Почему ОЗУ должно быть энергозависимым?

Если бы оперативная память компьютера была энергонезависимой, как и другие постоянные хранилища, тогда не было бы такой вещи, как время загрузки. Тогда почему невозможно иметь энергонезависимый модуль памяти? Спасибо.

Когда большинство людей читает или слышит «RAM», они думают об этих вещах:

На самом деле они сделаны из чипов памяти DRAM, и это спорно, если DRAM является своего рода RAM. (Раньше это была «настоящая» RAM, но технология изменилась, и это скорее религиозное убеждение, если это RAM или нет, см. Обсуждение в комментариях.)

RAM - это широкий термин. Он означает «память с произвольным доступом», то есть любой вид памяти, к которому можно обращаться в любом порядке (где «доступ» означает чтение или запись, но некоторые виды ОЗУ могут быть доступны только для чтения).

Например, жесткий диск не является оперативной памятью, потому что когда вы пытаетесь прочитать два несмежных бита (или читаете их в обратном порядке по какой-либо причине), вам нужно дождаться вращения пластин и заголовка двигаться. Только последовательные биты могут быть прочитаны без дополнительных операций между ними. Вот почему DRAM можно считать не RAM - он читается блоками.

Существует много видов оперативной памяти. Некоторые из них не являются энергозависимыми и даже доступны только для чтения, например, ROM. Так что энергонезависимая оперативная память существует.

Почему бы нам не использовать это? Скорость не самая большая проблема, так как, например, флэш-память NOR может быть прочитана так же быстро, как DRAM (по крайней мере, так говорит Википедия , но без цитирования). Скорость записи хуже, но самая важная проблема:

Из-за внутренней архитектуры энергонезависимой памяти они должны изнашиваться. Количество циклов записи и стирания ограничено 100 000-1 000 000. Это выглядит как большое число и обычно достаточно для энергонезависимой памяти (pendrives не так часто ломаются, верно?), Но это проблема, которая уже должна была быть решена в SSD накопителях. ОЗУ пишется чаще, чем накопители SSD, поэтому она будет более подвержена износу.

DRAM не изнашивается, это быстро и относительно дешево. SRAM еще быстрее, но и дороже. Прямо сейчас это используется в процессорах для кеширования. (и это действительно оперативная память без каких-либо сомнений;))

В глубине души это связано с физикой.

Любая энергонезависимая память должна хранить свои биты в двух состояниях, которые имеют большой энергетический барьер между ними, иначе минимальное влияние могло бы изменить бит. Но когда мы пишем в эту память, мы должны активно преодолевать этот энергетический барьер.

У дизайнера есть некоторая свобода в установке этих энергетических барьеров. Установите низкое значение 0 . 1, и вы получите память, которую можно много переписать, не выделяя много тепла: быстро и нестабильно. Установите высокий энергетический барьер, 0 | 1и биты останутся на месте почти навсегда или до тех пор, пока вы не потратите серьезную энергию.

DRAM использует небольшие конденсаторы, которые протекают. Конденсаторы большего размера будут протекать меньше, будут менее летучими, но для зарядки потребуется больше времени.

Вспышка использует электроны, которые подаются при высоком напряжении в изолятор. Энергетический барьер настолько высок, что вы не можете контролировать их; единственный способ - очистить целый блок битов.

Следует отметить, что первым обычно используемым «главным хранилищем» в компьютерах было «ядро» - крошечные тороиды из ферритового материала, расположенные в виде массива, по которым провод проходил через них в 3 направлениях.

Чтобы записать 1, вы бы отправили импульсы равной силы через соответствующие провода X и Y, чтобы «перевернуть» ядро. (Чтобы написать ноль, вы бы не стали.) Вам придется стереть местоположение перед записью.

Чтобы прочитать, вы попытаетесь написать 1 и посмотреть, был ли соответствующий импульс сгенерирован на «чувствительном» проводе - если это так, то место раньше было нулевым. Тогда вам, конечно, придется записать данные обратно, поскольку вы просто стерли их.

(Это немного упрощенное описание, конечно.)

Но материал был энергонезависимым. Вы можете выключить компьютер, запустить его через неделю, и данные все равно будут там. И это было определенно "RAM".

(До «ядра» большинство компьютеров работали непосредственно с магнитного «барабана», имея только несколько регистров памяти ЦП и несколько таких вещей, как хранилища ЭЛТ.)

Итак, ответ относительно того, почему оперативная память (в ее текущей, наиболее распространенной форме) является изменчивой, заключается просто в том, что эта форма дешевая и быстрая. (Интересно, что Intel была ранним лидером в разработке полупроводниковой оперативной памяти и занялась только процессорами, чтобы создать рынок для своей оперативной памяти.)

DRAM является быстрым, может быть построен дешево до чрезвычайно высокой плотности (низкие $ / МБ и см ² / МБ), но теряет свое состояние, если не обновляется очень часто. Его очень маленький размер является частью проблемы; электроны просачиваются сквозь тонкие стенки.

SRAM является очень быстрым, менее дешевым (высокие $ / МБ) и менее плотным, и не требует обновления, но теряет свое состояние после отключения питания. Конструкция SRAM используется для «NVRAM», то есть оперативной памяти, подключенной к небольшой батарее. У меня есть несколько картриджей Sega и Nintendo, которые хранятся в NVRAM уже несколько десятилетий.

ЭСППЗУ (обычно в форме «Flash») является энергонезависимым, медленным для записи, но дешевым и плотным.

FRAM (сегнетоэлектрическое ОЗУ) - это одна из доступных технологий хранения данных нового поколения, которая делает то, что вам нужно: быстро, дешево, энергонезависимо ... но еще не плотно. Вы можете получить микроконтроллер TI, который использует его и обеспечивает желаемое поведение. Отключение питания и его восстановление позволяет вам возобновить работу с того места, где вы остановились. Но в нем всего 64 Кбайт. Или вы можете получить 2Mbit серийный FRAM .

Технология «Мемристор» исследуется, чтобы предоставить аналогичные свойства FRAM, но пока еще не является коммерческим продуктом.

Редактировать : обратите внимание, что если у вас есть постоянная в ОЗУ система, вам нужно либо решить, как применять к ней обновления во время ее работы, либо согласиться с необходимостью периодического перезапуска без потери всей работы. Существовал ряд КПК до смартфонов, которые сохраняли все свои данные в NVRAM, давая вам как мгновенное включение, так и потенциальную мгновенную потерю всех ваших данных, если батарея разрядилась.

ИМО главной проблемой здесь действительно является волатильность. Чтобы писать быстро, письмо должно быть легким (то есть не требовать длительных периодов времени). Это противоречит тому, что вы хотели бы видеть при выборе ОЗУ: оно должно быть быстрым.

Повседневная аналогия: - Написание чего-либо на доске очень легко и практически без усилий. Поэтому это быстро, и вы можете рисовать по всей доске в течение нескольких секунд. - Тем не менее, ваши эскизы на доске очень изменчивы. Некоторое неправильное движение и все ушло. - Возьмите какую-нибудь каменную плиту и выгравируйте там свой эскиз - как стиль Флинстоунов - и ваш эскиз останется там на годы, десятилетия или, возможно, столетия вперед. Написание этого занимает гораздо больше времени, хотя.

Вернемся к компьютерам: технология использования быстрых чипов для хранения постоянных данных уже существует (например, флэш-накопители), но скорости по-прежнему намного ниже по сравнению с энергозависимой оперативной памятью. Взгляните на какую-нибудь флешку и сравните данные. Вы найдете что-то вроде «чтение со скоростью 200 МБ / с» и «запись со скоростью 50 МБ / с». Это большая разница. Конечно, цена продукта здесь играет определенную роль, однако общее время доступа может улучшить расход денег, но чтение все равно будет быстрее, чем написание.

«Но как насчет перепрограммирования BIOS? Это встроено и быстро!» Вы можете спросить. Ты прав, но ты когда-нибудь прошивал образ BIOS? Загрузка через BIOS занимает всего несколько минут - большая часть времени тратится на ожидание внешнего оборудования - но фактическая перепрошивка может занять минуты, даже если для записи / записи требуется всего несколько килобайт.

Однако для этой проблемы есть обходные пути, например, функция Windows Hybernate. Содержимое ОЗУ записывается в энергонезависимое хранилище (например, на жесткий диск), а затем читается обратно. Некоторые BIOS на нетбуках предоставляют аналогичные функции для общей конфигурации и настроек BIOS с использованием скрытого раздела жесткого диска (поэтому вы, по сути, пропускаете компоненты BIOS даже при «холодных» загрузках).

В основном из-за улова-22 . Если ваша DRAM (как уже говорилось, RAM - это очень широкий термин. То, о чем вы говорите, называется DRAM , с D для Dynamic) внезапно станет энергонезависимой, люди назовут ее NVRAM, которая представляет собой совершенно другой тип хранилища.

Существует также практическая причина: в настоящее время не существует типов NVRAM (я имею в виду настоящие NVRAM на основе EEPROM, без источника питания), что позволяет неограниченное количество записей без ухудшения аппаратного обеспечения.

Что касается запоминающих устройств на основе DRAM: взгляните на Gigabyte i-RAM (обратите внимание на перезаряжаемую литий-ионную батарею, которая некоторое время делает ее энергонезависимой)

На самом деле, ОЗУ, строго говоря, НЕ ДОЛЖНА быть нестабильной, но для удобства мы обычно так и делаем. См. Magnetic Ram в Википедии ( http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetoresistive_random-access_memory ), чтобы узнать об одной потенциальной энергонезависимой технологии ОЗУ, хотя для практического использования она все еще нуждается в дальнейшей разработке.

Преимуществом DRAM является размер. Это чрезвычайно простая технология, которая имеет очень быстрые характеристики чтения-записи, но, как следствие, является нестабильной. Флэш-память имеет хорошие характеристики чтения, но КРАСНО МЕДЛЕННА по сравнению с тем, что необходимо для ОЗУ.

Статическая ОЗУ обладает чрезвычайно хорошими характеристиками чтения-записи и довольно низким энергопотреблением, но имеет большое количество компонентов по сравнению с DRAM и, следовательно, намного дороже. (Большее влияние на кремний = больше отказов + меньшее количество чипов на кристалл = больше затрат) Это также нестабильно, но даже небольшая батарея может питать его в течение некоторого времени, что делает его своего рода псевдо-NVRAM, если бы не было затратным вопрос.

Будь то MRAM или какая-то другая технология, вполне вероятно, что когда-нибудь в будущем мы найдем способ обойти текущую потребность в многоуровневых структурах памяти, которые замедляют работу компьютеров, но мы просто еще не пришли. Тем не менее, даже когда наступит эта эра, вероятно, нам все еще потребуется какое-то множество надежных (читай: МЕДЛЕННЫХ) носителей для долгосрочного хранения архивных данных.

Как уже упоминалось многими, современная оперативная память является энергозависимой только по конструкции, а не по требованию. У SDRAM и DDR-SDRAM есть дополнительные проблемы, связанные с необходимостью обновления для сохранения надежности в работе. Это просто природа модулей динамической памяти. Но я не мог не задаться вопросом, есть ли другой доступный вариант. Какие типы памяти существуют, которые могут соответствовать критериям? В этом пошаговом руководстве я рассмотрю только память, доступную для чтения / записи во время выполнения. Это приводит к отключению ROM, PROM и других одноразовых чипов - они должны быть неизменными после программирования.

Если мы немного приблизимся к энергонезависимой стороне спектра, мы встретим SRAM на этом пути - но его энергонезависимость весьма ограничена. На самом деле, это просто остаток данных. Обновление не требуется, но оно обязательно сбросит данные, если питание отключено на слишком долгое время. В дополнение к этому, это также немного быстрее, чем DRAM - пока вы не достигнете размера ГБ. Из-за увеличенного размера ячеек памяти (6 транзисторов на ячейку), по сравнению с DRAM, жизнеспособность преимущества скорости SRAM начинает уменьшаться с увеличением размера используемой памяти.

Далее идет BBSRAM - SRAM с батарейным питанием. Этот тип памяти является модифицированной версией SRAM, которая использует батарею, чтобы стать энергонезависимой в случае сбоя питания. Однако это создает некоторые проблемы. Как утилизировать батарею, когда она готова? И разве SRAM сама по себе уже не достаточно велика? Добавление схемы управления питанием и батареи в микшерную линию только уменьшает объем пространства, которое можно использовать для реальных ячеек памяти. Я также не помню, чтобы батарейки играли хорошо при длительном воздействии тепла ...

Далее, к энергонезависимой стороне спектра, теперь мы видим EPROM. «Но подождите», спросите вы, «разве EPROM также не используется один раз?» Нет, если у вас есть ультрафиолетовый свет и желание рисковать. EPROM могут быть переписаны при воздействии ультрафиолетового излучения. Тем не менее, они, как правило, упакованы в непрозрачный корпус после того, как запрограммированы - это должно произойти в первую очередь. Очень непрактично, видя, что это не может быть переписано во время выполнения, внутри цепи. И вы не сможете ориентироваться на отдельные адреса / ячейки памяти - только стереть. Но EEPROM может помочь ...

EE означает электрически стираемое. Это открывает дверь для операций записи, происходящих в цепи на один раз (по сравнению с ПЗУ, ППЗУ и СППЗУ). Однако EEPROM используют транзисторы с плавающим затвором. Это приводит к постепенному накоплению захваченных электронов, что в конечном итоге сделает ячейки памяти неработоспособными. Или ячейки памяти могут столкнуться с потерей заряда. Это приводит к тому, что ячейка остается в стертом состоянии. Это запланированный смертный приговор - не то, что вы искали.

MRAM следующий в списке. В качестве бита используется магнитный туннельный переход, состоящий из постоянного магнита в паре со сменным магнитом (разделенным тонким слоем изоляции). Согласно Википедии ,

« Простейший метод считывания достигается путем измерения электрического сопротивления ячейки. Определенная ячейка (как правило) выбирается путем питания соответствующего транзистора, который переключает ток от линии питания через ячейку к земле. Из-за туннельного магнитосопротивления электрическое сопротивление ячейки изменяется из-за относительной ориентации намагниченности в двух пластинах. Измеряя результирующий ток, можно определить сопротивление внутри любой конкретной ячейки, и исходя из этого полярность намагниченности записываемой пластины ».

Эта форма памяти основана на различиях в сопротивлении и измерении напряжения, а не на зарядах и токах. Он не нуждается в зарядном насосе, который помогает сделать его работу менее энергоемкой, чем DRAM, особенно для вариантов на основе STT. MRAM имеет множество преимуществ в своем дизайне, включая плотность памяти, сопоставимую с DRAM; производительность и скорость сопоставимы с SRAM в ограниченных тестовых случаях; энергопотребление значительно ниже, чем у DRAM; и отсутствие ухудшения из-за повторяющихся операций чтения / записи. Это сделало MRAM в центре внимания как исследователей, так и ученых, что способствовало его развитию. Фактически, это также рассматривается как возможный кандидат на « универсальную память ». Тем не менее, потрясающие затраты на этот тип памяти все еще очень высоки,другие варианты - те, которые выглядят немного громоздкими на данный момент.

Я мог бы перейти на сегнетоэлектрическую оперативную память, но это довольно печальный вариант. F-RAM похожа на DRAM по конструкции - просто замените диэлектрический слой на сегнетоэлектрический материал. Он имеет более низкое энергопотребление, приличную выносливость при чтении / записи - но преимущества после этого уменьшаются. У него гораздо более низкая плотность хранения, прямой объем памяти, деструктивный процесс чтения (требующий изменений в любой интегральной микросхеме с учетом арки записи после чтения) и более высокая общая стоимость. Не красивое зрелище.

Последние варианты на спектре являются SONOS , CBRAM и флэш-память (NAND Flash, NOR основе и т.д.). Общее хранилище, похожее на SSD, не сократит его, поэтому мы не можем найти жизнеспособных вариантов в конце этого спектра. Как SONOS, так и Flash-RAM страдают от проблем ограниченных скоростей чтения / записи (используемых в основном для постоянного хранения - не оптимизированных для скоростей, подобных оперативной памяти), необходимости записи в блоках и ограниченного числа циклов чтения / записи перед тем, как сказать: доброй ночи'. Они могут быть хороши для пейджинга, но они точно не будут работать для высокоскоростного доступа. CBRAM также слишком медленный для ваших целей.

Будущее этой охоты выглядит мрачным в настоящее время. Но не бойтесь - я оставил несколько почетных упоминаний для вашего личного чтения. T-RAM (Thysistor-RAM), Z-RAM и nvSRAM также являются возможными кандидатами. Хотя и T-RAM, и Z-RAM время от времени нуждаются в обновлении (по сравнению с DRAM, SDRAM и DDR-SDRAM), nvSRAM не требует таких требований. Все три из этих опций имеют либо лучшую плотность памяти, лучшие скорости чтения / записи и / или лучшие показатели энергопотребления. Им также не нужны батареи - это большой плюс (BBSRAM плачет в углу). При более внимательном рассмотрении nvSRAM создается впечатление, что мы нашли жизнеспособного кандидата на замену страшной DDR-SDRAM.

Но скоро (по крайней мере, для тех, кто решил прочитать это далеко), мы все будем плакать в наших собственных отдельных углах - в дополнение к тем же проблемам с размером, что и SRAM, nvSRAM также недоступен в достаточно больших модулях для использования в качестве подходящая замена DDR-SDRAM. Варианты есть, но они еще не готовы к производству (например, MRAM) или просто никогда не будут (nvSRAM). И прежде чем вы спросите, Gigabyte i-RAM тоже не работает - он работает только через интерфейс SATA, создавая узкое место в производительности. У этого также есть батарея. Я думаю, что мы все должны смотреть на то, где память может идти дальше ? Полагаю, горько-сладкий конец.

• Для памяти большой емкости нужны маленькие индивидуальные ячейки памяти. Простой конденсатор, который держит 1 заряд или 0 заряд, может быть намного меньше, чем сложная логика в энергонезависимой памяти и быстрее.

• Пополнение пропущенной суммы является аппаратно-независимым циклом. Эта логика выполнена таким образом, что процессор обычно беспрепятственно.

• Отключение питания с другой стороны останавливает обновление. Так что да, требуется полная перезагрузка при загрузке или спящем режиме.

• Большая емкость для того же размера, выигрывает голосование.

Оперативная память 8 ГБ = 8,589,934,592 байт х 8 бит = 68,719,476,736 бит (ячейки - без проверки четности)

Чтобы ответить на вопрос - это не так!

Энергонезависимая память с произвольным доступом Из Википедии, свободной энциклопедии Энергонезависимая память с произвольным доступом (NVRAM) - это память с произвольным доступом, которая сохраняет свою информацию при отключении питания (энергонезависимая). Это отличается от динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) и статической памяти с произвольным доступом (SRAM), которые поддерживают данные только до тех пор, пока подается питание. Самая известная форма памяти NVRAM сегодня - это флэш-память. Некоторые недостатки флэш-памяти включают требование записывать ее большими блоками, чем многие компьютеры могут автоматически решать, и относительно ограниченный срок службы флэш-памяти из-за ее конечного числа циклов записи-стирания (большинство потребительских флэш-продуктов на момент написания могут выдержать только около 100 000 перезаписей, прежде чем память начнет ухудшаться). Другим недостатком являются ограничения производительности, не позволяющие флэш-памяти соответствовать времени отклика, а в некоторых случаях - произвольная адресация, предлагаемая традиционными формами ОЗУ. Несколько новых технологий пытаются заменить флэш-память в определенных ролях, а некоторые даже претендуют на то, чтобы быть действительно универсальной памятью, предлагая производительность лучших устройств SRAM с энергонезависимой флэш-памятью. На сегодняшний день эти альтернативы еще не стали мейнстримом.

Источник: вики-страница NVRAM

Строго говоря, оперативная память не должна быть энергозависимой. В компьютерах использовалось несколько форм энергонезависимой оперативной памяти. Например, память с ферритовым ядром была доминирующей формой ОЗУ (выступающей в качестве основного хранилища, откуда процессор брал информацию напрямую) в 50-х вплоть до 70-х годов, когда транзисторная монолитная память стала преобладающей.

Я считаю, что IBM также назвала жесткий диск хранилищем с произвольным доступом, поскольку он отличался от хранилища с последовательным доступом, такого как магнитная лента. Разница сравнима с кассетой и виниловой записью - вам нужно просмотреть всю ленту, прежде чем вы сможете перейти к последней песне, тогда как вы можете просто переставить булавку в любое место на записи, чтобы начать прослушивание оттуда.