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计算机存储器技术:从铁氧体磁环到 FRAM

铁氧体磁芯存储器和闪存卡              图片来源:Wikipedia

铁氧体磁芯存储器

1975 年时我还是个少年,当时我是一名测试军用飞机计算机存储器模块的学生工程师。现在来看,它们可能代表了当时铁氧体磁芯技术发展的最高水平。每个模块尺寸约为 18 x 10 x 6 厘米,并且包含近 60 万个铁氧体磁环芯,组成容量为 32K x 18 位字的非易失性随机存取存储器(简称 NVRAM)。每根磁芯的直径约为 0.033 毫米,必须有三根导线穿过中心孔。没有任何机器具备这种金属加工所需的精度,因此需要双手极其稳定、视力十分优秀的员工来手工制作!此外,加上产品完全采用军用规格,因此每个售价高达 25000 英镑(1975 年的货币购买力)。磁芯存储器利用铁磁材料的磁滞特性,这些材料在磁化力撤离后仍保持磁化状态。如果磁芯在一个方向上磁化,则表示逻辑 1。施加相反方向的磁化力,则磁芯极性反转,变为逻辑 0。遗憾的是,这种读取数据的方法会同时销毁数据,因此读取循环结束后必须写回原始状态。

早期的半导体存储器

1975 年,市面上已有半导体存储芯片出售:英特尔 2102 1K x 1 位静态 RAM 和相同容量的 1103 动态 RAM 器件。它们用于商用计算机中,但可靠性不足以支持军事环境。此外它们还属于“易失性”存储器,即关闭电源时将丢失数据,这一点也不利于高可靠性应用。

一般来说,计算机需要两种存储器:一种是程序存储器(通常为易失性),这种存储器可以满足处理器对指令代码读取速度的要求;另一种是读取速度较慢,但容量更大的非易失性存储器,内含要加载到程序存储器的程序代码。

通用型(台式机/笔记本电脑)计算机使用的现代技术

PC 设计师一直使用某种类型的动态 RAM 作为程序存储器。当该技术发展到每个单元或每个位只需要一个晶体管加一个电容的较小尺寸时,它的密度和存取速度超越了所有其它类型的存储器。这些年来出现了一种“扩展”方法,使得存储单元的物理尺寸越来越小,从而允许在硅芯片上装入越来越多的存储单元。尺寸的缩小导致了速度加快,但是每几毫秒就需要“刷新”一次,这意味着 DRAM 一直属于高能耗器件。需要刷新的原因在于,电容中代表逻辑状态的电荷会慢慢泄漏。而静态 RAM 则无需刷新,耗电量更低,速度更快,似乎是一种更好的选择。但问题是,由于每个单元需要多达六个晶体管,因此单个芯片上的位数根本无法接近动态 RAM。动态和静态 RAM 均属于易失性存储器,需要和基于磁带、软盘或硬盘技术的非易失性存储器搭配使用。非易失性 RAM 器件自二十世纪八十年代起开始发展,但是直到现在,无论在容量还是速度方面仍然落后于硬盘和动态 RAM 的扩展技术。

现代嵌入式计算技术

嵌入式处理器非常需要非易失性程序存储器,因为大多数项目都没有安装硬盘或光驱的空间。多数情况下,预编程的只读存储器 (ROM) 能够满足需求。嵌入式处理器的特点之一是它(通常)只运行单个应用程序,这一点与 PC 等通用型计算机不同。问题在于,固件的开发常常需要经过多次“编程-调试-编辑-再编程”循环,因此如果每次发现问题都要丢弃存储器芯片,那么开发成本将非常高昂。

开发人员的好伙伴:可重编程只读存储器

1971 年,以浮栅 MOSFET存储单元为基础的 256 字节英特尔 1702A 问世了,它是世界上第一块可擦除可编程只读存储器芯片,即 EPROM。遗憾的是,它无法做到可擦除,并且需要在新代码写入之前擦除。它的工作原理是在浮栅上存储电荷,而浮栅周围装有绝缘层,防止电荷泄漏(与动态 RAM 不同)。绝缘层非常有效,即使芯片多年不上电,数据也能完好地保留下来。

实现非易失性的代价是为存储单元编程时需要(相对)长时间通入高电压。擦除时,需要在特殊的灯箱中暴露在高强度紫外线下约 10 分钟:为此,芯片封装上装有紫外光可穿透的石英“窗口”。然后您可以在专用的编程器上编程,随后将其插入目标板卡上的插槽中。这些器件毫无意外地被称为 UV EPROM。多年来它们主导了嵌入式设计市场,直到浮栅 MOSFET 技术实现了电可擦除,即现在所称的闪存

使用闪存时无需外部 EPROM 编程器或紫外线擦除器。但是写入周期仍然较长,因为擦除和再编程以块为单位,而非单元。与老式的 UV EPROM 类似,闪存的随机存取速度快,但是块擦除/写入非常慢。它的另一个缺点是每个单元可承受的写入周期有限,通常仅有几千次。使用较高电压的编程脉冲最终对存储单元造成不利影响,导致永久性损坏。对于嵌入式应用开发来说,写入耐久性一般不是问题,只要余下的容量足以支持产品交付后的偶尔固件更新即可。

磁阻式 RAM (MRAM) 芯片上的磁存储器

本文开头介绍了早期基于铁氧体磁环极性的一种数字计算机存储技术。后来热阴极电子管先后被分立式晶体管和密度达到空前水平的半导体集成电路所取代,计算机的外形尺寸逐渐缩小。这一趋势推动了小型处理器的发展,但是芯片设计师始终在寻找能够将非易失性随机存取存储器缩小至同等程度的技术。一边是断电后将丢失所有数据的高速 RAM,一边是可高速读取,但写入过程复杂且速度慢的非易失性存储器。带有些许讽刺意味的是,30 年前问世的一项基于铁氧体磁环的技术终于走向成熟 – 这就是 MRAM 技术。基本上,MRAM 单元是在两块磁性材料中间由“隧道结”层隔开的三层堆栈式结构。如果两块“磁铁”的磁场方向相同,那么隧道结的电阻较小,则读取逻辑 0。如果磁场方向相反,那么电阻较大,则读取逻辑 1。与老式磁芯存储器不同的是,数据的读取不具有破坏性,无需回写。磁场的精度还在不断的研究发展中,以接近最新的 DRAM 器件的芯片密度。那么,MRAM 与 DRAM 和闪存相比究竟如何呢?

  • 密度。MRAM 在单芯片位数方面迅速赶超 DRAM。但缺点是需要相对较大的读取和写入电流,而由于单元尺寸缩小,这种情况可导致相邻单元受到“干扰”。
  • 速度。MRAM 的读写速度可与 DRAM 媲美,但不像闪存那样具有完全的读写随机存取功能。研究表明,MRAM 的速度还可以进一步大幅提升。
  • 能耗。MRAM 器件的能耗比 DRAM 低,仅仅因为它们具有非易失性。MRAM 不像 DRAM 需要频繁刷新才能保留数据,也不像闪存一样在写入数据时需要高压脉冲。
  • 数据保存。MRAM 原则上可以无限期保存数据,但是大写入电流可能会导致问题出现,原因如上文“密度”部分所述。闪存单元中存储的电荷最终会泄漏,但是可保存多年,保存时间可能超过闪存所在的设备的使用寿命。
  • 使用寿命。与只能承受有限的写入次数的闪存不同的是,DRAM 在使用得当的情况下具有无限的使用寿命。闪存的使用寿命可通过“损耗平衡”来延长,即确保存储器的写入平均分配到芯片上的所有单元。这样可避免像 U 盘那样仅使用一半的容量,即半数单元频繁重写,而另一半则完全闲置。这一任务通常由板载处理器自动执行,它还会强制生成可兼容 Windows 和 Linux 等 PC 操作系统的文件结构。MRAM 可具有无限的使用寿命,但是存在读/写电流较大,从而缩减使用寿命的问题。

铁电 RAMFeRAM FRAM

FRAM 的工作原理与老式磁芯存储器相似,区别在于它使用电场改变存储单元的状态,而非磁场。它被称为电体,不是因为它含有铁,而是因为在改变单元状态时具有与老式铁氧体芯存储器相同的磁滞特性。在结构上,FRAM 单元具有与 MRAM 相同的三层式结构 – 锆钛酸铅 (PZT) 铁电晶体夹在两个电极中。逻辑状态存储为 PZT 分子中的原子位置。它的基本结构也许与 MRAM 相似,但工作原理更像老式的磁芯存储器:读取数据时具有破坏性,需要回写循环。FRAM 具有读/写随机存取功能,因此是嵌入式应用中理想的闪存替代品。

  • 密度:当前铁电 RAM 技术的单芯片位数无法与 DRAM 媲美,但是更新的铁电材料必然具有更大的容量。
  • 速度:FRAM 的速度比最快的 DRAM 慢,但是理论上可以实现纳秒级的存取时间。然而,破坏性读取会延长存储器的循环时间,从而延长连续读取之间的间隔。
  • 能耗:和 MRAM 一样,FRAM 属于低能耗器件,因为无需刷新周期,同时写入非易失性数据时无需高电压。
  • 使用寿命:FRAM 可承受远远超过闪存的写入次数,尽管它最终会因印记和疲劳问题而受到影响。但是在大多数应用中,它的使用寿命可视为无限期。

抗辐射性

MRAM 和 FRAM 在特定专业领域中非常具有吸引力的原因之一在于它可以耐受电离辐射,无论是医疗仪器中使用的放射性元件还是太空中的宇宙粒子。DRAM 和 SRAM 单元体积不断缩小,因此越来越容易受到“单粒子翻转”的影响,即宇宙粒子造成存储器位状态翻转,这一效应通常是暂时的,但有时也会永久存在。在许多专为高可靠性应用而开发的微控制器芯片中,使用具有纠错编码的闪存和 SRAM,有助于缓解这一问题。

无论是这些技术,还是其它技术(见下文)都没有完全“成熟”,但是正在不断地发展进步中,市场上也有相关产品出售。Cypress Semiconductor 拥有品种丰富的存储器芯片系列,此外 Texas Instruments 也推出 MSP430FRxxxx 系列 16 位微控制器的 FRAM 存储器版本。

延伸阅读

客观分析:实现高效计算的新存储器此白皮书详细地阐述了当前和未来数字存储器器件的架构及其相对优势。

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Engineer, PhD, lecturer, freelance technical writer, blogger & tweeter interested in robots, AI, planetary explorers and all things electronic. STEM ambassador. Designed, built and programmed my first microcomputer in 1976. Still learning, still building, still coding today.

23 Nov 2018, 8:41