五种的非易失性存储器技术介绍(转自百科)

非易失性存储器,特别是具有大块(或“扇区”)擦除机制的Flash“闪存”存储器,在过去10年中一直是半导体业务中增长最快的部分。这些新兴技术中的一些包括MRAM,FeRAM,PCM,自旋转移矩随机存取存储器(STT-RAM),RRAM和忆阻器。

五种的非易失性存储器技术介绍(转自百科)

这些新兴的非易失性存储器技术主要有五种类型:

闪存(flash memory)

闪存(flash memory,有时称为flash RAM)是一种不断供电的非易失性存储器,它能在称为块(block)的存储单位中进行删除和改编。闪存是电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)的变体,EEPROM与闪存不同的是,它在字节层面上进行删除和重写,这样EEPROM就比闪存的更新速度慢。通常用闪存来保存控制代码,比如在个人电脑中的基本输入输出系统(BIOS)。

闪存
闪存

当需要改变(重写)输入输出系统时,闪存可以以块(而不是字节)的大小输写,这样闪存就更容易更新。

但另一方面,闪存不像随机存取存储器(RAM)一样有用,因为随即存取存储器可以在字节(而不是块)层面上设定地址。闪存(flash memory)这个名字是因为微芯片被组织来使存储单元的一部分能在一瞬间(或闪电般的)被删除得出的。这种删除是通过隧道效应(Fowler-Nordheim tunneling)进行的,在隧道效应中电子刺破薄薄的一层绝缘材料来从每个存储单元的浮栅中移动电荷。Intel提供了一种形式的闪存,它在每个存储单元保存2比特(而不是1比特),这样能够使存储量翻倍而无需增加相应的价格。闪存被用于数码手机、数码照相机、局域网交换机、笔记本电脑的PC卡、嵌入式控制器等设备中。

铁电随机存取存储器(FeRAM)

铁电存储器(FRAM,ferroelectric RAM)是一种随机存取存储器,它将动态随机存取存储器(DRAM)的快速读取和写入访问——它是个人电脑存储中最常用的类型——与在电源关掉后保留数据能力(就像其他稳定的存储设备一样,如只读存储器和闪存)结合起来。

铁电随机存取存储器
铁电随机存取存储器

铁电存储器(FRAM,ferroelectric RAM)是一种随机存取存储器,它将动态随机存取存储器(DRAM)的快速读取和写入访问——它是个人电脑存储中最常用的类型——与在电源关掉后保留数据能力(就像其他稳定的存储设备一样,如只读存储器和闪存)结合起来。由于铁电存储器不像动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)一样密集(即在同样的空间中不能存储像它们一样多的数据),它很可能不能取代这些技术。然而,由于它能在非常低的电能需求下快速地存储,它有望在消费者的小型设备中得到广泛地应用,比如个人数字助理(PDA)、手机、功率表、智能卡以及安全系统。

铁电存储器(FRAM)比闪存更快。在一些应用上,它也有可能替代电可擦除只读存储器(EEPROM)和静态随机存取存储器(SRAM),并成为未来的无线产品的关键元件

磁性随机存取存储器(MRAM)

磁性随机访问存储器是一种非易失性存储器技术,正在作为一种主流的数据存储技术被业界所广泛接受。它集成了一个磁阻器件和一个硅基选择矩阵。关键属性有非易失性、低电压工作、无限次读写的耐用性、快速读写操作,并且作为后端技术而容易集成。这些特性使得磁性随机访问存储器有可能替代各种应用中的许多类型存储器。

磁性随机存取存储器(MRAM)
磁性随机存取存储器(MRAM)

存储器是计算机体系结构中的重要组成部分,对计算机的速度、集成度和功耗等都有决定性的影响。然而,目前的存储器难以同时兼顾各项性能指标,例如,硬盘的存储容量较高,但访问速度极慢(通常为微秒级)。缓存则相反,具有高速和低集成度的特点。为充分发挥各类存储器的优势,典型的计算机存储系统采用图1所示的分级结构,一方面,频繁使用的指令与数据存于缓存和主存中,能够以较快的速度与中央处理器交互;另一方面,大量非频繁使用的系统程序与文档资料被存于高密度的硬盘(HDD或SSD)中。这样的分级结构使存储系统兼具高速和大容量的优点,但是,随着半导体工艺特征尺寸的不断缩小,传统的基于互补金属氧化物半导体工艺的缓存和主存遭遇了性能瓶颈。在功耗方面,由于CMOS晶体管的漏电流随着工艺尺寸的减小而增大,因此,SRAM和DRAM的静态功耗日益加剧;在速度方面,处理器与存储器的互连延迟限制了系统的主频。解决该问题的一个有效途径是构建非易失性的缓存和主存,使系统可工作于休眠模式而不丢失数据,从而消除漏电流和静态功耗,而且非易失性存储器可通过后道工艺直接集成于CMOS电路上,减小了互连延迟。在目前诸多的非易失性存储器中,以Flash的技术最为成熟,但Flash因写入速度慢(毫秒)、可擦写次数有限等缺点而无法达到缓存和主存的性能要求。其他的候选有可变电阻式存储器、相变存储器和自旋转移矩磁性随机存储器等。

相变存储器

相变存储器,简称PCM,相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据的。相变存储器通常是利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的一种信息存储装置。2015年,《自然·光子学》杂志公布了世界上第一个或可长期存储数据且完全基于光的相变存储器。

五种的非易失性存储器技术介绍(转自百科)

相变存储器(PCM)是一种非易失存储设备,它利用材料的可逆转的相变来存储信息。同一物质可以在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在,这些状态都称为相。相变存储器便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。在非晶态下,GST材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度,使得其具有较高的电阻率。由于这种状态通常出现在RESET操作之后,一般称其为RESET状态,在RESET操作中DUT的温度上升到略高于熔点温度,然后突然对GST淬火将其冷却。

冷却的速度对于非晶层的形成至关重要。非晶层的电阻通常可超过1兆欧。在晶态下,GST材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度,从而具有较低的电阻率。由于这种状态通常出现在SET操作之后,我们一般称其为SET状态,在SET操作中,材料的温度上升高于再结晶温度但是低于熔点温度,然后缓慢冷却使得晶粒形成整层。

晶态的电阻范围通常从1千欧到10千欧。晶态是一种低能态;因此,当对非晶态下的材料加热,温度接近结晶温度时,它就会自然地转变为晶态。典型的GST PCM器件结构顶部电极、晶态GST、α/晶态GST、热绝缘体、电阻(加热器)、底部电极组成。一个电阻连接在GST层的下方。加热/熔化过程只影响该电阻顶端周围的一小片区域。擦除/RESET脉冲施加高电阻即逻辑0,在器件上形成一片非晶层区域。擦除/RESET脉冲比写/SET脉冲要高、窄和陡峭。SET脉冲用于置逻辑1,使非晶层再结晶回到结晶态。

阻变式存储器(RRAM)

阻变式存储器(RRAM)是以非导性材料的电阻在外加电场作用下,在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的非易失性存储器。

五种的非易失性存储器技术介绍(转自百科)

作为阻变式存储器芯片一个重要的电子元件,忆阻器(memristor)的电阻会随外加电压的高低而改变。相比其它非易失性存储技术,RRAM是高速存储器。工程师在对忆阻器(memristor)技术进行潜心研发的道路上遇到的拦路虎,恰恰是阻变式存储器(RRAM)的潜行路径。

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