohovanou baterií obsahující klíče pro dešifrování herního softwaru za chodu. Mnohem větší paměti zálohované baterií se dodnes používají jako mezipaměti pro vysokorychlostní databáze, které vyžadují výkon na úrovni novějších zařízení NVRAM, které se dosud nepodařilo splnit.

MOSFET s plovoucí bránou

Obrovským pokrokem v technologii NVRAM bylo zavedení tranzistoru MOSFET s plovoucí bránou , což vedlo k zavedení vymazatelné programovatelné paměti jen pro čtení neboli EPROM . EPROM se skládá z mřížky tranzistorů, jejichž hradlový terminál („switch“) je chráněn vysoce kvalitním izolátorem. "Zatlačením" elektronů na základnu s použitím napětí vyššího než je normální se elektrony zachytí na vzdálené straně izolátoru, čímž trvale zapnou tranzistor "on" ("1"). EPROM lze obnovit do „základního stavu“ (všechny „1“ nebo „0“, v závislosti na provedení) použitím ultrafialového světla (UV). UV fotony mají dostatek energie na to, aby protlačily elektrony izolantem a vrátily základnu do základního stavu. V tomto bodě může být EPROM přepsána úplně od začátku.

Brzy následovalo vylepšení EPROM, EEPROM . Extra „E“ znamená elektricky , což znamená schopnost resetovat EEPROM pomocí elektřiny místo UV, což usnadňuje používání zařízení v praxi. Bity se znovu nastavují aplikací ještě vyššího výkonu přes ostatní svorky tranzistoru ( zdroj a odtok ). Tento vysoce výkonný impuls ve skutečnosti nasává elektrony přes izolátor a vrací je do základního stavu. Tento způsob má tu nevýhodu, že mechanicky odbourají čip, nicméně, tak paměťové systémy založené na plovoucí-gate tranzistorů obecně mají krátké write-životy, v řádu 10 ⁵ zapisuje na konkrétní bit.

Jedním z přístupů k překonání omezení počtu přepsání je mít standardní SRAM, kde je každý bit zálohován bitem EEPROM. Za normálního provozu funguje čip jako rychlý SRAM a v případě výpadku napájení se obsah rychle přenese do části EEPROM, odkud se při dalším zapnutí načte zpět. Takové čipy jejich výrobci nazývali NOVRAM s.

Základ flash paměti je totožný s EEPROM a liší se do značné míry vnitřním uspořádáním. Flash umožňuje zapisovat do jeho paměti pouze bloky, což značně zjednodušuje vnitřní zapojení a umožňuje vyšší hustotu. Hustota paměťového úložiště je hlavním determinantem nákladů ve většině počítačových paměťových systémů a díky tomuto blesku se vyvinula v jedno z nejlevnějších dostupných paměťových zařízení v pevné fázi. Od roku 2000 vedla poptávka po stále větším množství blesku k tomu, aby výrobci používali pouze nejnovější výrobní systémy, aby co nejvíce zvýšili hustotu. Ačkoli začínají vstupovat do hry výrobní limity, zdá se , že nové „vícebitové“ techniky zdvojnásobují nebo zčtyřnásobují hustotu i při existujících šířkách linek.

Novější přístupy

Flash a EEPROM omezené cykly zápisu jsou však vážným problémem pro jakoukoli skutečnou roli podobnou RAM. Vysoký výkon potřebný k zápisu do buněk je navíc problémem v rolích s nízkou spotřebou, kde se často používá NVRAM. Napájení také vyžaduje čas, aby se „vytvořilo“ v zařízení známém jako nabíjecí pumpa , díky čemuž je psaní dramaticky pomalejší než čtení, často až 1 000krát. K řešení těchto nedostatků byla navržena řada nových paměťových zařízení.

Feroelektrická RAM

K dnešnímu dni je jediným takovým systémem, který vstupuje do rozšířené výroby, feroelektrická RAM nebo F-RAM (někdy označovaná jako FeRAM). F-RAM je paměť s náhodným přístupem podobná konstrukci jako DRAM, ale (místo dielektrické vrstvy jako v DRAM) obsahuje tenký feroelektrický film zirkoničitanu titaničitanu olovnatého [ Pb (Zr, Ti) O
3 ], běžně označovaný jako PZT. Atomy Zr / Ti v PZT mění polaritu v elektrickém poli, čímž vytvářejí binární přepínač. Na rozdíl od zařízení RAM si F-RAM zachovává svoji datovou paměť, když je vypnuto nebo přerušeno napájení, kvůli zachování polarity krystalu PZT. Díky této krystalové struktuře a jejímu ovlivňování nabízí F-RAM odlišné vlastnosti od ostatních možností energeticky nezávislé paměti, včetně extrémně vysoké výdrže (přes 10 ¹⁶ přístupových cyklů pro zařízení s napětím 3,3 V), extrémně nízké spotřeby energie (protože F-RAM vyžadují nabíjecí pumpu jako jiné energeticky nezávislé paměti), rychlosti zápisu jednoho cyklu a toleranci gama záření. Společnost Ramtron International vyvinula, vyrobila a licencovala feroelektrickou RAM (F-RAM) a další společnosti, které licencovaly a vyráběly technologii F-RAM, zahrnují Texas Instruments , Rohm a Fujitsu .

Magnetorezistivní RAM

Dalším přístupem k vidění hlavního vývojového úsilí je magnetorezistivní paměť s náhodným přístupem neboli MRAM, která využívá magnetické prvky a obecně funguje způsobem podobným jádru, alespoň pro technologii první generace. Do dnešního dne byl do výroby uveden pouze jeden čip MRAM: část 4 Mbit společnosti Everspin Technologies , což je MRAM první generace, která využívá zápis indukovaný polem napříč. V současné době se vyvíjejí dvě techniky druhé generace: Thermal Assisted Switching (TAS), které vyvíjí Crocus Technology , a spin-transfer točivý moment (STT), na kterém pracují Crocus, Hynix , IBM a několik dalších společností. Zdá se, že STT-MRAM umožňuje mnohem vyšší hustoty než u první generace, ale zaostává za bleskem ze stejných důvodů jako FeRAM - enormní konkurenční tlaky na bleskovém trhu.

RAM s fázovou změnou

Další polovodičovou technologií, která má více než čistě experimentální vývoj, je RAM s fázovou změnou neboli PRAM. PRAM je založen na stejném úložném mechanismu jako zapisovatelná CD a DVD , ale čte je spíše na základě jejich změn elektrického odporu než změn jejich optických vlastností. Společnost Samsung byla po určitou dobu považována za „temného koně“ a v roce 2006 oznámila dostupnost části s 512 Mbit, což je podstatně vyšší kapacita než u MRAM nebo FeRAM. Plošná hustota těchto částí se zdá být ještě vyšší než u moderních flash zařízení, nižší celkové úložiště je způsobeno nedostatkem vícebitového kódování. Na toto oznámení navázal jeden ze společností Intel a STMicroelectronics , kteří na říjnovém fóru Intel Developer Forum 2006 předvedli svá vlastní zařízení PRAM .

Intel a STMicroelectronics nyní prodávají zařízení založená na PRAM spotřebitelům pod názvy 3D XPoint Optane a QuantX.

Paměť stonožky

Snad jedním z inovativnějších řešení je paměť stonožek vyvinutá společností IBM . Millipede je v podstatě děrný štítek vykreslený pomocí nanotechnologie, aby se dramaticky zvýšila plošná hustota. Ačkoli se plánovalo představit Stonožku již v roce 2003, neočekávané problémy s vývojem to zpozdily až do roku 2005, kdy už nebyla konkurenceschopná s bleskem. Teoreticky tato technologie nabízí hustotu úložiště řádově 1 Tbit / in2 (≈ 394 Gbit / cm ² ), větší než dokonce nejlepší technologie pevných disků, které se v současnosti používají ( kolmé nahrávání nabízí 636 Gbit / in2 (≈ 250,4 Gbit / cm ²⁾ ) k prosinci 2011), ale budoucí magnetické nahrávání podporované teplem a vzorovaná média společně by mohly podporovat hustoty 10 Tbit / in2 (≈3,95 Tbit / cm ² ). Zdá se však, že pomalé doby čtení a zápisu do takto velkých pamětí omezují tuto technologii na výměnu pevných disků, na rozdíl od použití vysokorychlostní paměti RAM, i když do značné míry to samé platí i pro flash.

FeFET paměť

Alternativní aplikací ferroelektriky (na bázi oxidu hafnia) je paměť založená na Fe FET , která využívá feroelektrikum mezi hradlem a zařízením tranzistoru s efektem pole . Tvrdí se, že taková zařízení mají tu výhodu, že využívají stejnou technologii jako litografie založená na HKMG (high-L metal gate) a škálovatelné na stejnou velikost jako konvenční FET v daném uzlu procesu . Od roku 2017 byla 32Mbit zařízení předvedena při 22 nm .

Viz také

Reference

externí odkazy

Podpora souborových systémů v trvalé paměti , LWN.net , 2. září 2014, autor Jonathan Corbet

Languages

In other projects