Nichtflüchtiger Speicher ( NVM ) ist ein Speichertyp , der gespeicherte Informationen auch nach dem Abschalten der Stromversorgung beibehält. Im Gegensatz dazu benötigt flüchtiger Speicher eine ständige Stromversorgung, um Daten zu speichern.

Nichtflüchtiger Speicher bezeichnet typischerweise die Speicherung in Speicherchips , die Daten in Floating-Gate -Speicherzellen speichern, welche aus Floating-Gate-MOSFETs ( Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren ) bestehen, einschließlich Flash-Speicher wie NAND-Flash und Solid-State-Drives (SSD).

Weitere Beispiele für nichtflüchtige Speicher sind Festwertspeicher (ROM), EPROM (löschbarer programmierbarer ROM ) und EEPROM (elektrisch löschbarer programmierbarer ROM), ferroelektrischer RAM , die meisten Arten von Computerdatenspeichergeräten (z. B. Festplatten , optische Datenträger , Disketten und Magnetbänder ) sowie frühe Computerspeichermethoden wie Lochstreifen und -karten . [ 1 ]

Überblick

Nichtflüchtiger Speicher wird typischerweise als Sekundärspeicher oder Langzeitspeicher eingesetzt. Die heute am weitesten verbreitete Form des Primärspeichers ist flüchtiger Arbeitsspeicher (RAM). Das bedeutet, dass beim Herunterfahren des Computers alle im RAM gespeicherten Daten verloren gehen. Die meisten nichtflüchtigen Speicher weisen jedoch Einschränkungen auf, die sie für den Einsatz als Primärspeicher ungeeignet machen. Typischerweise sind nichtflüchtige Speicher teurer, bieten eine geringere Leistung oder haben eine begrenzte Lebensdauer im Vergleich zu flüchtigem Arbeitsspeicher.

Nichtflüchtige Datenspeicher lassen sich in elektrisch adressierte Systeme (z. B. Flash-Speicher und Festwertspeicher ) und mechanisch adressierte Systeme ( Festplatten , optische Datenträger , Magnetbänder , holografische Speicher usw.) unterteilen. [ 2 ] [ 3 ] Im Allgemeinen sind elektrisch adressierte Systeme teuer und haben eine begrenzte Kapazität, sind aber schnell, während mechanisch adressierte Systeme pro Bit günstiger, aber langsamer sind.

Elektrisch adressiert

Elektrisch adressierbare, nichtflüchtige Halbleiterspeicher können nach ihrem Schreibmechanismus kategorisiert werden.

Nur-Lese- und größtenteils-Lesegeräte

Masken-ROMs sind nur werkseitig programmierbar und werden typischerweise für Produkte mit hohem Produktionsvolumen verwendet, die nach der Herstellung des Speichermediums nicht aktualisiert werden müssen.

Programmierbarer Festwertspeicher (PROM) kann nach der Herstellung einmalig mit einem PROM-Programmiergerät programmiert werden . Die Programmierung erfolgt häufig vor dem Einbau in das Zielsystem, typischerweise ein eingebettetes System . Die Programmierung ist permanent; weitere Änderungen erfordern den Austausch des Speichers. Die Daten werden durch physisches Verändern (Beschreiben) der Speicherbereiche im Speicher gespeichert.

Ein EPROM ist ein löschbarer ROM-Speicher, der mehrfach beschrieben werden kann. Zum Schreiben neuer Daten auf einen EPROM ist jedoch eine spezielle Programmierschaltung erforderlich. EPROMs besitzen ein Quarzfenster, das das Löschen mit ultraviolettem Licht ermöglicht, wobei jedoch der gesamte Speicher auf einmal gelöscht wird. Ein einmalig programmierbarer (OTP) Speicher kann mit einem EPROM-Chip ohne Quarzfenster realisiert werden; dies ist kostengünstiger in der Herstellung. Ein elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM) nutzt Spannung zum Löschen des Speichers. Diese löschbaren Speicher benötigen relativ viel Zeit zum Löschen und Schreiben von Daten; sie sind üblicherweise nicht für die Programmierung durch den Prozessor des Zielsystems ausgelegt. Die Daten werden mithilfe von Floating-Gate-Transistoren gespeichert , die spezielle Betriebsspannungen benötigen, um elektrische Ladung an einem isolierten Steuergate zu speichern oder freizusetzen.

Flash-Speicher

Flash-Speicher sind Halbleiterchips, die gespeicherte Daten ohne externe Stromversorgung erhalten. Sie sind eng mit EEPROMs verwandt; der Unterschied besteht darin, dass Löschvorgänge blockweise erfolgen müssen und ihre Kapazität deutlich größer ist als die eines EEPROMs. Flash-Speicher verwenden zwei verschiedene Technologien – NOR und NAND – zur Datenabbildung. NOR-Flash ermöglicht schnellen Direktzugriff auf Daten in bestimmten Speicherzellen; er kann Daten bis zu einem einzelnen Byte abrufen. NAND-Flash liest und schreibt sequenziell mit hoher Geschwindigkeit und verarbeitet Daten blockweise. Im Vergleich zu NOR ist er jedoch beim Lesen langsamer. NAND-Flash liest schneller als er schreibt und überträgt so ganze Datenseiten in kurzer Zeit. Die NAND-Technologie ist bei hohen Speicherdichten kostengünstiger als NOR-Flash und bietet eine höhere Kapazität auf demselben Siliziumchip. [ 4 ]

Ferroelektrischer RAM (F-RAM)

Ferroelektrischer RAM ( FeRAM , F-RAM oder FRAM ) ist eine Form des Direktzugriffsspeichers, der im Aufbau DRAM ähnelt . Beide verwenden einen Kondensator und einen Transistor. Anstelle einer einfachen dielektrischen Schicht enthält eine F-RAM-Zelle jedoch einen dünnen ferroelektrischen Film aus Bleizirkonattitanat [Pb(Zr,Ti)O₃ ] , kurz PZT. Die Zr/Ti-Atome im PZT ändern in einem elektrischen Feld ihre Polarität und bilden so einen binären Schalter. Da der PZT-Kristall seine Polarität beibehält, bleiben die Daten im F-RAM auch bei Stromausfall oder -unterbrechung erhalten.

Aufgrund seiner Kristallstruktur und deren Beeinflussung bietet F-RAM im Vergleich zu anderen nichtflüchtigen Speicheroptionen besondere Eigenschaften, darunter eine extrem hohe, wenn auch nicht unendliche Lebensdauer (über 10<sup> 16</sup> Lese-/Schreibzyklen bei 3,3-V-Geräten), einen extrem niedrigen Stromverbrauch (da F-RAM im Gegensatz zu anderen nichtflüchtigen Speichern keine Ladungspumpe benötigt), hohe Schreibgeschwindigkeiten im Einzelzyklus und eine hohe Toleranz gegenüber Gammastrahlung. [ 5 ]

Magnetoresistiver RAM (MRAM)

Magnetoresistiver RAM speichert Daten in magnetischen Speicherelementen, sogenannten magnetischen Tunnelkontakten (MTJs). Die erste Generation von MRAM, wie beispielsweise der 4-Mbit-Speicher von Everspin Technologies , nutzte feldinduziertes Schreiben. Die zweite Generation wird hauptsächlich durch zwei Ansätze entwickelt: Thermal-Assisted Switching (TAS) [ 6 ] , das von Crocus Technology entwickelt wird , und Spin-Transfer Torque (STT), an dem Crocus , Hynix , IBM und mehrere andere Unternehmen arbeiten. [ 7 ]

Phasenwechselspeicher (PCM)

Phasenwechselspeicher speichern Daten in Chalkogenidglas , dessen Phase durch Erhitzen und Abkühlen reversibel zwischen amorphem und kristallinem Zustand gewechselt werden kann. Der kristalline Zustand weist einen niedrigen, der amorphe einen hohen Widerstand auf. Dadurch lassen sich Ströme ein- und ausschalten, um die digitalen Zustände 1 und 0 darzustellen. [ 8 ] [ 9 ]

FeFET-Speicher

Der FeFET-Speicher nutzt einen Transistor mit ferroelektrischem Material, um einen Zustand dauerhaft zu speichern.

RRAM-Speicher

RRAM (ReRAM) funktioniert durch die Änderung des Widerstands eines dielektrischen Festkörpermaterials, oft auch Memristor genannt. Bei ReRAM werden Defekte in einer dünnen Oxidschicht erzeugt, sogenannte Sauerstoffleerstellen (Stellen mit fehlendem Sauerstoff in der Oxidschicht), die sich anschließend unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes aufladen und driften können. Die Bewegung der Sauerstoffionen und -leerstellen im Oxid ist analog zur Bewegung von Elektronen und Löchern in einem Halbleiter.

Obwohl ReRAM ursprünglich als Ersatztechnologie für Flash-Speicher gedacht war, konnten die Kosten- und Leistungsvorteile von ReRAM Unternehmen nicht davon überzeugen, den Ersatz konsequent umzusetzen. Offenbar lässt sich eine breite Palette von Materialien für ReRAM verwenden. Die Entdeckung [ 10 ] , dass das weit verbreitete Gate-Dielektrikum HfO₂ mit hoher Dielektrizitätskonstante als Niederspannungs-ReRAM eingesetzt werden kann, hat Forscher jedoch dazu angeregt, weitere Möglichkeiten zu untersuchen.

Mechanisch adressierbare Systeme

Mechanisch adressierte Systeme verwenden einen Schreibkopf zum Lesen und Schreiben auf einem bestimmten Speichermedium. Da die Zugriffszeit von der physischen Position der Daten auf dem Gerät abhängt, arbeiten mechanisch adressierte Systeme sequenziell . Beispielsweise speichert ein Magnetband Daten als Bitfolge auf einem langen Band; um auf einen beliebigen Teil des Speichers zuzugreifen, muss das Band am Schreibkopf vorbeigeführt werden. Bandmedien können aus dem Laufwerk entnommen und gelagert werden, wodurch eine unbegrenzte Speicherkapazität zur Verfügung steht, allerdings auf Kosten der Zeit, die zum Entnehmen eines entnommenen Bandes benötigt wird. [ 11 ] [ 12 ]

Festplattenlaufwerke nutzen eine rotierende Magnetscheibe zur Datenspeicherung. Die Zugriffszeit ist zwar länger als bei Halbleiterspeichern, die Kosten pro gespeichertem Datenbit sind jedoch sehr gering, und sie ermöglichen den wahlfreien Zugriff auf jede beliebige Stelle der Festplatte. Früher waren Wechseldatenträger weit verbreitet, die eine Erweiterung der Speicherkapazität ermöglichten. Optische Datenträger speichern Daten durch Veränderung einer Pigmentschicht auf einer Kunststoffscheibe und ermöglichen ebenfalls den wahlfreien Zugriff. Es gibt sowohl Lese- als auch Schreibversionen; auch hier ermöglichen Wechseldatenträger eine unbegrenzte Erweiterung, und einige automatisierte Systeme (z. B. optische Jukeboxen ) wurden verwendet, um Datenträger unter direkter Programmsteuerung zu entnehmen und einzulegen. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

Domänenwandspeicher (DWM) speichern Daten in magnetischen Tunnelkontakten (MTJs), indem sie die Domänenwandbewegung (DW) in ferromagnetischen Nanodrähten steuern . [ 16 ]

Bio

Thinfilm produziert wiederbeschreibbare, nichtflüchtige organische ferroelektrische Speicher auf Basis ferroelektrischer Polymere . Thinfilm demonstrierte 2009 erfolgreich Rolle-zu-Rolle- gedruckte Speicher. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] In Thinfilms organischem Speicher ist das ferroelektrische Polymer zwischen zwei Elektrodensätzen in einer passiven Matrix eingebettet. Jeder Schnittpunkt der Metallleitungen bildet einen ferroelektrischen Kondensator und definiert eine Speicherzelle.

Nichtflüchtiger Hauptspeicher

Nichtflüchtiger Hauptspeicher (NVMM) ist ein Primärspeicher mit nichtflüchtigen Eigenschaften. [ 20 ] Diese Anwendung von nichtflüchtigem Speicher birgt Sicherheitsrisiken. [ 21 ] NVDIMM ist ein Beispiel für nichtflüchtigen Hauptspeicher.

Referenzen

  1. ^ Patterson, David; Hennessy, John (2005). Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface . Elsevier . S. 23. ISBN 9780080502571Die
  2. ^ „i-NVMM: Sicherstellung des nichtflüchtigen Speichers im laufenden Betrieb“ . Techrepublic . August 2011. Archiviert vom Original am 22. März 2017. Abgerufen am 21. März 2017 .
  3. ^ „Nichtflüchtiger Speicher (NVM)“ . Techopedia. Archiviert vom Original am 22. März 2017. Abgerufen am 21. März 2017 .
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  5. ^ F-RAM-Speichertechnologie , Ramtron.com, archiviert vom Original am 27. Januar 2012 , abgerufen am 30. Januar 2012
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  9. Pirovano , A.; Lacaita, A. L.; Benvenuti, A.; Pellizzer, F.; Hudgens, S.; Bez, R. (Dezember 2003). „Skalierungsanalyse der Phasenwechsel-Speichertechnologie“. IEEE International Electron Devices Meeting 2003. S. 29.6.1–29.6.4. doi : 10.1109/IEDM.2003.1269376 . ISBN 0-7803-7872-5. S2CID  1130884 .
  10. ^ Lee, HY; Chen, PS; Wu, TY; Chen, YS; Wang, CC; Tzeng, PJ; Lin, CH; Chen, F; Lien, CH; Tsai, MJ (2008). Energiesparendes und schnelles bipolares Schalten mit einer dünnen reaktiven Ti-Pufferschicht in robustem HfO2-basiertem RRAM. 2008 IE
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  17. ^ Thinfilm und InkTec erhalten den IDTechEx Technical Development Manufacturing Award IDTechEx, 15. April 2009
  18. ^ PolyIC und ThinFilm kündigen Pilotprojekt für in Serie gefertigte, gedruckte Kunststoffspeicher an (Archiviert am 29. September 2012 im Internet Archive; EETimes, 22. September 2009)
  19. ^ Alles bereit für die Massenproduktion gedruckter Speichermedien. Archiviert am 13. April 2010 in der Wayback Machine. Printed Electronics World, 12. April 2010
  20. ^ „NVDIMM – Die Veränderungen sind da, was kommt als Nächstes?“ (PDF) . snia.org . SINA . Abgerufen am 24. April 2018 .
  21. ^ Kannan, Sachhidh; Karimi, Naghmeh; Sinanoglu, Ozgur; Karri, Ramesh (22. Januar 2015). „Sicherheitslücken neu entstehender nichtflüchtiger Hauptspeicher und Gegenmaßnahmen“. IEEE-Transaktionen zum computergestützten Design integrierter Schaltkreise und Systeme . 34 (1): 2– 15. Bibcode : 2015ITCAD..34....2K . doi : 10.1109/TCAD.2014.2369741 . S2CID 14712674 .