ذاكرة الوصول العشوائي غير المتطايرة
| أنواع ذاكرة الكمبيوتر وتخزين البيانات |
|---|
| متقلب |
| غير متطاير |
ذاكرة الوصول العشوائي غير المتطايرة ( NVRAM ) هي ذاكرة وصول عشوائي تحتفظ بالبيانات دون تطبيق طاقة. وهذا على النقيض من ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) وذاكرة الوصول العشوائي الساكنة (SRAM)، والتي تحتفظ كلاهما بالبيانات فقط طالما يتم تطبيق الطاقة، أو أشكال ذاكرة الوصول المتسلسل مثل الشريط المغناطيسي ، والتي لا يمكن الوصول إليها عشوائيًا ولكنها تحتفظ بالبيانات إلى أجل غير مسمى دون طاقة كهربائية.
يمكن استخدام أجهزة الذاكرة للقراءة فقط لتخزين البرامج الثابتة للنظام في الأنظمة المضمنة مثل نظام التحكم في الإشعال في السيارات أو الأجهزة المنزلية. كما تُستخدم أيضًا لحفظ تعليمات المعالج الأولية المطلوبة لتشغيل نظام الكمبيوتر. يمكن استخدام ذاكرة القراءة والكتابة مثل NVRAM لتخزين ثوابت المعايرة أو كلمات المرور أو معلومات الإعداد، ويمكن دمجها في متحكم دقيق .
إذا كانت الذاكرة الرئيسية لنظام الكمبيوتر غير متطايرة، فسيؤدي ذلك إلى تقليل الوقت المطلوب لبدء تشغيل النظام بعد انقطاع التيار الكهربائي بشكل كبير. تحتوي الأنواع الحالية من الذاكرة غير المتطايرة شبه الموصلة على قيود في حجم الذاكرة أو استهلاك الطاقة أو عمر التشغيل مما يجعلها غير عملية للذاكرة الرئيسية. يجري التطوير لاستخدام شرائح الذاكرة غير المتطايرة كذاكرة رئيسية للنظام، كذاكرة دائمة . تم نشر معيار للذاكرة الدائمة المعروف باسم NVDIMM-P في عام 2021. [1] [2] [3]
ذاكرة NVRAM المبكرة
استخدمت بعض أجهزة الكمبيوتر المبكرة أسطوانة مغناطيسية غير متطايرة كمنتج ثانوي لبنائها. انتقلت الصناعة إلى ذاكرة ذات نواة مغناطيسية في أواخر الخمسينيات من القرن العشرين، والتي تخزن البيانات في قطبية مغناطيسات صغيرة. نظرًا لأن المغناطيسات احتفظت بحالتها حتى مع إزالة الطاقة، فإن ذاكرة النواة كانت أيضًا غير متطايرة. تتطلب أنواع الذاكرة الأخرى طاقة ثابتة للاحتفاظ بالبيانات، مثل الصمامات المفرغة أو الصمامات ذات الحالة الصلبة ، وأنبوب ويليامز ، والذاكرة شبه الموصلة (ذاكرة وصول عشوائي ثابتة أو ديناميكية).
أدت التطورات في تصنيع أشباه الموصلات في سبعينيات القرن العشرين إلى ظهور جيل جديد من ذواكر الحالة الصلبة التي لم تتمكن ذاكرة النواة المغناطيسية من مضاهاتها من حيث التكلفة أو الكثافة. تشكل ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية اليوم الغالبية العظمى من الذاكرة الرئيسية لجهاز الكمبيوتر النموذجي . تتطلب العديد من الأنظمة بعض الذاكرة غير المتطايرة على الأقل. تتطلب أجهزة الكمبيوتر المكتبية تخزينًا دائمًا للتعليمات المطلوبة لتحميل نظام التشغيل. يجب أن تحتفظ الأنظمة المضمنة، مثل كمبيوتر التحكم في المحرك للسيارة، بتعليماتها عند إزالة الطاقة. تستخدم العديد من الأنظمة مزيجًا من ذاكرة الوصول العشوائي وبعض أشكال ذاكرة القراءة فقط لهذه الأدوار.
كانت الدوائر المتكاملة المخصصة للقراءة فقط أحد الحلول. تم تخزين محتويات الذاكرة كنموذج للقناع الأخير المستخدم في تصنيع الدائرة المتكاملة، وبالتالي لم يكن من الممكن تعديلها بمجرد الانتهاء منها.
لقد تم تحسين هذا التصميم بواسطة PROM ، مما يسمح للمستخدم النهائي بكتابة الشريحة كهربائيًا. يتكون PROM من سلسلة من الثنائيات التي يتم ضبطها جميعًا في البداية على قيمة واحدة، 1 على سبيل المثال. من خلال تطبيق طاقة أعلى من المعتاد، يمكن حرق ثنائي محدد ( مثل الصمامات )، وبالتالي ضبط هذا البت بشكل دائم على 0. سهل PROM النماذج الأولية والتصنيع بكميات صغيرة. قدم العديد من مصنعي أشباه الموصلات نسخة PROM من جزء ROM القناع الخاص بهم حتى يمكن اختبار البرامج الثابتة للتطوير قبل طلب ROM القناع.
حاليًا، الشكل الأكثر شهرة لكل من ذاكرة NV-RAM و EEPROM هو ذاكرة الفلاش . تتضمن بعض عيوب ذاكرة الفلاش متطلبات كتابتها في كتل أكبر مما يمكن للعديد من أجهزة الكمبيوتر معالجته تلقائيًا، وطول عمر ذاكرة الفلاش المحدود نسبيًا بسبب عدد دورات الكتابة والمسح المحدودة (اعتبارًا من يناير 2010، يمكن لمعظم منتجات الفلاش الاستهلاكية أن تتحمل حوالي 100000 إعادة كتابة فقط قبل أن تبدأ الذاكرة في التدهور) [ بحاجة لمصدر ] . عيب آخر هو قيود الأداء التي تمنع الفلاش من مطابقة أوقات الاستجابة، وفي بعض الحالات، القدرة على العنونة العشوائية التي توفرها الأشكال التقليدية من ذاكرة الوصول العشوائي. تحاول العديد من التقنيات الأحدث استبدال الفلاش في أدوار معينة، ويدعي البعض حتى أنها ذاكرة عالمية حقًا ، حيث تقدم أداء أفضل أجهزة SRAM مع عدم تقلب الفلاش. اعتبارًا من يونيو 2018، لم تصبح هذه البدائل سائدة بعد.
كان على أولئك الذين يحتاجون إلى أداء حقيقي يشبه ذاكرة الوصول العشوائي وعدم التقلب عادةً استخدام أجهزة ذاكرة وصول عشوائي تقليدية ونسخة احتياطية للبطارية. على سبيل المثال، استخدمت أجهزة كمبيوتر IBM الشخصية وخلفائها بدءًا من IBM PC AT ذاكرة BIOS غير متطايرة ، والتي غالبًا ما تسمى ذاكرة الوصول العشوائي CMOS أو ذاكرة الوصول العشوائي للمعلمات ، وكان هذا حلاً شائعًا في أنظمة الحواسيب الصغيرة المبكرة الأخرى مثل Apple Macintosh الأصلي ، والذي استخدم كمية صغيرة من الذاكرة تعمل بالبطارية لتخزين معلومات الإعداد الأساسية مثل وحدة تخزين التمهيد المحددة. (استخدمت أجهزة IBM PC وPC XT الأصلية بدلاً من ذلك مفاتيح DIP لتمثيل ما يصل إلى 24 بت من بيانات تكوين النظام؛ تعد مفاتيح DIP أو المفاتيح المماثلة نوعًا بدائيًا آخر من أجهزة ROM القابلة للبرمجة والتي كانت تستخدم على نطاق واسع في السبعينيات والثمانينيات لكميات صغيرة جدًا من البيانات - لا تزيد عادةً عن 8 بايت.) قبل توحيد معايير الصناعة على بنية أجهزة IBM PC، استخدمت بعض نماذج أجهزة الكمبيوتر الصغيرة الأخرى ذاكرة الوصول العشوائي المدعومة بالبطارية على نطاق أوسع: على سبيل المثال، في طراز TRS-80 100 / Tandy 102، تكون الذاكرة الرئيسية بالكامل (8 كيلوبايت كحد أدنى و32 كيلوبايت كحد أقصى) عبارة عن ذاكرة وصول عشوائي ثابتة مدعومة بالبطارية. أيضًا، في التسعينيات، تضمنت العديد من خراطيش برامج ألعاب الفيديو (على سبيل المثال لوحدات التحكم مثل Sega Genesis ) ذاكرة وصول عشوائي مدعومة بالبطارية للاحتفاظ بالألعاب المحفوظة والنتائج العالية والبيانات المماثلة. كما تحتوي بعض خزائن ألعاب الفيديو على وحدات معالجة مركزية تتضمن ذاكرة وصول عشوائي مدعومة بالبطارية تحتوي على مفاتيح لفك تشفير برامج الألعاب أثناء التشغيل. ولا تزال تستخدم اليوم ذاكرة أكبر بكثير مدعومة بالبطارية كمخبأ لقواعد البيانات عالية السرعة التي تتطلب مستوى أداء لم تتمكن أجهزة NVRAM الأحدث من تحقيقه بعد.
MOSFET ذو البوابة العائمة
كان التقدم الهائل في تكنولوجيا NVRAM هو تقديم ترانزستور MOSFET ذو البوابة العائمة ، والذي أدى إلى تقديم ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة ، أو EPROM . تتكون EPROM من شبكة من الترانزستورات التي يتم حماية طرف البوابة (المفتاح) بواسطة عازل عالي الجودة. من خلال دفع الإلكترونات إلى القاعدة بتطبيق جهد أعلى من المعتاد، تصبح الإلكترونات محاصرة على الجانب البعيد من العازل، وبالتالي يتم تشغيل الترانزستور بشكل دائم (1). يمكن إعادة تعيين EPROM إلى حالة القاعدة (كلها 1 أو 0، حسب التصميم) عن طريق تطبيق الضوء فوق البنفسجي (UV). تحتوي فوتونات الأشعة فوق البنفسجية على طاقة كافية لدفع الإلكترونات عبر العازل وإعادة القاعدة إلى حالة الأرض. عند هذه النقطة، يمكن إعادة كتابة EPROM من الصفر.
سرعان ما تبع ذلك تحسين على EPROM، EEPROM . يشير الحرف E الإضافي إلى electrically ، في إشارة إلى القدرة على إعادة ضبط EEPROM باستخدام الكهرباء بدلاً من الأشعة فوق البنفسجية، مما يجعل الأجهزة أسهل بكثير في الاستخدام عمليًا. تتم إعادة ضبط البتات بتطبيق طاقة أعلى من خلال المحطات الأخرى للترانزستور ( المصدر والصرف ) . تعمل هذه النبضة عالية الطاقة، في الواقع، على امتصاص الإلكترونات عبر العازل، وإعادته إلى الحالة الأرضية. ومع ذلك، فإن هذه العملية لها عيب تدهور الشريحة ميكانيكيًا، وبالتالي فإن أنظمة الذاكرة القائمة على ترانزستورات البوابة العائمة بشكل عام لها أعمار كتابة قصيرة، في حدود 10 5 عمليات كتابة لأي بت معين.
أحد الأساليب للتغلب على حد عدد مرات إعادة الكتابة هو الحصول على ذاكرة وصول عشوائي ثابتة قياسية حيث يتم نسخ كل بت احتياطيًا بواسطة بت EEPROM. في التشغيل العادي تعمل الشريحة كذاكرة وصول عشوائي ثابتة سريعة وفي حالة انقطاع التيار الكهربائي يتم نقل المحتوى بسرعة إلى جزء EEPROM، حيث يتم تحميله مرة أخرى عند تشغيل الطاقة التالي. أطلق مصنعو هذه الشرائح على هذه الشرائح اسم NOVRAM [4] .
إن أساس ذاكرة الفلاش مماثل لذاكرة EEPROM ويختلف عنها إلى حد كبير في التصميم الداخلي. تسمح ذاكرة الفلاش بكتابة ذاكرتها فقط في كتل، مما يبسط إلى حد كبير التوصيلات الداخلية ويسمح بكثافة أعلى. تعد كثافة تخزين الذاكرة العامل الرئيسي الذي يحدد التكلفة في معظم أنظمة ذاكرة الكمبيوتر، ونتيجة لهذا تطورت ذاكرة الفلاش إلى واحدة من أرخص أجهزة ذاكرة الحالة الصلبة المتاحة. بدءًا من حوالي عام 2000، دفع الطلب على كميات أكبر من ذاكرة الفلاش الشركات المصنعة إلى استخدام أحدث أنظمة التصنيع فقط من أجل زيادة الكثافة قدر الإمكان. على الرغم من أن حدود التصنيع بدأت تدخل حيز التنفيذ، إلا أن تقنيات "متعددة البتات" الجديدة تبدو قادرة على مضاعفة أو مضاعفة الكثافة حتى عند عرض الخطوط الحالية.
البدائل التجارية
إن دورات الكتابة المحدودة لـ Flash و EEPROM تشكل مشكلة خطيرة لأي دور حقيقي يشبه RAM. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطاقة العالية اللازمة لكتابة الخلايا تشكل مشكلة في الأدوار ذات الطاقة المنخفضة، حيث تُستخدم NVRAM غالبًا. تحتاج الطاقة أيضًا إلى وقت لتتراكم في جهاز يُعرف باسم مضخة الشحن ، مما يجعل الكتابة أبطأ بشكل كبير من القراءة، وغالبًا ما تصل إلى 1000 مرة. وقد تم اقتراح عدد من أجهزة الذاكرة الجديدة لمعالجة هذه العيوب.
ذاكرة الوصول العشوائي الكهروضوئية
حتى الآن، النظام الوحيد الذي دخل الإنتاج على نطاق واسع هو ذاكرة الوصول العشوائي الكهروضوئية أو F-RAM (يشار إليها أحيانًا باسم FeRAM). F-RAM هي ذاكرة وصول عشوائي مشابهة في البناء لذاكرة DRAM ولكن (بدلاً من طبقة عازلة كما هو الحال في DRAM) تحتوي على طبقة رقيقة من الكهروضوئية من تيتانات الزركونيوم الرصاصي [ Pb(Zr,Ti)O3 ] ، يشار إليها عادةً باسم PZT. تغير ذرات الزركونيوم/التيتانيوم في PZT قطبيتها في مجال كهربائي، مما ينتج عنه مفتاح ثنائي. على عكس أجهزة RAM، تحتفظ F-RAM بذاكرة البيانات الخاصة بها عند انقطاع التيار الكهربائي أو انقطاعه، بسبب حفاظ بلورة PZT على القطبية. بسبب هذا التركيب البلوري وكيفية تأثيره، تقدم ذاكرة F-RAM خصائص مميزة عن خيارات الذاكرة غير المتطايرة الأخرى، بما في ذلك القدرة على التحمل العالية للغاية (تتجاوز 10 16 دورة وصول لأجهزة 3.3 فولت)، واستهلاك منخفض للغاية للطاقة (نظرًا لأن ذاكرة F-RAM لا تتطلب مضخة شحن مثل الذواكر غير المتطايرة الأخرى)، وسرعات كتابة أحادية الدورة، وتحمل إشعاع جاما. [5] طورت شركة Ramtron International وأنتجت ورخصت ذاكرة الوصول العشوائي الكهروضوئية (F-RAM)، ومن بين الشركات الأخرى التي رخصت وأنتجت تقنية F-RAM شركة Texas Instruments و Rohm و Fujitsu .
ذاكرة الوصول العشوائي المقاومة للمغناطيسية
نهج آخر لرؤية جهود التطوير الرئيسية هو ذاكرة الوصول العشوائي ذات المقاومة المغناطيسية ، أو MRAM، والتي تستخدم عناصر مغناطيسية وتعمل بشكل عام بطريقة مماثلة للنواة، على الأقل بالنسبة لتكنولوجيا الجيل الأول. دخلت شريحة MRAM واحدة فقط الإنتاج حتى الآن: جزء 4 ميجابت من Everspin Technologies ، وهو MRAM من الجيل الأول يستخدم الكتابة المستحثة بالحقل النقطي المتقاطع. [6] هناك تقنيتان من الجيل الثاني قيد التطوير حاليًا: التبديل بمساعدة الحرارة (TAS)، [7] والتي يتم تطويرها بواسطة Crocus Technology ، وعزم دوران نقل الدوران (STT) الذي تعمل عليه Crocus و Hynix و IBM والعديد من الشركات الأخرى. [8] يبدو أن STT-MRAM تسمح بكثافات أعلى بكثير من تلك الخاصة بالجيل الأول، ولكنها تتخلف عن الفلاش لنفس الأسباب مثل FeRAM - الضغوط التنافسية الهائلة في سوق الفلاش.
ذاكرة الوصول العشوائي ذات تغيير الطور
تقنية أخرى للحالة الصلبة شهدت أكثر من مجرد تطوير تجريبي هي ذاكرة الوصول العشوائي المتغيرة الطور أو PRAM. تعتمد PRAM على نفس آلية التخزين مثل الأقراص المضغوطة وأقراص DVD القابلة للكتابة، ولكنها تقرأها بناءً على تغيرات مقاومتها الكهربائية وليس التغيرات في خصائصها البصرية. في عام 2006، أعلنت شركة Samsung، التي كانت تعتبر حصانًا أسود لبعض الوقت، عن توفر جزء بسعة 512 ميجابت، وهي سعة أعلى بكثير من MRAM أو FeRAM. يبدو أن الكثافة المساحية لهذه الأجزاء أعلى حتى من أجهزة الفلاش الحديثة، ويرجع انخفاض سعة التخزين الإجمالية إلى عدم وجود ترميز متعدد البتات. تبع هذا الإعلان إعلان من Intel و STMicroelectronics ، اللتين عرضتا أجهزة PRAM الخاصة بهما في منتدى Intel Developer لعام 2006 في أكتوبر.
كان لدى Intel و Micron Technology مشروع مشترك لبيع أجهزة PRAM تحت أسماء 3D XPoint وOptane وQuantX، والذي تم إيقافه في يوليو 2022. [9] [10]
تصنع شركة STMicroelectronics أجهزة ذاكرة تغيير الطور لتطبيقات السيارات.
البدائل التي تم البحث عنها
ذاكرة الألف قدم
ربما يكون أحد الحلول الأكثر ابتكارًا هو ذاكرة millipede التي طورتها شركة IBM . تعد Millipede، في الأساس، بطاقة مثقبة تم تصنيعها باستخدام تقنية النانو من أجل زيادة الكثافة المساحية بشكل كبير. على الرغم من أنه كان من المخطط تقديم Millipede في وقت مبكر من عام 2003، إلا أن المشكلات غير المتوقعة في التطوير أخرت ذلك حتى عام 2005، حيث لم تعد قادرة على المنافسة مع الفلاش. من الناحية النظرية، توفر التكنولوجيا كثافات تخزين في حدود 1 تيرابايت/بوصة مربعة (≈155 جيجابت/سم مربع )، وهي أكبر من أفضل تقنيات محركات الأقراص الصلبة المستخدمة حاليًا ( يوفر التسجيل العمودي 636 جيجابت/بوصة مربعة (≈98.6 جيجابت/سم مربعة ) اعتبارًا من ديسمبر 2011 [11] )، ولكن التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة في المستقبل والوسائط المنقوشة معًا يمكن أن تدعم كثافات تبلغ 10 تيرابايت/بوصة مربعة [12] (≈1.55 تيرابايت/سم مربعة ). ومع ذلك، يبدو أن أوقات القراءة والكتابة البطيئة للذواكر الكبيرة بهذا الحجم تحد من استخدام هذه التكنولوجيا في استبدال محركات الأقراص الصلبة بدلاً من استخدامات ذاكرة الوصول العشوائي عالية السرعة، على الرغم من أن الأمر نفسه ينطبق إلى حد كبير على الفلاش أيضًا.
ذاكرة FeFET
أحد التطبيقات البديلة للمواد الكهروضوئية (القائمة على أكسيد الهفنيوم) هو الذاكرة القائمة على Fe FET ، والتي تستخدم مادة كهروضوئية بين البوابة وجهاز الترانزستور ذي التأثير الميداني . يُزعم أن مثل هذه الأجهزة تتمتع بميزة أنها تستخدم نفس التكنولوجيا مثل الطباعة الحجرية القائمة على HKMG (بوابة معدنية عالية L)، ويمكن توسيعها بنفس حجم FET التقليدي في عقدة عملية معينة . اعتبارًا من عام 2017، تم عرض أجهزة 32 ميجابت في 22 نانومتر .
انظر أيضا
مراجع
- ^ "معايير JEDEC DDR5 وNVDIMM-P قيد التطوير" (بيان صحفي). JEDEC . 30 مارس 2017.
- ^ "JEDEC تعقد ورش عمل حول معايير DDR5 وLPDDR5 وNVDIMM-P" (بيان صحفي). JEDEC. 2019-09-05.
- ^ "JEDEC تنشر معيار بروتوكول ناقل DDR4 NVDIMM-P" (بيان صحفي). JEDEC. 2021-02-17.
- ^ تشان، بيتر (2005-04-21). "X4C105 NOVRAM Features and Applications" (PDF) . Intersil . مؤرشف من الأصل (PDF) في 2007-06-14.
- ^ "F-RAM Memory Technology". Ramtron . مؤرشف من الأصل في 2012-04-18 . تم الاسترجاع في 2012-06-08 .
- ^ "التكنولوجيا". Everspin . مؤرشف من الأصل في 10 يونيو 2009.
- ^ هوبرمان، باري. "ظهور ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية العملية" (PDF) . Crocus Technology . مؤرشف من الأصل (PDF) في 2011-04-27 . تم الاسترجاع في 2009-07-20 .
- ^ لابيدوس، مارك (18 يونيو 2009). "تستثمر شركة تاور في شركة كروكوس، وتقترح عقدًا مع مصنع MRAM". إي إي تايمز . تم الاسترجاع في 9 يناير 2020 .
- ^ مان، توبياس (2022-07-29). "لماذا أوقفت إنتل أعمالها في مجال ذاكرة Optane". The Register . Situation Publishing . تم الاسترجاع في 2022-11-18 .
- ^ Allyn Malventano (2 يونيو 2017). "كيف تعمل ذاكرة تغيير الطور 3D XPOINT". منظور الكمبيوتر الشخصي .
- ^ "شركة هيتاشي جي إس تي تشحن أقراص صلبة سعة تيرابايت واحد لكل طبق" (بيان صحفي). شركة هيتاشي جلوبال ستوريج تكنولوجيز . 2011-08-03. مؤرشف من الأصل في 2011-10-26 . تم الاسترجاع في 2011-12-17 .
- ^ جونستون، كيسي (2011-05-07). "طريقة جديدة للكتابة على القرص الصلب تصل إلى تيرابايت واحد لكل بوصة". Ars Technica . تم الاسترجاع في 2011-12-17 .
روابط خارجية
- دعم أنظمة الملفات في الذاكرة الدائمة، LWN.net ، 2 سبتمبر 2014، بقلم جوناثان كوربيت
