非挥发性随机存取内存

非挥发性内存

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非易失性随机存取内存（Non-volatile random-access memory，简称NVRAM）是无需持续供电即可保留数据的随机存取内存。这与动态随机存取内存（DRAM）和静态随机存取内存（SRAM）形成对比，后两者只有在供电期间才能保持数据，也与无法随机访问但可以在没有电力的情况下无限期保留数据的顺序访问内存形式（如磁带）不同。

只读内存设备可用于在嵌入式系统中存储系统固件，如汽车点火系统控制或家用电器。它们还用于存储启动计算机系统所需的初始处理器指令。诸如NVRAM之类的可读写内存可用于存储校准常数、密码或设置信息，并可能集成到微控制器中。

如果计算机系统的主内存是非易失性的，它将大大减少电源中断后启动系统所需的时间。目前现有的半导体非易失性内存类型在内存大小、功耗或运行寿命方面存在限制，使其不适合作为主内存。目前正在开发将非易失性内存芯片用作系统主内存的技术，作为持久性内存。一种称为NVDIMM-P的持久性内存标准已于2021年发布。

## 早期NVRAM

一些早期计算机使用磁鼓内存，它作为构造的副产品而具有非易失性。在1950年代后期，业界转向磁芯内存，它通过小磁体的极性存储数据。由于磁体即使在断电后也能保持其状态，因此磁芯内存也是非易失性的。其他内存类型需要持续供电才能保留数据，如真空管或固态触发器、威廉姆斯管和半导体内存（静态或动态RAM）。

1970年代半导体制造的进步导致了一代新的固态内存的出现，磁芯内存在成本或密度上无法与之匹配。如今，动态RAM构成了典型计算机主内存的绝大部分。许多系统需要至少一些非易失性内存。台式计算机需要永久存储加载操作系统所需的指令。嵌入式系统，如汽车发动机控制计算机，必须在断电后保留其指令。许多系统使用RAM和某种形式的ROM的组合来实现这些功能。

客制化的ROM积体电路曾是一种解决方案。其内存内容是在制造积体电路时使用的最后一层掩膜所储存的图案，因此一旦制造完成就无法再修改。

PROM改进了这一设计，允许终端用户对芯片进行电气写入。PROM由一系列二极管组成，这些二极管最初都设置为单一值，例如1。通过施加比正常更高的电力，可以"烧毁"选定的二极管（如同保险丝），从而将该位永久设置为0。PROM便于原型制作和小批量生产。许多半导体制造商为其掩模ROM部件提供了PROM版本，使开发固件可以在订购掩模ROM之前进行测试。

目前，最著名的NV-RAM和EEPROM内存形式是闪存。闪存的一些缺点包括需要以比许多计算机能够自动寻址更大的块写入，以及由于写入-擦除循环次数有限（截至2010年1月，大多数消费级闪存产品只能承受约100,000次重写，然后内存开始退化）而导致的寿命相对有限。另一个缺点是性能限制，使闪存无法匹配传统RAM形式的响应时间，在某些情况下，也无法匹配随机寻址能力。一些较新的技术正尝试在某些角色中替代闪存，有些甚至声称是真正的通用内存，提供最佳SRAM设备的性能和闪存的非易失性。截至2018年6月，这些替代方案尚未成为主流。

那些需要真正RAM般性能和非易失性的人通常不得不使用传统RAM设备和电池备份。例如，从IBM PC AT开始的IBM PC及其继承者使用非易失性BIOS存储器，通常称为CMOS RAM，这在其他早期微型计算机系统中也是常见的解决方案，如原始的Apple Macintosh，它使用少量由电池供电的内存来存储基本设置信息，如选定的启动卷。（原始IBM PC和PC XT则使用DIP开关来表示多达24位的系统配置数据；DIP或类似开关是另一种原始的可编程ROM设备，在1970年代和1980年代被广泛用于非常小量的数据—通常不超过8字节。）在业界标准化为IBM PC架构之前，一些其他微型计算机型号更广泛地使用电池备份RAM：例如，在TRS-80 Model 100/Tandy 102中，所有主内存（最小8 KB，最大32 KB）都是电池备份SRAM。此外，在1990年代，许多视频游戏软件卡带（例如用于Sega Genesis等游戏机的卡带）包含电池备份RAM，以保留已保存的游戏、高分和类似数据。此外，一些街机视频游戏柜含有CPU模块，其中包含电池备份RAM，其中包含用于即时游戏软件解密的密钥。如今，仍然使用更大的电池备份内存作为高速数据库的缓存，这些数据库需要一种较新的NVRAM设备尚未能够满足的性能水平。

## 浮栅MOSFET

NVRAM技术的一个巨大进步是浮栅MOSFET晶体管的引入，这导致了"可擦除可编程只读内存"，即EPROM的引入。EPROM由一网格晶体管组成，其"栅极"端子（开关）受高质量绝缘体保护。通过施加高于正常的电压将电子推到基极上，电子被困在绝缘体的另一侧，从而永久开启晶体管（1）。EPROM可以通过施加紫外线（UV）重置为"基本状态"（视设计而定，全是1或全是0）。UV光子具有足够的能量将电子推过绝缘体并使基极回到地状态。此时，EPROM可以从头开始重新写入。

EPROM的改进版，EEPROM，很快就问世了。额外的E代表"电气"，指的是使用电力而不是UV重置EEPROM的能力，使设备在实践中更容易使用。通过晶体管的其他端子（源极和漏极）施加更高的功率，可以重置位。这种高功率脉冲实际上会将电子吸过绝缘体，使其回到地状态。然而，这一过程的缺点是会机械地降低芯片性能，因此基于浮栅晶体管的内存系统一般写入寿命较短，任何特定位的写入次数约为105次。

克服重写次数限制的一种方法是使用标准SRAM，其中每个位都由一个EEPROM位备份。在正常操作中，芯片作为快速SRAM运行，在电源故障的情况下，内容会快速转移到EEPROM部分，然后在下次上电时从那里载入回来。这类芯片被其制造商称为"NOVRAM"。

闪存的基础与EEPROM相同，主要在内部布局上有所不同。闪存只允许以块为单位写入内存，这大大简化了内部接线并允许更高的密度。内存存储密度是大多数计算机内存系统成本的主要决定因素，由于这一点，闪存已发展成为成本最低的固态内存设备之一。从2000年左右开始，对越来越多闪存的需求促使制造商只使用最新的制造系统，以尽可能地提高密度。虽然制造限制开始发挥作用，但新的多层单元似乎能够即使在现有线宽下也能将密度加倍或翻两番。

## 商业化替代品

闪存和EEPROM有限的写入循环对任何真正类似RAM的角色来说都是一个严重问题。此外，写入单元所需的高功率在低功耗角色中是一个问题，而NVRAM经常用于这些角色。功率也需要时间在称为电荷泵的设备中"累积"，这使得写入比读取慢得多，通常慢1000倍。已提出了许多新型内存设备来解决这些缺点。

### FeRAM

迄今为止，唯一进入广泛生产的此类系统是铁电随机存取内存（F-RAM），它是一种随机存取内存，其结构类似于DRAM，但（不像DRAM中的介电质）含有一层薄的锆钛酸铅盐Pb(Zr,Ti)O3铁电膜，通常简称为PZT。PZT中的Zr/Ti原子在电场中改变极性，从而产生一个二进制开关。与RAM设备不同，F-RAM在电源关闭或中断时保留其数据记忆，这是由于PZT晶体保持极性所致。由于这种晶体结构及其受影响方式，F-RAM与其他非易失性内存选项相比具有独特的特性，包括极高的耐久性（3.3 V设备超过1016访问循环）、超低功耗（因为F-RAM不像其他非易失性内存那样需要电荷泵）、单周期写入速度和伽马辐射耐受性。Ramtron International已开发、生产和授权F-RAM，其他已授权和生产F-RAM技术的公司包括德州仪器、罗姆和富士通。

### MRAM

另一种得到重大开发努力的方法是磁阻式随机存取内存（MRAM），它使用磁性元件，总体上其操作方式与磁芯类似，至少对于第一代技术而言是如此。迄今为止，只有一款MRAM芯片投入生产：飞思卡尔半导体的4 Mbit部件，它是一种使用交叉点场诱导写入的第一代MRAM。目前正在开发两种第二代技术：热辅助切换（TAS），由Crocus Technology开发，以及自旋转移矩（STT），Crocus、海力士、IBM和其他几家公司正在研究。STT-MRAM似乎允许比第一代更高的密度，但由于与FeRAM相同的原因而落后于闪存——闪存市场的巨大竞争压力。

### PRAM

另一种不仅仅处于实验阶段的固态技术是相变化内存（PRAM），它基于与可写入的CD和DVD相同的存储机制，但根据电阻的变化而不是光学特性的变化来读取它们。一段时间被视为黑马后，2006年三星宣布推出512 Mbit部件，其容量明显高于MRAM或FeRAM。这些部件的面积密度似乎甚至高于现代闪存设备，总体存储较低是由于缺乏多位编码。这一宣布之后是英特尔和意法半导体的宣布，他们在2006年10月的英特尔开发者论坛上展示了自己的PRAM设备。

英特尔和美光科技曾有一个合资企业，以3D XPoint、Optane和QuantX的名称销售PRAM设备，该合资企业于2022年7月终止。

意法半导体制造用于汽车应用的相变内存设备。

## 研究中的替代品

### Millipede

也许最具创新性的解决方案之一是Millipede，由IBM开发。Millipede本质上是使用纳米技术渲染的穿孔卡片，以便大幅提高面积密度。虽然计划在2003年就推出Millipede，但开发中的意外问题将其推迟到2005年，此时它与闪存相比已不再具有竞争力。理论上，该技术提供大约1 Tbit/in2（≈155 Gbit/cm2）的存储密度，大于目前使用的最佳硬盘驱动器技术（截至2011年12月，垂直磁记录提供636 Gbit/in2（≈98.6 Gbit/cm2）），但未来的热辅助磁记录和Patterned media结合可以支持10 Tbit/in2（≈1.55 Tbit/cm2）的密度。然而，对于这么大的内存，缓慢的读写时间似乎限制了这项技术替代硬盘驱动器，而不是高速类RAM用途，尽管在很大程度上，闪存也是如此。

### FeFET内存

铁电体（基于氧化铪）的另一种应用是基于Fe FET的内存，它在场效应晶体管的栅极和器件之间使用铁电体。此类设备声称具有使用与HKMG（高-κ金属栅极）基于光刻技术相同的技术的优势，并且在给定制程节点上缩小到与传统FET相同的尺寸。截至2017年，在22纳米工艺上已经展示了32Mbit设备。