Введение

Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) -- часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определённого времени. Память, как и центральный процессор, является неизменной частью компьютера с 1940-х. Память в вычислительных устройствах имеет иерархическую структуру и обычно предполагает использование нескольких запоминающих устройств, имеющих различные характеристики.

Любая информация может быть измерена в битах и потому, независимо от того, на каких физических принципах и в какой системе счисления функционирует цифровой компьютер (двоичной, троичной, десятичной и т. п.), числа, текстовая информация, изображения, звук, видео и другие виды данных можно представить последовательностями битовых строк или двоичными числами. Это позволяет компьютеру манипулировать данными при условии достаточной ёмкости системы хранения (например, для хранения текста романа среднего размера необходимо около одного мегабайта).

Следует различать классификацию памяти и классификацию запоминающих устройств (ЗУ). Первая классифицирует память по функциональности, вторая же -- по технической реализации. Здесь рассматривается первая -- таким образом, в неё попадают как аппаратные виды памяти (реализуемые на ЗУ), так и структуры данных, реализуемые в большинстве случаев программно.

По устойчивости записи и возможности перезаписи ЗУ делятся на:

· Постоянные ЗУ (ПЗУ), содержание которых не может быть изменено конечным пользователем (например, BIOS). ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.

· Записываемые ЗУ (ППЗУ), в которые конечный пользователь может записать информацию только один раз (например, CD-R).

· Многократно перезаписываемые ЗУ (ПППЗУ) (например, CD-RW).

· Оперативные ЗУ (ОЗУ) обеспечивает режим записи, хранения и считывания информации в процессе её обработки. Быстрые, но дорогие ОЗУ (SRAM) строят на триггерах, более медленные, но дешёвые разновидности ОЗУ -- динамические ЗУ (DRAM) строят на конденсаторах. В обоих видах ЗУ информация исчезает после отключения от источника тока.

По типу доступа ЗУ делятся на:

· Устройства с последовательным доступом (например, магнитные ленты).

· Устройства с произвольным доступом (RAM) (например, оперативная память).

· Устройства с прямым доступом (например, жесткие магнитные диски).

· Устройства с ассоциативным доступом (специальные устройства, для повышения производительности.)

Теоретическая часть

Энергонезависимая память

Энергонезависимая память (англ. NVRAM, от Non Volatile Random Access Memory) -- перезаписываемая или оперативная память в электронном устройстве, сохраняющая своё содержимое вне зависимости от подачи основного питания на устройство.

В более общем смысле, энергонезависимая память -- любое устройство или его часть, сохраняющее данные вне зависимости от подачи питающего напряжения. Однако попадающие под это определение носители информации, ПЗУ, ППЗУ, устройства с подвижным носителем информации (диски, ленты) и другие носят свои, более точные названия.

Поэтому термин «энергонезависимая память» чаще всего употребляется более узко, по отношению к такой электронной памяти, которая обычно выполняется энергозависимой, и содержимое которой при выключении обычно пропадает.

Энергонезависимое устройство -- любое устройство в составе комплекса, прибора, компьютерной системы, которое не требует подключения к общему в данном комплексе источнику питания для своей работы. Например:

· автономные лампы аварийного освещения;

· Часы (CMOS Clock) на системной плате персонального компьютера;

Классификация по устройству

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ , англ. ROM - Read-Only Memory) -- энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных.

Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство , ОЗУ ) -- часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.). Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кеш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

ОЗУ может изготавливаться как отдельный блок, или входить в конструкцию однокристальной ЭВМ или микроконтроллера.

Сегнетоэлектрическая (FRAM)

Сегнетоэлектрическая память FRAM (англ. Ferroelectric RAM) -- статическая оперативная память с произвольным доступом, ячейки которой сохраняют информацию, используя сегнетоэлектрический эффект («ferroelectric» переводится «сегнетоэлектрик, сегнетоэлектрический», а не «ферроэлектрик», как можно подумать). Ячейка памяти представляет собой две токопроводящие обкладки, и плёнку из сегнетоэлектрического материала. В центре сегнетоэлектрического кристалла имеется подвижный атом.

Приложение электрического поля заставляет его перемещаться. В случае, если поле «пытается» переместить атом в положение, например, соответствующее логическому нулю, а он в нём уже находится, через сегнетоэлектрический конденсатор проходит меньший заряд, чем в случае переключения ячейки. На измерении проходящего через ячейку заряда и основано считывание.

При этом процессе ячейки перезаписываются, и информация теряется (требуется регенерация). Исследованиями в этом направлении занимаются фирмы Hitachi совместно с Ramtron, Matsushita с фирмой Symetrix. По сравнению с флеш-памятью, ячейки FRAM практически не деградируют -- гарантируется до 10 10 циклов перезаписи.

Память, реализованная ЗУ, записи в которых стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся память, реализованная на ОЗУ, кэш-память.

Добрый день, друзья!

А вы видели таинственную аббревиатуру «NVRAM», которая мелькает на мониторе при включении компьютера? NVRAM – это одна из необходимых компьютеру «железок», и мы сейчас разберемся — что это за зверь такой и зачем он нужен.

Мы увидим также, как эта штука развивалась и «умнела», а вместе с ней «умнел» и весь компьютер. Для начала рассмотрим

Что такое энергонезависимая память?

NVRAM (Non Volatile Random Access Memory) – общее название энергонезависимой памяти. Энергонезависимая память – это такая, данные в которой не стираются при выключении питания. В противоположность ей есть энергозависимая память, данные в которой исчезают при отключении питания. Т.е. когда питание на микросхему (или модуль) памяти подается, она «помнит» данные, когда перестает подаваться – она их «забывает».

Под понятие «энергонезависимая» подпадает несколько видов памяти. Кстати сказать, память (и энергозависимая, и энергонезависимая) имеется не только в компьютере, но и во всех околокомпьютерных и периферийных устройствах:

• в принтерах — лазерных, и ,
• в мониторах,
• в модемах,
• графических картах и т.д.

Даже в компьютерных имеются оба вида памяти.

Оба они упакованы в бескорпусную микросхему («капельку»), покрытую компаундом.

Такая конструкция — все «в одном флаконе» — именуется контроллером (от английского «control» — управление) и очень широко применяется в электронике.

Виды энергонезависимой памяти

Один из видов энергонезависимой памяти именуется ROM (Read Only Memory, память только для чтения). В русскоязычной литературе такая память называется ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Данные в микросхему, которая именуется еще англоязычным термином «chip» (чип, кристалл), записываются при изготовлении. Изменить их потом нельзя.

Еще одна разновидность энергонезависимой памяти – PROM (Programmable ROM). Эквивалентный русскоязычный термин – ППЗУ (Программируемое ПЗУ). В такой микросхеме в исходном состоянии во всех ячейках памяти записана одинаковая информация (нули или единицы). С помощью специальной процедуры программирования в ячейки записывается нужная информация.

Происходило это путем пережигания плавких перемычек.

После записи изменить данные в ячейках было нельзя.

Возможность программирования предоставляет гибкость в производстве и использовании. Чтобы записать модифицированную информацию в микросхему, не надо перестраивать технологический процесс производства. Пользователь (точнее, производитель электронной техники) сам записывает нужную ему информацию.

Но однократно программируемая память тоже не всегда хороша. Модифицировать «прошитую» в микросхему информацию нельзя, нужно менять микросхему. Это не всегда удобно и возможно. Поэтому появились многократно программируемые микросхемы. В первых изделиях информация стиралась ультрафиолетовым излучением, для чего использовалась специальная лампа.

В таких микросхемах имелось окошечко, закрытое кварцевым стеклом, которое пропускало УФ излучение. Но все равно это было неудобно, и после научились стирать, и записывать информацию электрическим сигналом. Такую память стали называть EEPROM (Electric Erasable PROM, ЭСППЗУ, электрически стираемое программируемое ПЗУ).

Затем появилась ее разновидность — Flash (флеш) память, которая получила в последние годы очень широкое распространение.

Это и микросхема в компьютере.

Это и всем известные ныне «флэшки» (портативные накопители данных), твердотельные накопители SSD (Solid State Drive), альтернатива электромеханическим винчестерам, карты памяти, применяемые в фотоаппаратах и т.п.

Отметим, что перезаписать информацию в таких накопителях можно ограниченное (хотя и большое) количество раз.

Проблема времени в компьютере

В первых компьютерах не было микросхемы RTS (Real Time Clock, часы реального времени).

Это было неудобно, и потом ее начали устанавливать.

Проблема, которая возникла с RTC в самом начале, заключалась в том, что компьютер работает не 24 часа в сутки. Он включается пользователем в начале рабочего дня и выключается в его конце. Пока компьютер был включен, он «помнил» время, как только его выключали, он время «забывал».

Каждый раз устанавливать время заново было бы очень неудобно. Неудобно было бы и каждый раз возобновлять и другие системные настройки (тип винчестера, источник загрузки и другие). Поэтому придумали встроить в общий корпус микросхему RTC, которая помнила не только время, но и все настройки BIOS Setup, и источник питания – батарею гальванических элементов.

Ячейки памяти RTC представляли собой, по сути, (RAM). Такую память также отнесли к энергонезависимой, так как она не зависела от источника внешнего напряжения. Она была энергонезависимой до тех пор, пока встроенная батарея не «садилась». Такая память была сделана на основе КМОП структур, поэтому потребляла в статическом режиме (режиме хранения) очень небольшой ток, порядка единиц микроампер.

Поэтому встроенной батареи хватало на несколько лет. После чего весь модуль подлежал замене. Существовали конструкции материнских плат с разъемом под такой модуль. И можно было легко выполнить его замену. Но затем технический прогресс продолжил свой неумолимый бег. Число микросхем на материнской плате уменьшалось, а степень их интеграции увеличивалась.

В конце концов пришли к чипсету (набору микросхем), состоящему из 1-2 корпусов, который включал в себя почти все подсистемы материнской платы.

Встраивать в тот же корпус (куда напихано уже много всего) еще и источник напряжения посчитали нецелесообразным.

Такой корпус имеет много выводов. Установка его в разъем усложнила бы конструкцию, увеличила бы ее стоимость и снизила бы надежность.

Поэтому источник питания (3 V литиевый элемент) стали устанавливать отдельно. Это упростило и удешевило плату, так как теперь надо менять только элемент, а не все сразу. Следует отметить, что вначале в качестве источника резервного питания использовались никель-кадмиевые аккумуляторы.

После длительной эксплуатации они могли потечь. И вытекший электролит мог повредить проводники материнской платы. Современные литиевые элементы не текут даже при очень глубоком разряде.

Технология изменилась, но название структуры, хранящей настройки BIOS Setup, осталось прежним – NVRAM. Но теперь, в строгом смысле, она не является энергонезависимой. Ведь ее «энергонезависимость» обеспечивается внешним источником напряжения.

Напомним, что первым признаком того, что элемент 2032 исчерпал свой ресурс, является сброс времени и даты при включении компьютера. Напряжение свежего элемента составляет величину около 3,3 В. По мере истощения его ЭДС падает. И, как только оно снизится (ориентировочно) менее 2,8 В, структура, хранящая настройки, «забудет» их. Заряду литиевые элементы не подлежат.

Что обозначают цифры в маркировке литиевого элемента?

В заключение отметим, что первые две цифры маркировки элемента (20) определяют его диаметр в миллиметрах.

Вторые две – его емкость (способность отдать определенное количество энергии).

Чем больше цифра, тем больше емкость и тем толще элемент. Типовое значение емкости элемента 2032 – 225 мА/ч (миллиампер-часов), элемента 2025 – 160 мА/ч.

Следует отметить, что это максимальные значения. Реальные цифры зависят от сопротивления нагрузки и окружающей температуры. Чем больше сопротивление нагрузки и выше температура (разумеется, до известных пределов), тем больше эквивалентная емкость. Т.е. тем дольше элемент будет питать энергией нагрузку. При пониженной окружающей температуре элемент «садится» быстрее.

Литиевые элементы – очень хорошие источники энергии.

У них высокие показатели удельной энергии, т.е. большое соотношение «энергия/вес» и очень небольшой саморазряд (менее одного процента в год). У свинцовых , например, эти показатели гораздо хуже.

С вами был Виктор Геронда.

До встречи на блоге!

Классификация оперативной памяти

Типы реальной памяти и их основные характеристики

Одним из важнейших устройств компьютера является память, или запоминающее устройство (ЗУ). По определœению, данном в книге "Информатика в понятиях и терминах", ЗУ - "функциональная часть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде." При этом под это определœение попадает как собственно память, так и внешние запоминающие устройства (типа накопителœей на жестких и гибких дисках, магнитной ленты, CD-ROM), которые лучше отнести к устройствам ввода/вывода информации. Таким образом под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только "внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память". Итак, рассмотрим классификацию внутренней памяти компьютера.

Оперативное запоминающее устройство является, пожалуй, одним из самых первых устройств вычислительной машины. Она присутствовала уже в первом поколении ЭВМ по архитектуре, созданных в в начале сороковых -пятидесятых годов двадцатого века. За эти пятьдесят лет сменилось не одно поколение элементной базы, на которых была построена память. По этой причине приведем классификацию ОЗУ по элементной базе и конструктивным особенностям. С некоторой натяжкой к ОЗУ можно отнести и ПЗУ, в случае если рассматривать его как быстрое ЗУ только для чтения.

Схема данной классификации приведена на рисунке.

Рис. Классификация ОЗУ.

Как видно из схемы исходя из сохранности данных при отключении питания ОЗУ делится на энергозависимое и энергонезависимое.

К энергонезависимым ЗУ, в первую очередь, относится класс всœевозможных ферритовых ЗУ. Далее, условно энергонезависимыми можно назвать ППЗУ стираемые УФ и электрически стираемые (перепрограммируемые – флэш-память). Условность состоит в достаточно долгом (десятки тысяч часов) но не бесконечном сроке хранения записанной информации в данных ЗУ. Следующий класс энергонезависимых ЗУ составляют однократно программируемые ПЗУ. Данные ПЗУ могут поставляться чистыми (вся память записана нулями или единицами) с последующим электрическим однократным программированием, либо программироваться в процессе изготовления (заказные ПЗУ).

Энергозависимая память - ϶ᴛᴏ всœевозможные виды ОЗУ для быстрого чтения/записи. При отключении питания такая память полностью теряет информацию, но обладает высоким быстродействием. Данный класс реальных ЗУ делится на динамические (с крайне важно стью регенерации информации) и статические (не требующие регенерации информации). Теперь рассмотрим более подробно каждый класс ЗУ.

ЭВМ первого поколения по элементной базе были крайне ненадежными. Так, среднее время работы до отказа для ЭВМ “ENIAC” составляла 30 минут. Скорость счета при этом была не сравнима со скоростью счета современных компьютеров. По этой причине требования к сохранению данных в памяти компьютера при отказе ЭВМ были строже, чем требования к быстродействию оперативной памяти. Вследствие этого в этих ЭВМ использовалась энергонезависимая память.

Энергонезависимая память позволяла хранить введенные в нее данные продолжительное время (до одного месяца) при отключении питания. Чаще всœего в качестве энергонезависимой памяти использовались ферритовые сердечники. Οʜᴎ представляют из себятор, изготовленных из специальных материалов - ферритов. Ферриты характеризуются тем, что петля гистерезиса зависимости их намагниченности от внешнего магнитного поля носит практически прямоугольный характер.

Рис. B.1. Диаграмма намагниченности ферритов.

Вследствие этого намагниченность этого сердечника меняется скачками (положение двоичного 0 или 1, смотри рисунок B.1.) По этой причине, собрав схему, показанную на рисунке B.2, практически собран простейший элемент памяти емкостью в 1 бит. Память на ферритовых сердечниках работала медленно и неэффективно: ведь на перемагничивание сердечника требовалось время и затрачивалось много электрической энергии. По этой причине с улучшением надежности элементной базы ЭВМ энергонезависимая память стала вытесняться энергозависимой - более быстрой, экономной и дешевой. Тем не менее, ученые разных стран по-прежнему ведут работы по поиску быстрой энергозависимой памяти, которая могла бы работать в ЭВМ для критически важных приложений, прежде всœего военных.

Рис. B.2. Схема элемента памяти на ферритовых сердечниках.

Новейшие технологии энергонезависимой памяти уже вторглись в области применения, где много лет доминируют Flash, SRAM и DRAM. Предлагаем проанализировать, какая из них имеет наибольшие шансы успешно конкурировать с массовыми типами памяти и вытеснить их со временем.

Нет необходимости доказывать, что неспособность сохранять информацию после выключения питания сделала бы практически бесполезными миллиарды электронных приборов, будь то компьютер, сотовый телефон, автомобильный электронный прибор, любой промышленный контроллер - их функциональность определяется содержимым энергонезависимой памяти. Подавляющее число электронных приборов сегодня используют в качестве энергонезависимой памяти Flash. В компьютере она управляет загрузкой и обеспечивает взаимодействие большинства узлов. В сотовом телефоне Flash-память хранит программы, настройки, телефонную книжку...

Наряду с энергонезависимостью, главным свойством Flash-памяти является программируе-мость - способность к многократному изменению хранимой информации. Операция записи в Flash-память сравнительно сложна, количество циклов модификации данных не превышает 1 миллион, а для большинства компонентов Flash это десятки или сотни тысяч циклов. Может показаться, что это большое число, однако, его достаточно лишь для устройств со сравнительно редким изменением данных - несколько раз в день - как, например, в мобильных телефонах или переносных накопителях данных. Использование Flash-памяти, например, в качестве основной памяти компьютера привело бы ее в негодность максимум за неделю. Да и по скорости записи Flash-память слишком медленна для оперативных данных.

Текущее состояние

Появление и развитие технологии Flash на рубеже 90-х годов вытеснило доминирующие тогда PROM, UF-EPROM, EPROM. А сейчас технология Flash, по оценкам многих специалистов, подходит к пределу физических возможностей. Ее развитие происходит в основном в области усовершенствования структуры ячейки и революции не предвидится. По некоторым оценкам, к 2008-2010 году работы по развитию остановятся, и объем производства Flash-памяти станет падать. Главной причиной этого станет распространение новейших технологий, отличных от Flash и предлагающих, наряду с энергонезависимостью, алгоритм и скорость работы RAM. В последние годы Flash испытывает ощутимый натиск с их стороны.

Вторым наиболее массовым типом памяти является DRAM (Dynamic Random Access Memory). Объем производства Flash и DRAM составляет примерно 15% всего рынка полупроводников. В денежном выражении в 2003 году это составило около $25 млрд (по данным International Data Corp. на ноябрь 2003 года). Технология, которая реально сможет вытеснить Flash и предоставит быстродействие DRAM, принесет большие дивиденды своим владельцам. Поэтому усилия в развитие новых технологий энергонезависимой памяти вкладываются немалые.

Физические принципы, на которых они основываются, существенно отличаются как от тех, что используются в технологии Flash, так и между собой. Ферроэлектрическая память (FRAM - Ferroelectric Random Access Memory) хранит информацию в электрически поляризованном материале. Магниторе-зистивная память (MRAM - Magnetoresistive Random Access Memory) - в магнитных диполях. Память OUM (Ovonic Unified Memory, названа по имени компании-разработчика Ovonix Inc.) в аморфном или кристаллическом состояниях халь-когенидного сплава. Свойства каждой из новых технологий теоретически позволяют использовать память на их основе вместо Flash, DRAM и SRAM одновременно. Именно эти технологии являются наиболее вероятными и перспективными преемниками наиболее распространенных типов запоминающих устройств в ближайшее десятилетие.

Они превосходят Flash по двум основным критериям. Во-первых, алгоритм обращения к памяти и в циклах чтения, и в циклах записи столь же простой и быстрый, как и в стандартной SRAM. А во-вторых, ресурс количества циклов модификации данных хотя и не бесконечен, как у статической или динамической памяти, но достаточен для работы в течение многих лет.

Сегодня еще нельзя сделать однозначный вывод о том, какая технология победит и станет «главным» типом памяти. На основе опубликованной информации мы можем лишь сравнить преимущества и недостатки технологий, сделать предварительную оценку перспективности компонентов на их основе. Претенденты находятся на разных стадиях. Впереди сегодня находится FRAM - компоненты по этой технологии производятся уже более десяти лет. MRAM должна появиться на рынке в этом году. Временные рамки реального появления памяти OUM оценить пока трудно. Компания Ovonix, разработчик технологии, уже несколько раз демонстрировала прототипы запоминающих устройств совместно со стратегическими партнерами Intel, BAE Systems (бывший Lockheed Martin) и STMicroelectronics. Но эффективно проводит внедрение в производство пока только BAE Systems и обещает предоставить образцы предсерийных продуктов в середине 2005 года.

Как работает энергонезависимая память

Flash, она же электрически стираемая и программируемая память только для чтения.

Физическую основу технологии Flash составляет «плавающий» затвор МОП-транзистора, находящийся между управляющим затвором и каналом сток-исток (см. рис. 1). Если в плавающем затворе нет свободных электронов, то напряжение, приложенное к управляющему затвору, откроет канал транзистора, что интерпретируется как логическая «1». Когда в плавающем затворе много свободных электронов, приложенное к управляющему затвору напряжение не способно открыть канал, транзистор остается выключенным, и считывается логический «0». Плавающий затвор изолирован с двух сторон: слоем оксида от управляющего затвора и слоем «туннелированного» оксида от канала сток-исток. Окислы предотвращают диффузию электронов из плавающего затвора, тем самым обеспечивая сохранность данных в ячейке при энергонезависимом хранении в течение длительного времени.

Операция чтения ячейки Flash-памяти проста - проверяется, открывается ли транзистор напряжением, приложенным к управляющему затвору. Запись значительно сложнее и проводится в два этапа.

Во-первых, проводится поблочное «стирание» информации - плавающий затвор разряжают высоким обратным напряжением. Электроны, возможно находящиеся в затворе, удаляются в область истока. Стирание производится сразу над целым блоком, в котором могут быть тысячи ячеек.

На втором этапе, также с помощью высокого напряжения, электроны эмитируются (или нет - если записывается «1») из канала через слой окисла в плавающий затвор. Этот процесс называют инжекцией «горячих носителей».

Электроны, проходящие через слой тунне-лированного оксида, разрушают его с каждой операцией стирания-записи. Постепенно туннелированный оксид превращается в диэлектрик с очень низкой проницаемостью, и запись «0» становится невозможной. Выносливости современных материалов, применяемых для создания надканального окисла, хватает не более чем на 1 миллион циклов. MRAM. Магниторезистивная память.

Ячейка Flash-памяти представляет собой модифицированный МОП-транзистор. Модификация заключается в том, что между управляющим затвором и каналом помещен дополнительный, «плавающий» затвор и слой туннельного окисла под ним.При записи электроны, под действием высокого напряжения (обычно 12 В), инжектируются через туннельный оксид в область плавающего затвора и захватываются им. При стирании, также под действием высокого напряжения, но обратной полярности, электроны удаляются из плавающего затвора обратно тем же путем. При чтении на линию слова подается управляющий потенциал и проверяется наличие тока через сток в битовую линию. Если в плавающем затворе есть захваченные электроны, потенциал управляющего затвора (линии слова) экранируется ими, транзистор остается закрытым, и регистрируется логический «0». Если плавающий затвор свободен от электронов, транзистор открывается и на битовой линии регистрируется логическая «1»

Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM) использует ферромагнетизм для хранения данных. Каждый атом ферромагнитного материала представляет собой микромагнит. Магнитомягкий ферромагнетик может менять вектор намагниченности под действием внешнего магнитного поля и сохранять его очень долго. Постоянный ферромагнетик сохраняет вектор магнитного поля вне зависимости от внешних полей. В ячейке MRAM ферромагнитные слои разделены магниторезистивным материалом, имеющим разное электрическое сопротивление при совпадающих или разнонаправленных векторах полей ферромагнетиков. При чтении измеряется сопротивление туннельного перехода. Если векторы полей ферромагнитных доменов параллельны, то сопротивление не велико и это интерпретируется как двоичная «1». Когда векторы антипараллельны, сопротивление перехода увеличивается на 40-50%, и это обозначает «0». Для записи в ячейку необходимо намагнитить магнитомягкий слой внешним магнитным полем. Для этого по битовой линии пропускают ток. Направление намагниченности задается направлением тока

Принцип работы MRAM базируется на различной проводимости магниторезис-тивного материала, помещенного между ферромагнетиками с одинаковой или разной ориентацией магнитных моментов (см. рис. 2). Если направления магнитных полей слоев ферромагнетика совпадают, то сопротивление магниторезистивного материала невелико, что интерпретируется как логическая «1». При противоположных магнитных моментах его сопротивление существенно больше, и это обозначает логический «0». Ячейка

MRAM заключена между перекрещивающимися проводниками словных и битовых линий и похожа на сэндвич: состоит из жесткого и мягкого ферромагнетиков, разделенных магниторезистивным материалом.

При записи по битовому проводнику пропускают постоянный ток, магнитное поле которого намагничивает мягкий ферромагнетик. Его результирующий магнитный момент зависит от направления пропускаемого тока. Чтобы компенсировать влияние поля нижнего жесткого ферромагнетика на мягкий при записи, по словному проводнику также пропускают постоянный ток, магнитное поле которого противоположно полю постоянного ферромагнетика.

При чтении на словную линию подают напряжение считывания и сравнивают с образцовым источником ток, проходящий через каждую ячейку на битовой линии.

Универсальная память от Ovonix (OUM) основанана уникальном свойстве халькогенидныхсплавов - принимать два устойчивых состояния -аморфное или поликристаллическое -в зависимости от условий нагревания.Нагрев сплава до 600°С приводит его в аморфноесостояние. Если же сплав выдержать несколькодольше при более низкой температуре,он примет поликристаллическую фазу.В аморфном и поликристаллическом состояниисплав имеет существенно различающеесяэлектрическое сопротивление.Величина сопротивления используетсядля регистрации «0» или «1» при чтении

Рис. 4. FRAM хранит информацию в поляризованных ферроэлектриках.

Работа ферроэлектрической памятис произвольным доступом (FRAM) основанана способности ферроэлектрическихконденсаторов сохранять заряд очень долго -более 10 лет без потребности в регенерации.В остальном FRAM работает почти так же,как динамическая память (DRAM). Полярностьзаряда конденсатора интерпретируетсякак двоичная информация - «0» или «1».При чтении напряжение считыванияприкладывается между словной и битовойлиниями, затем на шину питания ячеек подаетсякороткий импульс. Если полярность зарядаконденсатора совпадает с полярностьюнапряжения, приложенного между линиями словаи бита, то на битовую линию проходит импульстока очень небольшой величины, обозначающийлогический «0». Если полярности противоположны,импульс тока существенно больше,что интерпретируется как логическая «1»

OUM. Универсальная память от Ovonix.

В основе OUM лежит изменение при нагреве фазового состояния халькогенидного сплава (сплав германия, селена и теллура). При нагреве до 600 °С в течение нескольких десятков наносекунд халькогенид приобретает аморфное высокоомное состояние (около 100 кОм). Если же его выдержать при более низкой температуре в течение многих десятков наносекунд, материал кристаллизуется и приобретает сопротивление порядка 1 кОм.

Управляемое фазовое состояние халькоге-нидов уже много лет используется в CD-R/W, DVD-RAM и DVD-R/W. И теперь пришла очередь внедрения в интегральные устройства. В компакт-дисках нагрев сплава производит луч лазера. Для интегральной схемы этот способ неприменим. Ячейка OUM (см. рис. 3) построена из кристаллического халькогенида с низким омическим сопротивлением и соединенного с ним резистивного нагревателя. При записи по цепи «резистор - кристалл» пропускают импульсный ток около 1 мА. В точке соединения под воздействием температуры образуется область с зависимым от силы тока и длительности импульса фазовым состоянием. В процессе чтения, так же как в MRAM, сравнивается сопротивление цепи «резистор - кристаллический халькогенид» относительно образца.

FRAM. Память на ферроэлектрических конденсаторах.

Архитектурно ячейка FRAM построена так же, как в динамической памяти, - это пара «транзистор - конденсатор» (см. рис. 4). Но в качестве диэлектрика конденсатора в ячейке FRAM используется ферроэлектри-ческий материал. Когда к обкладкам конденсатора приложено постоянное напряжение, ферроэлектрик поляризуется очень быстро (около 1 наносекунды) и, после снятия напряжения, сохраняет поляризацию очень долго.

Полярность заряда конденсатора определяет логические «0» или «1». При чтении ко всем ячейкам байта (слова) прикладывается напряжение одинаковой полярности, и измеряется ток. Наличие или отсутствие тока при чтении интерпретируется как двоичная информация. Чтение FRAM-ячейки разрушает данные, поэтому после идентификации значения автоматически включается цикл регенерации для ячеек, энергия на реполяризацию которых затрачивалась. Механизм регенерации полностью скрыт. Контроллеру, обращающемуся к памяти, достаточно выполнять алгоритм, аналогичный обращению к SRAM, и выдерживать временные диаграммы, специфицированные в описании FRAM-компонента. Крайне малые значения тока утечки и емкости конденсаторов делают FRAM самой экономичной технологией по энергопотреблению.

Чем они отличаются. Преимущества и недостатки

Все три представленные новые технологии обеспечивают реальное (без необходимости в резервном питании) длительное энергонезависимое хранение данных и простоту алгоритма обращения. С этой стороны они очень похожи. Но существенно различаются в производственном процессе и в некоторых особенностях эксплуатации.

Читателю, скорее всего, в большей степени интересны эксплуатационные и коммерческие свойства компонентов. Эти сведения сегодня доподлинно известны только о FRAM, доступной для широкого применения уже более десяти лет. MRAM и OUM пока еще нельзя достоверно оценить - даже компоненты MRAM, которые должны стать доступными в ближайшее время, мы вынуждены оценивать пока лишь теоретически. Но что ожидать от новой технологии мы можем предположить, зная профиль производителей, которые берутся за ее воплощение в доступные для применения компоненты. Например, Texas Instruments и Fujitsu, отдавшие предпочтение технологии FRAM, производят компоненты для очень многих областей применения, а концерн BAE Systems (ранее Lockheed Martin), внедряющий OUM, ориентирован на специальную технику для военного и космического применения. Соответственно стоимость и доступность памяти OUM в России будет существенно отличаться от широко доступной уже сейчас FRAM.

Процесс создания интегральных компонентов состоит из множества последовательных этапов. На каждом этапе с помощью масок формируются полупроводниковые, изолирующие или проводящие слои. Для современных сложных интегральных компонентов типовое количество этапов достигает 20-26 и более, их количество усложняет и удорожает производство.

Аналитики Texas Instruments изучили каждую из новых технологий, но выбор остановили на ферроэлектрической памяти. FRAM заинтересовала Texas Instruments для встраиваемых приложений, например, как внутренняя память программ контроллеров и сигнальных процессоров. Создание массива памяти FRAM на кристалле будущего контроллера или сигнального процессора требует всего две дополнительные маски, в то время как MRAM - четыре (см. табл. 1). Кроме того, к моменту принятия решения о выборе FRAM Ramtron и Fujitsu уже поставили около 100 миллионов компонентов FRAM емкостью до 256 кбит, отладили технологию производства и устранили множество проблем, стоявших на первых этапах существования FRAM. «Все, что мы хотели бы добавить, так это увеличить плотность» - так охарактеризовал решение в пользу FRAM вице-президент Texas Instruments по исследованиям и разработкам Дэнис Басс (Dennis Buss). И успешно воплотили в жизнь свое пожелание: совместно с Ramtron создали в ноябре 2002 года прототип FRAM емкостью 64 Мбит.

Сегодня Texas Instruments в качестве встроенной памяти использует Flash, требующую в производственном процессе от 6 до 8 дополнительных масок. Создание процессоров со встроенным массивом Flash-памяти в едином производственном цикле приводит к уменьшению процента выхода годных и повышению стоимости производства. Поэтому в производстве контроллеров и процессоров Texas Instruments применяет готовые кристаллы Flash-памяти, устанавливаемые поверх кристалла контроллера или процессора. Применение технологии FRAM, по расчетам специалистов Texas Instruments, позволит создавать процессоры и контроллеры со встроенным массивом универсальной памяти в едином производственном цикле. Компоненты Texas Instruments со встроенным массивом FRAM появятся в 2005 году.

1 - 1 Мб = 1024 x 1024 бит; 2 - в единицах, кратных площади типового соединения, проецированного на нижний уровень металлизации кристалла

Fujitsu, также имеющая лицензию Ramtron на использование технологии FRAM для производства встраиваемой памяти, уже несколько лет поставляет контроллеры смарт-карт со встроенным массивом FRAM. Fujitsu является главным партнером Ramtron в производстве памяти как функционально законченных компонентов. Современное оборудование и система менеджмента качества мирового уровня на заводах Fujitsu позволяют Ramtron снизить издержки и поставлять высоконадежную память нового поколения, доступную для широкого применения.

OUM, так же как MRAM, требует для создания массива памяти больше двух масок - три или четыре. Но не это главная проблема. Среди главных проблем, препятствующих широкому внедрению халькогенидных микросхем, специалисты называют перегрев ячеек при высокой частоте циклов перезаписи, взаимное влияние ячеек и высокую токсичность используемых материалов. Вероятно, поэтому наибольшего успеха во внедрении OUM пока достигла только BAE Systems, обещающая к середине 2005 года выпустить пилотные партии компонентов для «нечеловеческих» условий - разработанные с применением технологии RAD750, микросхемы памяти будут выдерживать суммарное ионизирующее излучение до миллиона рад (Si) и предназначены для использования в космических условиях.

Выбор BAE Systems в пользу OUM был сделан еще и потому, что, во-первых, эта технология основана не на зарядовом способе хранения информации, чувствительном к ионизирующим воздействиям, а на активном сопротивлении. А во-вторых, она предоставляет существенную дифференциацию физических параметров, интерпретируемых как двоичная информация - сопротивление ячейки, хранящей «0» или «1», различается в 100 раз. Двоичные данные в технологии FRAM также существенно дифференцированы - ток, регистрируемый при чтении «0» и «1», различается на два-три порядка. Большее различие облегчает идентификацию данных чувствительными пороговыми элементами. Устойчивость FRAM к ионизирующим излучениям выше, чем у Flash, так как хранение информации основано не на свободных носителях заряда, но задача достичь такой радиационной стойкости, как OUM, пока не ставилась.

Успехи технологии MRAM позволили достигнуть только 40-50% различия в сопротивлении ячейки, хранящей «0» или «1». Кроме того, ячейка MRAM в большей степени подвержена влиянию внешнего магнитного поля, чем FRAM - влиянию электрического. Поэтому в конструкцию микросхемы MRAM необходимо вводить магнитный экран (технология, применяемая Motorola и Cypress). Выпускаемые сейчас компоненты FRAM испытыва-ются на устойчивость к статическому разряду 4000 В по стандарту JEDEC A114-B (ESD, Human body model) и 300 В по стандарту JEDEC A115-A (ESD, Machine model).

Основные критерии, по которым память, основанная на рассматриваемых технологиях, относится к RAM, это: одинаковая длительность циклов записи и чтения, а также неограниченное количество циклов обращения. Компоненты MRAM и FRAM действительно обеспечивают одинаковое время доступа в операциях чтения и записи. Но OUM имеет несимметричную длительность циклов записи-чтения. На примере компонента, анонсированного BAE Systems, длительность цикла чтения составляет 50 нс, а записи - 150 нс.

Ресурс памяти рассматриваемых технологий по количеству циклов обращения также не одинаков. При операциях чтения OUM ресурс материала не исчерпывается - токи, тестирующие сопротивление ячейки, слишком малы, чтобы изменить фазовое состояние сплава. Испытания материалов по записи в ячейку OUM показывают возможно достижимую выносливость до 10 12 циклов. Ресурс анонсированного компонента BAE Systems - 10 8 циклов записи. Чтение ячейки MRAM также можно считать не исчерпывающим ресурс - ток, проходящий через ферромагнетики не меняет уровень намагниченности жесткого и в незначительной степени влияет на мягкий. По количеству циклов записи в ячейку MRAM на сегодня достигнут порог в 10 15 циклов. Впереди всех FRAM - 10 16 и даже 10 19 циклов. Однако чтение FRAM также исчерпывает ресурс, как и запись. Но, проведя несложные вычисления, можно убедиться, что обращение к одной и той же ячейке FRAM на максимальной скорости (доступные сейчас компоненты обеспечивают время доступа 70 нс и длительность цикла 130 нс) не исчерпает ее ресурс и за 40 лет.

Среди эксплуатационных характеристик не последнее место занимает энергопотребление. Несмотря на заявленную экономичность MRAM, компоненты, анонсированные Cypress (CY9C62256, CY9C6264), по предварительным описаниям, потребляют ток 90 мА в активном режиме и 150 мкА в режиме ожидания, а Motorola (MR2A16A) не документирует этот параметр. OUM также пока трудно отнести к экономным - 60 мА в активном режиме (потребление в циклах записи не документировано) и 15 мА в режиме ожидания. На их фоне FRAM выглядит более привлекательной для современных приложений - 20 мА в активном режиме (одинаковое потребление при записи и чтении) и 15 мкА в режиме ожидания (на примере FM20L08 128Кх8, которая ожидается в этом году). Очевидно, с развитием технологий MRAM и OUM в будущем удастся снизить потребление, но принцип чтения - измерение сопротивления - всегда будет требовать больших энергозатрат, чем распознавание процесса заряда ферроэлектрического конденсатора.

Выводы и заключение

О назревающей революции в области запоминающих устройств говорится уже несколько лет. По всей видимости, в ближайшие год-два мы все же станем свидетелями прорыва, который даст новые идеи в первую очередь разработчикам. На протяжении десятилетий инженеры привыкли разделять постоянную и оперативную информацию между разными компонентами, использовать разные алгоритмы манипуляции с ними. Теперь типовые решения должны быть переработаны. С распространением универсальной памяти открываются новые возможности для построения экономичных, малогабаритных и более надежных устройств.

• Отработанная в течение многих лет технология, уже избавившаяся от «детских болезней».
• Признание производителями интегральных компонентов, и в еще большей степени их потребителями - производителями сложных готовых электронных приборов, подтвержденное многими десятками миллионов установленных FRAM.
• Невысокая стоимость производства и, как следствие, доступность для широкого применения.
• Отличные эксплуатационные и технические характеристики: низкое энергопотребление, высокое быстродействие и ресурс, устойчивость к жестким условиям эксплуатации. Все, что ограничивает до сих пор область применения FRAM - это небольшой максимальный объем и скорость, недостаточная для конкуренции с синхронной статической и динамической памятью. Успехи последних разработок позволяют предположить, что эти характеристики будут существенно улучшены в течение
• года.

Ближайшим конкурентом FRAM будет MRAM. Кроме более высокого энергопотребления анонсированные компоненты MRAM имеют сходные характеристики, а по быстродействию превосходят доступные сейчас компоненты FRAM. Пока трудно судить об их стоимости, автору не удалось обнаружить сведения о возможном уровне цен компонентов, которые должны появиться в этом году.

В отличие от корпорации Ramtron, сконцентрировавшей практически «в одних руках» сотни патентов на элементы технологии фер-роэлектрической памяти, работы по MRAM ведут несколько крупных разработчиков. Каждый из них владеет частью знаний и патентов. Ряд производителей (NEC, Toshiba, Cypress, Infineon и др.) приобрели лицензии на внедрение технологии. Таким образом, можно ожидать, что компоненты MRAM от разных производителей будут иметь различающиеся характеристики. По крайней мере, первое время мировой объем производства компонентов MRAM будет разделен в силу высокой конкуренции между производителями, и это не благотворно скажется на уровне стоимости.

Политика лицензирования, проводимая Ramtron, предполагает использование технологии лицензиатами только для создания встроенных массивов памяти и невозможность поставки микросхем памяти как законченных функциональных устройств. Это дает корпорации возможность сконцентрировать весь объем производства, снизить издержки, регулировать и поддерживать эффективный уровень цен.

Технология OUM в ближайшие 3-5 лет, вероятно, останется ориентированной на специальные применения и ни по уровню стоимости, ни по объему производства не будет широко распространяться.

Определение 1

В общем смысле энергонезависимой память ю является любое устройство памяти ПК или его часть, которое может хранить данные не зависимо от подачи электропитания.

Условно энергонезависимой памятью можно считать энергозависимую память, которая имеет внешнее питание (от батарейки или аккумулятора). Например, часы на системной плате ПК и память для хранения настроек $BIOS$ питаются от батарейки, которая закреплена на плате.

Память $CMOS$ ($Complementary \ Metal \ Oxide \ Semiconductor$) или КМОП (Комплементарные пары Металл-Оксид-Полупроводник) – память со средним быстродействием и низким энергопотреблением, поэтому может хранить данные в течение длительного времени.

Рисунок 1. Образец CMOS-памяти

Назначение энергонезависимой памяти CMOS

Микропрограммы в $BIOS$ считывают данные об оборудовании ПК из микросхемы $BIOS$, после чего они выполняют обращение к жесткому или гибкому диску и передают управление тем программам, которые там записаны.

Набор микропрограмм, которые составляют $BIOS$, хранятся в постоянной памяти ПК, которая располагается на системной плате. Параметры $BIOS$ зашиты компанией-разработчиком, но пользователи при надобности могут вносить необходимые изменения в эти параметры. Для этого служит связанная с $BIOS \ CMOS$-память, которая хранит настройки системы, в частности, вводимые пользователем через программу $BIOS \ Setup.$ Общий объем $CMOS$-памяти составляет всего $256$ байт.

Пример 1

К примеру, изготовители $BIOS$ не могут ничего знать о параметрах установленных на определенный ПК жестких или гибких дисков. Для обеспечения работы с таким оборудованием программы, которые входят в состав $BIOS$, должны знать, где можно найти нужные параметры. Но по известным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ).

Для хранения подобных данных используется энергонезависимая $CMOS$-память. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не удаляется после выключения ПК, а от ПЗУ – тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Микросхема $CMOS$-памяти питается от батарейки, которая расположена на системной плате. Заряда батарейки достаточно для того, чтобы микросхема не теряла данные даже в случае, если ПК не будут включать несколько лет.

Рисунок 2. Расположение батарейки CMOS-памяти

$CMOS$ используется для хранения информации о конфигурации, составе оборудования ПК и его параметрах, таких как данные о дисковых накопителях, о ЦП, тип видеоадаптера, наличие сопроцессора и других данных, а также о режимах его работы и информации, необходимой при запуске ПК (например, о порядке загрузки ПК). Микросхема $CMOS$-памяти также содержит электронные часы, которые указывают текущую дату и время.

Содержимое $CMOS$-памяти изменяется специальной программой $SETUP$, находящейся в $BIOS$. Тот факт, что ПК четко отслеживает время и дату (даже при выключенном питании), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в $CMOS$.

История технологии $CMOS$

Технология $CMOS$ известна давно. Память типа $CMOS \ RAM$ впервые была разработана в $1963$ г. в то время она была дорогой, но имела немало преимуществ. Не смотря на то, что у такой памяти ниже быстродействие, чем у обычной оперативной памяти, но для ее работы нужно меньше электроэнергии и она выделяет меньше тепловой энергии во время работы.

Для хранения данных $BIOS$ не нужно высокое быстродействие, однако желательно, чтобы количество энергии, которая используется при выполнении этой задачи, было как можно меньшим, поэтому память $CMOS$ в таком случае подходит больше всего.

Со времени открытия технологии $СМОS$ она была значительно усовершенствована. В современных ПК микросхемы $CMOS \ RAM$ применяются в большинстве элементов, даже в самом ЦП. Более того, технология $CMOS$ используется не только в ПК. Микросхемы, изготовленные по технологии $CMOS$, широко применяются не только в ПК, но и в фоточувствительных элементах (матрицах) сканеров и цифровых фотоаппаратов.

Обслуживание CMOS

$CMOS$-память – это небольшой, но очень важный элемент системы $BIOS$, от правильного функционирования которого зависит бесперебойная работа всего компьютера.

Несмотря на то, что $CMOS$-память потребляет мало энергии, тем не менее она все же в ней нуждается. Для питания памяти $BIOS$ в периоды времени, когда ПК отключен от сети, служит специальная литиевая батарейка. Ресурсы батарейки рассчитаны на несколько лет, но все же рано или поздно они подходят к концу и батарейку необходимо заменять.

При возникновении необходимости ее замены во время выполнения программы $POST$ появляется сообщение $«CMOS \ Battery \ State \ Low»$ или $«CMOS \ Checksum \ Error».$ Первыми признаками неоходимости замены батарейки может быть остановка внутренних часов-календаря, сбой системного времени или потеря установок $SETUP$ при выключении ПК.

На старых материнских платах батарейка в виде синего бочонка припаивалась к плате.

Существуют внешние батарейки для ПК, которые помещены в пластмассовые корпуса с проводами подключения. Этот корпус с помощью «липучки» закрепляют в удобном месте.

Замечание 1

Литиевые батарейки нельзя заряжать, т.к. при зарядке они взрываются и могут повредить внутренности ПК.

На современных системных платах чаще применяется батарейка в форме таблетки в специальном держателе (рис. 3), которая легко заменяется.

Рисунок 3. Батарейка CMOS-памяти

Замечание 2

Бывают случаи, когда нужно очистить $CMOS$-память, не прибегая к помощи программы $BIOS$. Такая ситуация может возникнуть в случае, если, например, утерян пароль для входа в ПК или в саму программу $BIOS$. Для обнуления $CMOS$ в большинстве ПК используется специальная перемычка, расположенная, как правило, в непосредственной близости от круглой литиевой батарейки. Однако лучше предварительно изучить документацию к системной плате.

Обычно для этого достаточно при выключенном ПК на несколько минут переставить перемычку в другое положение (рис. 4в).

Рисунок 4. Варианты подключения и обнуление CMOS: а – работа от внутренней батарейки, б – подключение внешней батарейки, в – обнуление CMOS

Иногда для сброса пароля предназначен отдельный переключатель (джампер). В этом случае, поменяв положение переключателя, ПК необходимо включить – только тогда пароль будет сброшен, после чего переключатель необходимо вернуть в исходное состояние.

Не стоит забывать, что при обнулении памяти $CMOS$ данные, хранящиеся в ней, будут утеряны. Поэтому могут стать неработоспособными лицензионные программы, установленные на ПК, которые привязывают свою лицензию к ключу, хранящемуся в $CMOS$-памяти.

Для страховки от подобных неприятностей после установки подобных защищенных продуктов используется специальное программное обеспечение, которое дает возможность сохранять в отдельном файле содержимое $CMOS$.