非易失性存儲器技術

非易失性存儲器技術是在關閉計算機或者突然性、意外性關閉計算機的時候數據不會丟失的技術。非易失性存儲器技術得到了快速發展，非易失性存儲器主要分為塊定址和位元組定址兩類。

基本介紹

• 中文名：非易失性存儲器技術
• 外文名：Nonvolatile memory technology
• 一級學科：工程技術
• 二級學科：自旋電子學
• 特點：緊急情況下數據不丟失
• 分類：塊定址和位元組定址

非易失性存儲器技術簡介

很多存儲系統的寫操作程式中，記憶體作為控制器和硬碟之間的重要橋樑，提供更快速的性能，但是如果發生突然間斷電的情況，如何保護記憶體中的數據不丟失，這是存儲系統中老生常談的議題。易失性存儲器就是在關閉計算機或者突然性、意外性關閉計算機的時候，裡面的數據會丟失，就像記憶體。非易失性存儲器在上面的情況下數據不會丟失，像硬碟等外存。

發展沿革

近年來，非易失性存儲器（nonvolatile memory，NVM）技術得到了快速發展。非易失性存儲器主要分為塊定址和位元組定址兩類。以快閃記憶體（flashmemory）為代表的塊定址非易失性存儲器已經廣泛套用於嵌入式系統、桌面系統及數據中心等系統中。位元組定址的非易失性存儲器主要包括相變存儲器（phase change memory，PCM）、阻變存儲器（resistive random- accessmemory，RRAM）、自旋矩存儲器（spin-transfer torque RAM，STT- RAM）等 。而在位元組定址的非易失性存儲技術方面，NVDIMM是已經商用的一種模擬持久性記憶體存儲器件。NVDIMM採用快閃記憶體與DRAM（動態隨機存儲器）的混合形式，並採用電容或後備電源保證DRAM數據掉電不丟，以模擬持久性記憶體。2015年，英特爾與鎂光公司聯合發布的3D XPoint存儲技術，是最接近商用的、真正意義上的、位元組定址的非易失性存儲器。隨著非易失性存儲器硬體技術的成熟，基於非易失性器件構建存儲系統成為當前的研究熱點之一。

在套用方面，高性能計算和大數據分析對數據的存儲與處理的要求越來越高，對非易失性存儲器的使用有著迫切的需求。數據密集型套用的比例逐漸超越計算密集型套用，成為了計算機系統中的主流套用。然而，外存存儲性能的提升遠遠落後於計算性能的提升，傳統存儲系統的性能遠不能滿足高性能計算與大數據套用的需求。為此，非易失性存儲器因具有性能高、能耗低和體積小等優點，對於數據密集型套用的性能提升具有重要意義。然而，傳統存儲系統的構建方式不僅不利於發揮非易失性存儲器在性能方面優勢，還暴露了易失性存儲器在耐久性（使用壽命）、讀寫不對稱等方面的劣勢。

鋰電池在非易失性存儲系統中的套用

鋰電池具有高存儲能量密度、額定電壓高的優點。能量密度大約是鉛酸電池的6~7倍，更能滿足較長時間的備電要求，鋰電池的端電壓大小一般為3.6V，便於組成電池電源組。鋰電池自放電率很低，高低溫適應性強。

業界廠商通過鏗電池在斷電情況下保護記憶體中的數據72小時不丟失，為消除時間限制，各大廠商又推出鋰電池+快閃記憶體晶片的技術，如圖所示。

鏗電池+快閃記憶體技術工作流程

在斷電的情況下，鋰電池提供電量，將記憶體中的數據寫入到快閃記憶體晶片中，這樣有效保護記憶體中的數據。

NVDIMM在非易失性存儲系統中的套用

超級電容是近年發展起來的一種新型儲能元件，主要是通過極化電解質來儲能。它是一種電化學元件，但是在其儲能的過程中並不發生化學反應，這個工程是可逆的。用於存儲電荷的面積越大，分離出的電荷越密集，其電容量越大。

非易失性記憶體（NVDIMM）是一項蓬勃發展的實用存儲技術，其系統架構如圖所示。

超級記憶體系統架構

通過整合DRAM、Flash、智慧型系統控制器以及超級電容模組，NVDIMM可以提供一個高度穩定的存儲子系統。它既保留了最快DRAM的低延遲和無讀寫次數限制特性，又獲得了Flash的數據長期保存特性。而採取超級電容作為供電設備，則避免了電池的環境污染，充電時間長，價格昂貴等缺點。NVDIMM的設計使其可以輕鬆插人符合行業標準的伺服器和存儲平台的DIMM插槽，則無需在主機板中為其留取安放位置，可以輕鬆擴展現有裝置的性能。

NVDIMM通過與超級電容的有效結合，最終達到非易失性複合記憶的目標，它正得到越來越多的廠家關注和投入其中。系統正常運行時，超級記憶體表現為普通DRAM，但在掉電時，由超級電容供電數秒，NVDIMM能迅速將記憶體數據轉移到快閃記憶體中。當電力恢復後，NVDIMM能快速還原數據，系統瞬間恢復至掉電前的工作狀態繼續工作，從而達到了掉電保護的目的。

新型的非易失性存儲器

RRAM，又稱為憶阻器，為製造非易失性存儲設備，模擬人類大腦處理信息的方式鋪平了道路。RRAM由兩個金屬電極夾一個薄介電層組成，在正常狀態下它是絕緣體，它以納米器件加工技術為基礎是一種有記憶功能的非線性電阻。

每個憶阻器有一個底部的導線與器件的一邊接觸，一個頂部的導線與另一邊接觸。憶阻器是一個由兩個金屬電極夾著的氧化欽層構成的雙端，雙層交叉開關結構的半導體。其中一層氧化欽摻雜了氧空位，成為一個半導體；相鄰的一層不摻雜任何東西，讓其保持絕緣體的自然屬性，通過檢測交叉開關兩端電極的阻性，就能判斷RRAM的“開”或者“關”狀態，如圖所示。

憶阻器的原理

憶阻器除了其獨特的“記憶”功能外，有兩大特性使其被業界廣泛看好。一是其具有更短的存儲訪問時間，更快的讀寫速度，其整合了快閃記憶體和DRAM的部分特性;二是其存儲單元小和製造工業可以升級，憶阻器的尺寸可以做到幾個納米，很有可能將微電子技術的發展帶人到下一個十年，而且其可以與CMOS技術相兼容等優勢，是下一代非易失性存儲技術的發展趨勢。