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DRAM,SRAM,FLASH和新型NVRAM:有何区别?

2020-9-25 08:01:20  171 存储器
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在本文中,我们将介绍一种新型的非易失性DRAM,以及它与当前内存技术的比较。

DRAM是计算技术中必不可少的组件,但并非没有缺陷。在本文中,我们将研究一种新提出的存储器-非易失性DRAM-以及它与当前存储器技术的比较。

不同内存技术的优缺点
在谈论计算机性能时,很容易查看CPU并根据其规格进行假设,包括内核数量,集成专用硬件(例如超线程)以及它包含的缓存数量。
但是,外部I / O与CPU本身一样重要。这就是为什么如果两个市场都使用相同的外部硬件,那么最快的CPU可以和拥有10年历史的CPU一样慢的原因。这也是为什么在升级系统时,设计师必须了解导致系统速度下降的原因。
这就是选择RAM至关重要的地方。
尽管本文绝不是对所有内存技术的全面讨论,但在讨论所提出的内存技术时,DRAM,SRAM和FLASH可以为我们提供有用的比较点。

DRAM
尽管有各种各样的可用RAM类型(具有不同的速度),但它们几乎总是一种特定的类型:  DRAM。DRAM(动态随机存取存储器)是一种基于充电电容器的存储技术,实现起来非常快且便宜。它还允许高密度。
但是DRAM并非没有缺陷。


DRAM中的一位可以存储为电容器上是否存在电荷。

DRAM是易失性存储器,这意味着当存储位放电的电容器时,DRAM将丢失其存储器的内容。这花费的时间长度可能会有所不同,但是通常会在几毫秒内放电。结果,DRAM需要刷新周期,该刷新周期读取数据位,然后将数据重新写回到芯片上,以加强存储的数据。
DRAM也被破坏性地读取。这意味着,当从DRAM中读取一个位时,所访问的存储位的内容将被遗忘,因此需要回写操作。这两个问题意味着DRAM的性能下降,因为它需要不断刷新并重新写入以保留其数据。

SRAM
存在的另一种存储技术称为SRAM,是一种易失性存储技术,它不使用电容器来存储位。相反,它包括一个由六个晶体管制成的简单锁存器。
虽然SRAM在关闭时也会丢失其存储的信息,但它不需要刷新周期,因为其反馈环设计在写入时会锁存数据。这也意味着从SRAM单元读取数据不需要回写操作即可保留数据。这使得SRAM比DRAM快。


SRAM单元。图片(修改)由大英百科全书提供
但是,SRAM的每个位昂贵得多,因为它需要六个晶体管,而DRAM则需要一个晶体管和电容器。因此,通常在仅需要少量高速存储器的CPU高速缓存中找到SRAM。

Flash
FLASH是一种类似于DRAM且不同于DRAM的存储技术。
首先,FLASH存储器中的每个位都由单个晶体管组成,但是这些晶体管具有称为浮栅的特殊层。通过使用量子隧道将位存储在FLASH存储器中,以将电子捕获在浮栅层中,这使晶体管或多或少具有导电性。
当在晶体管位上施加电压时,该晶体管的导电能力将取决于浮栅中是否有电子被捕获。
与DRAM不同,FLASH存储器是非易失性的,这意味着FLASH存储器在关闭时将保留存储到其中的所有数据。但是,虽然FLASH存储器可以快速访问并且每位成本相对较低,但它有两个问题使其无法用作CPU RAM。


Flash。图片由  Cyferz提供  [ 知识共享署名2.5通用 ]
第一个问题是NAND FLASH使用的内存拓扑结构无法单独擦除各个位。相反,它们需要擦除整个存储器块(更改单个位需要较大的擦除/写入周期)。
第二个问题是FLASH存储器在物理上具有破坏性。这样做的原因是,当擦除FLASH位时,需要大的电势电压(大约20 V)才能去除捕获在浮栅中的电子。这会在氧化物层中造成少量击穿,并且在许多写入周期中会最终破坏该位。
可以预料,这种晶体管可以保留多达100,000个擦除周期,这对于可移动存储设备(例如USB记忆棒)来说不是问题,但在DRAM中使用是不可接受的。

新提案
闪存和DRAM的问题可能已通过新提出的存储技术解决,该技术将DRAM的优势与FLASH的优势相结合。
IEEE最近发表的一篇论文,由兰开斯特大学物理系的Dominic Lane和Manus Hayne撰写,解释了新存储技术如何以与FLASH非常相似的方法工作。
电子存储在浮栅上以保留信息。但是,建议的存储位具有三层AlSb / InAs层,该层可产生多个量子阱,并且足够厚以确保寿命或存储信息。三阱配置还具有较低的写入和擦除电压要求。


拟议的NVRAM架构示意图。图片由  Dominic Lane和Manus Hayne提供

多个堆叠的导电带的使用不同于传统的FLASH存储器,因为FLASH存储器依赖于氧化物层来使捕获的电子绝缘。
新提议的存储器使用交替的半导体势垒。交变带产生的导带连续保持更大的电子能量,从而使电子几乎无法从浮栅反向隧穿(因此产生了非挥发性)。
但是,本文没有明确说明为什么新设计需要低得多的写入/擦除电压(小于2.3 V)。进一步的阅读表明,使用更靠近在一起的多个势垒会降低电子穿过间隙穿隧所需的电压。
降低的电压大大减少了对层的损坏。当电子被隧穿到导电层中时,它们会增加对电子的抵抗力,从而试图将其隧穿出去。多个导带(具有不同的能带隙)的使用意味着电子必须具有特定的能才能隧穿到那些区域中。
因此,捕获在特定阱中的所有电子将具有相似的能量。但是,该能量将不允许电子隧穿到相邻带中,从而将其捕获。

结论
由于多种原因,新的内存模型显示出有望成为一种新的内存技术。存储器是非易失性的,这意味着即使关闭存储器也可以保留其数据。但这也意味着不需要刷新周期,可以显着提高性能。
新的内存系统能够以与DRAM访问时间相似的速度运行-这是要取代DRAM的一项重要功能。
由于所需的栅极电压较低,因此新的存储器建议还使用了明显更少的能量。因此,它将每位散发更少的热量。但是,直到半导体生产商可以采用这种设计并将其投入到硅片上之前,我们将不得不对优质的老式DRAM感到满意。


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