비휘발성 랜덤 액세스 메모리
Non-volatile random-access memory| 컴퓨터 메모리 및 데이터 스토리지 유형 |
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Non-Volatile Random-Access Memory(NVRAM; 비휘발성 랜덤 액세스메모리)는 전력을 공급하지 않아도 데이터를 유지하는 랜덤액세스 메모리입니다.이는 전원이 공급되는 동안에만 데이터를 유지하는 DRAM(Dynamic Random-Access Memory) 및 정적 Random-Access Memory(SRAM) 또는 랜덤으로 액세스할 수 없지만 전력 없이 데이터를 무기한으로 유지하는 자기 테이프 등의 순차 액세스메모리와는 대조적입니다.
읽기 전용 메모리 장치를 사용하여 자동차 점화 시스템 제어 또는 가전제품과 같은 임베디드 시스템에 시스템 펌웨어를 저장할 수 있습니다.또한 컴퓨터 시스템의 부트스트랩에 필요한 초기 프로세서 명령을 유지하는 데도 사용됩니다.읽기-쓰기 메모리는 교정 상수, 암호 또는 설정 정보를 저장하는 데 사용할 수 있으며 마이크로 컨트롤러에 통합될 수 있습니다.
컴퓨터 시스템의 메인 메모리가 비휘발성일 경우 정전 후 시스템 부팅에 필요한 시간이 크게 단축됩니다.기존의 반도체 비휘발성 메모리는 메모리 크기, 소비전력 또는 동작수명에 제한이 있어 메인 메모리에 적합하지 않습니다.비휘발성 메모리 칩을 시스템의 메인 메모리, 즉 영속 메모리로 사용하기 위한 개발이 진행 중이다.NVDIMM-P로 알려진 영구 메모리의 표준은 [1][2][3]2021년에 발표되었습니다.
초기 NVRAM
초기 컴퓨터는 비휘발성 코어 및 드럼 메모리 시스템을 구조 부산물로 사용했습니다.1960년대까지 메모리의 가장 일반적인 형태는 작은 자석의 극성으로 데이터를 저장하는 자기 코어 메모리였다.자석은 전원이 꺼진 상태에서도 그대로 유지되기 때문에 코어 메모리도 비휘발성이었습니다.진공관이나 솔리드 스테이트 플립 플랍, Williams 튜브, 반도체 메모리(스태틱 또는 다이내믹 RAM)와 같은 다른 메모리 유형에서는 데이터를 유지하기 위해 일정한 전력이 필요했습니다.
1970년대 반도체 제조의 발전은 자기 코어 메모리가 비용이나 밀도 면에서 따라올 수 없는 새로운 세대의 솔리드 스테이트 메모리로 이어졌다.오늘날 다이내믹 RAM은 일반적인 컴퓨터의 메인 메모리의 대부분을 차지하고 있습니다.많은 시스템에서는 적어도 일부 비휘발성 메모리가 필요합니다.데스크톱 컴퓨터에는 운영 체제를 로드하는 데 필요한 지침을 영구적으로 저장해야 합니다.차량용 엔진 컨트롤 컴퓨터와 같은 임베디드 시스템은 전원이 차단될 때 명령을 유지해야 합니다.많은 시스템이 RAM과 ROM의 조합을 사용하여 이러한 역할을 수행했습니다.
커스텀 ROM 집적회로는 하나의 솔루션이었습니다.메모리 내용은 집적회로 제조에 사용된 마지막 마스크의 패턴으로 저장되었기 때문에 한 번 완료되면 수정할 수 없었습니다.
PROM은 이 설계를 개선하여 최종 사용자가 전기적으로 칩을 쓸 수 있게 되었습니다.PROM은 처음에는 모두 단일 값(예: "1")으로 설정된 일련의 다이오드로 구성됩니다.통상보다 높은 전력을 가하면 선택된 다이오드를 (퓨즈와 같이) "소각"할 수 있으며, 그 결과 해당 비트를 "0"으로 영구적으로 설정할 수 있습니다. PROM은 프로토타이핑과 소량 제조를 용이하게 합니다.많은 반도체 제조업체가 마스크 ROM 부품을 PROM 버전으로 제공했기 때문에 마스크 ROM을 주문하기 전에 개발 펌웨어를 테스트할 수 있었습니다.
현재 NV-RAM 메모리와 EEPROM 메모리의 가장 일반적인 형식은 플래시 메모리입니다.플래시 메모리의 단점으로는 많은 컴퓨터가 자동으로 처리할 수 있는 블록보다 더 큰 블록으로 쓸 필요가 있고 쓰기-삭제 사이클의 수가 한정되어 있기 때문에 플래시 메모리의 수명이 상대적으로 제한되어 있는 것이 있습니다(2010년 1월 현재 대부분의 소비자용 플래시 제품은 메모리가 없어지기 전에 약 10만 개의 개만 다시 쓸 수 있습니다).개선하다)[citation needed]또 다른 단점은 플래시가 응답 시간과 일치하지 않는 성능 제한 및 경우에 따라서는 RAM의 기존 형식에 의해 제공되는 랜덤 주소 지정 가능성입니다.몇몇 새로운 기술이 특정 역할에서 플래시를 대체하려고 시도하고 있으며, 일부는 플래시의 휘발성이 없는 최고의 SRAM 장치의 성능을 제공하는 진정한 범용 메모리라고 주장하기도 합니다.2018년 6월 현재 이러한 대안은 아직 주류가 되지 않았습니다.
실제 RAM 수준의 퍼포먼스와 비휘발성이 필요한 고객은 일반적으로 기존의 RAM 디바이스와 배터리 백업을 사용해야 했습니다.예를 들어, IBM PC AT로 시작하는 IBM PC와 후속 제품들은 CMOS RAM 또는 매개 변수 RAM으로 불리는 비휘발성 BIOS 메모리를 사용했으며, 이는 선택한 기본 설정 정보를 저장하기 위해 배터리로 구동되는 소량의 메모리를 사용한 원래의 Apple Macintosh와 같은 다른 초기 마이크로컴퓨터 시스템에서 일반적인 솔루션이었다.부트 볼륨(원래 IBM PC 및 PC XT는 최대 24비트의 시스템 구성 데이터를 나타내기 위해 DIP 스위치를 사용했습니다. DIP 또는 이와 유사한 스위치는 1970년대와 1980년대에 매우 적은 양의 데이터(일반적으로 8바이트 이하)에 널리 사용된 또 다른 원시 유형의 프로그래밍 가능한 ROM 장치입니다.)IBM PC 아키텍처에서 업계 표준화가 이루어지기 전에 일부 다른 마이크로컴퓨터 모델은 배터리 백업식 RAM을 더 광범위하게 사용했습니다. 예를 들어, TRS-80 모델 100/Tandy 102에서는 모든 메인 메모리(최소 8KB, 최대 32KB)가 배터리 백업식 SRAM입니다.또, 1990년대에 많은 비디오 게임 소프트웨어 카트리지(Sega Genesis 등의 콘솔용)에는 저장된 게임, 고득점 및 유사한 데이터를 저장하기 위한 배터리 백업식 RAM이 포함되어 있었습니다.또한 일부 아케이드 비디오 게임 캐비닛에는 즉각적인 게임 소프트웨어 복호화를 위한 키를 포함하는 배터리 백업식 RAM이 포함된 CPU 모듈이 포함되어 있습니다.더 큰 용량의 배터리 백업 메모리는 현재도 퍼포먼스 레벨의 새로운 NVRAM 디바이스가 아직 충족되지 않은 고속 데이터베이스의 캐시로 사용되고 있습니다.
플로팅 게이트 MOSFET
NVRAM 기술의 큰 진보는 플로팅 게이트 MOSFET 트랜지스터의 도입으로 소거 가능 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(EPROM)의 도입으로 이어졌습니다.EPROM은 고품질 절연체에 의해 보호되는 트랜지스터 그리드로 구성되어 있습니다.정상 전압보다 높은 전압을 인가하여 베이스에 전자를 "밀어올림"함으로써 전자는 절연체의 반대쪽에 갇히게 되고, 이에 따라 트랜지스터가 "on"("1)으로 영구적으로 전환됩니다.EPROM은 자외선(UV)을 적용하면 기본 상태(설계에 따라 '1' 또는 '0')로 재설정할 수 있습니다.UV 광자는 절연체를 통해 전자를 밀어내고 밑면을 접지 상태로 되돌리기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다.이 시점에서 EPROM은 처음부터 다시 작성할 수 있습니다.
곧이어 EPROM, EEPROM의 개선이 이루어졌습니다.여분의 "E"는 전기적인 것을 의미하며, UV 대신 전기를 사용하여 EEPROM을 리셋하는 기능을 의미하므로 실제로 장치를 훨씬 쉽게 사용할 수 있습니다.비트는 트랜지스터의 다른 단자(소스 및 드레인)를 통해 더 높은 전력을 공급받아 재설정됩니다.이 고출력 펄스는 사실상 절연체를 통해 전자를 흡인하여 접지 상태로 되돌립니다.그러나 이 프로세스는 칩을 기계적으로 열화시키는 단점이 있기 때문에 일반적으로 플로팅 게이트 트랜지스터를 기반으로 하는 메모리 시스템은 특정 비트에 대한 쓰기 수명이5 10회 정도로 짧습니다.
개서 횟수 제한을 극복하기 위한 한 가지 방법은 각 비트가 EEPROM 비트에 의해 백업되는 표준 SRAM을 갖는 것입니다.통상의 동작에서는, 칩은 고속 SRAM으로서 기능해, 정전시에 컨텐츠가 EEPROM부로 신속히 전송 되어 다음에 전원을 투입했을 때에 다시 로드됩니다.이러한 칩을 제조사들은 NOVRAM이라고 불렀다[4].
플래시 메모리의 기본은 EEPROM과 동일하며 내부 레이아웃이 크게 다릅니다.플래시를 사용하면 메모리를 블록으로만 쓸 수 있기 때문에 내부 배선이 대폭 심플해지고 밀도가 높아집니다.메모리 스토리지 밀도는 대부분의 컴퓨터 메모리 시스템에서 비용을 결정하는 주요 요소이며, 이 플래시를 통해 가장 저렴한 가격의 솔리드 스테이트 메모리 디바이스 중 하나로 발전했습니다.2000년경부터 점점 더 많은 양의 플래시에 대한 수요로 인해 제조업체는 밀도를 최대한 높이기 위해 최신 제조 시스템만 사용하게 되었습니다.제작 제한이 적용되기 시작했지만, 새로운 "멀티 비트" 기술을 사용하면 기존 라인 폭에서도 밀도를 두 배 또는 네 배로 높일 수 있습니다.
상용화된 대안
플래시와 EEPROM의 쓰기 사이클이 제한되어 있기 때문에 실제 RAM과 같은 역할에는 심각한 문제가 됩니다.또한 NVRAM이 자주 사용되는 저전력 역할에서는 셀 쓰기에 필요한 높은 전력이 문제가 됩니다.또한 충전 펌프라고 하는 디바이스에서 전력을 「축적」하기 위해서는 시간이 필요합니다.이것에 의해, 판독보다 쓰기 속도가 1,000배까지 큰폭으로 느려집니다.이러한 단점에 대처하기 위해 다수의 새로운 메모리 디바이스가 제안되고 있습니다.
강유전체 램
지금까지 이러한 시스템이 널리 생산되는 유일한 시스템은 강유전체 RAM 또는 F-RAM(FeRAM이라고도 함)입니다. F-RAM은 DRAM과 구조가 비슷하지만 (D램과 같은 유전체 층 대신) 티탄산납의 얇은 강유전체 막을 포함합니다. Pb(Zr,Ti)O3. 통상은 PZT라고 불립니다.PZT의 Zr/Ti 원자는 전계 내에서 극성을 변화시켜 바이너리 스위치를 생성합니다.RAM 디바이스와 달리 F-RAM은 극성을 유지하는 PZT 결정 때문에 전원이 차단되거나 중단될 때 데이터 메모리를 유지합니다.이러한 결정 구조와 그 영향을 받는 방식 때문에 F-RAM은 매우 높은 내구성(3.3V 디바이스의 경우 10회 이상의16 액세스 사이클), 초저전력 소비(다른 비휘발성 메모리와 같은 충전 펌프가 필요 없기 때문에), 싱글 사이클 쓰기 속도 및 기타 비휘발성 메모리 옵션과는 다른 특성을 제공합니다.감마선 허용 [5]오차램트론인터내셔널은 강유전체램(F램)을 개발·생산·라이선스하고 있으며 F램 기술을 라이선스·생산한 기업으로는 텍사스인스트루먼트, 럼, 후지쯔 등이 있다.
자기저항형 RAM
주요 개발 노력을 확인할 수 있는 또 다른 접근방식은 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM)입니다. MRAM은 자기소자를 사용하며 적어도 1세대 기술에 대해서는 일반적으로 코어와 유사한 방식으로 작동합니다.지금까지 1개의 MRAM 칩만이 실전에 투입되었습니다.Everspin Technologies의 4Mbit 부품은 크로스 포인트 필드 유도 [6]쓰기를 이용한 1세대 MRAM이다.현재 두 가지 2세대 기술이 개발 중입니다.크로커스테크놀로지가 개발 중인 [7]TAS(Thermal Assisted Switching)와 크로커스, 하이닉스, IBM 등 여러 업체가 [8]참여하고 있는 스핀트랜스퍼토크(STT)도 있다.STT-MRAM은 1세대보다 훨씬 높은 밀도를 지원하는 것으로 보이지만 FeRAM과 같은 이유로 플래시에 뒤처져 있습니다.이것은 플래시 시장의 엄청난 경쟁 압력입니다.
상변화 RAM
순수하게 실험적인 개발만이 아닌 다른 솔리드 스테이트 테크놀로지는 PRAM입니다.PRAM은 쓰기 가능한 CD 및 DVD와 동일한 스토리지 메커니즘을 기반으로 하지만 광학적 특성 변화가 아닌 전기 저항의 변화에 따라 읽습니다.한동안 '다크호스'로 여겨졌던 삼성은 2006년 MRAM이나 FeRAM보다 훨씬 더 큰 512Mbit 부품을 출시할 것이라고 발표했다.이러한 부품의 면적 밀도는 최신 플래시 장치보다 훨씬 높은 것으로 보이며, 멀티비트 인코딩이 없기 때문에 전체 스토리지 밀도가 낮습니다.이 발표에 이어 인텔과 STMicroelectronics가 10월에 열린 인텔 개발자 포럼에서 자체 PRAM 디바이스를 시연했습니다.
인텔과 STMicroelectronics는 현재 3D XPoint Optane 및 [9]QuantX라는 이름으로 PRAM 기반 디바이스를 소비자에게 판매하고 있습니다.
조사된 대체 방법
밀리페드 메모리
아마도 가장 혁신적인 솔루션 중 하나는 IBM이 개발한 밀리페드 메모리일 것입니다.밀리페드는 본질적으로 면적 밀도를 획기적으로 높이기 위해 나노 기술을 사용하여 만든 펀치 카드입니다.Milipede는 2003년부터 도입할 예정이었지만 개발상의 예기치 않은 문제로 2005년까지 지연되어 플래시와의 경쟁력은 없어졌습니다.이론적으로 기술 1Tbit/in²(Gbit/cm2 ≈394)의 주문에서, 12월 2011[10]이용(수직 녹화 636Gbit/in²(≈250.4 Gbit/cm2을 제공한다)현재에서)심지어 최고의 하드 드라이브 기술보다 더 크라 미래의 가열 자기 기록과 무늬가 있는 미디어 동거 10의 밀도 지원할 수 있는 저장 밀도를 제공한다. Tbit/in²[11] (3.95 Tbit/cm2 이하)그러나 이렇게 큰 메모리의 읽기 및 쓰기 시간이 느리기 때문에 이 기술은 고속 RAM과 같은 용도로 사용하는 것이 아니라 하드 드라이브 교체에만 국한되는 것으로 보입니다. 그러나 플래시에서도 대부분 마찬가지입니다.
FeFET 메모리
(산화 하프늄 베이스) 강유전체학의 대체 용도는 Fe FET 베이스 메모리이며, Fe FET 베이스 메모리는 전계효과 트랜지스터의 게이트와 디바이스 사이에 강유전체(강유전체)를 이용한다.이러한 장치는 HKMG(High-L Metal Gate) 기반 리소그래피와 동일한 기술을 활용, 특정 공정 노드에서 기존 FET와 동일한 크기로 확장된다는 장점이 있다.2017년 현재 32Mbit 장치는 22nm에서 시연되었습니다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
- ^ "JEDEC DDR5 & NVDIMM-P Standards Under Development" (Press release). JEDEC. 2017-03-30.
- ^ "JEDEC to Hold Workshops for DDR5, LPDDR5 & NVDIMM-P Standards" (Press release). JEDEC. 2019-09-05.
- ^ "JEDEC Publishes DDR4 NVDIMM-P Bus Protocol Standard" (Press release). JEDEC. 2021-02-17.
- ^ Chan, Peter (2005-04-21). "X4C105 NOVRAM Features and Applications" (PDF). Intersil. Archived from the original (PDF) on 2007-06-14.
- ^ "F-RAM Memory Technology". Ramtron. Archived from the original on 2012-04-18. Retrieved 2012-06-08.
- ^ "Technology". Everspin. Archived from the original on June 10, 2009.
- ^ Hoberman, Barry. "The Emergence of Practical MRAM" (PDF). Crocus Technology. Archived from the original (PDF) on 2011-04-27. Retrieved 2009-07-20.
- ^ LaPedus, Mark (2009-06-18). "Tower invests in Crocus, tips MRAM foundry deal". EE Times. Retrieved 2020-01-09.
- ^ Allyn Malventano (June 2, 2017). "HOW 3D XPOINT PHASE-CHANGE MEMORY WORKS". PC Perspective.
- ^ "Hitachi GST Ships One Terabyte Per Platter Hard Drives" (Press release). Hitachi Global Storage Technologies. 2011-08-03. Archived from the original on 2011-10-26. Retrieved 2011-12-17.
- ^ Johnston, Casey (2011-05-07). "New hard drive write method packs in one terabit per inch". Ars Technica. Retrieved 2011-12-17.