計算機、游戲機、電信、汽車、工業系統以及無數電子設備和系統都依賴于各種形式的固態存儲器進行操作。設計人員需要了解易失性和非易失性存儲器件的各種選項,以優化系統性能。
一種稱為持久存儲器 (PMEM) 的新型固態存儲器,為設計人員提供了優化系統性能的第三種選擇。PMEM 預計不會取代其他形式的固態內存或存儲設備。盡管如此,在某些應用中,PMEM 可以提供更快的啟動時間、更快地訪問內存中的大型數據集以及更低的擁有成本。
動態隨機存取存儲器
動態隨機存取存儲器 (DRAM) 最常用作 CPU、GPU、MCU 和其他類型處理器的主存儲器。DRAM 是一種易失性存儲器,僅在通電時才保留數據。DRAM 的基本構建塊是存儲各個信息位的位單元。
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有多種針對特定應用開發的 DRAM 類型,例如:
- DDR(雙倍數據速率):最初,與單數據速率 DRAM 相比,DDR 內存使用預取來將數據速率加倍。預取是一種有效的技術,可以將一代又一代的數據速率加倍,直至 DDR3。此時,還添加了存儲體分組 (DDR4) 和通道分割 (DDR5) 等其他技術,以支持一代又一代將數據傳輸速率加倍的持續需求。
- LPDDR(低功耗雙倍數據速率):有時稱為 mDDR(移動 DDR),LPDDR 的開發是為了支持平板電腦、手機、SSD 卡、汽車系統等低功耗應用的需求。LPDDR 具有低功耗特性,例如較低的工作電壓和“深度睡眠模式”,與傳統 DDR 存儲器相比可顯著節省功耗。
- GDDR(圖形雙倍數據速率):GDDR 芯片是為支持顯卡而開發的,具有更大的總線并支持更高的 I/O 時鐘速率,可直接與圖形處理器單元 (GPU) 連接。GDDR 還用于一般的高帶寬應用,而不僅僅是 GPU。
DDR5 是最新形式的 DRAM,旨在通過將內存性能提高 85% 以上來支持下一代服務器工作負載。當數據中心系統架構師尋求通過增加內存帶寬和容量來提供快速增長的處理器核心數量時,DDR5 將內存密度提高了一倍,同時提高了可靠性。
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非易失性存儲器
非易失性存儲器(NVM)采用電尋址固態存儲器(各種形式的只讀存儲器)和機械尋址存儲器(硬盤、光盤、磁帶等)的形式,通常稱為存儲。即使電源被移除,NVM 也會保留數據。電氣和機械可尋址方法之間存在權衡。機械可尋址系統的每比特成本要低得多,但訪問時間要慢得多。電可尋址系統速度非常快,但與機械可尋址存儲設備相比,價格昂貴且容量較小。
半導體非易失性隨機存取存儲器 (NVRAM) 和只讀存儲器 (ROM) 通常根據其采用的寫入機制進行分類:
- 掩膜 ROM – 僅可在工廠編程,通常用于大批量產品
- EPROM – 可擦除可編程 ROM,可通過設備上石英窗照射的紫外線進行擦除。
- EEPROM – 電可擦除可編程 ROM,使用外部施加的電壓來擦除數據。
- 閃存 – 與 EEPROM 類似,具有更大的存儲容量,但讀/寫速度更快。
- F-RAM – 鐵電 RAM(一種早期技術)的結構與 DRAM 類似;兩者都使用電容器和晶體管。盡管如此,F-RAM 單元并不使用電容器的介電層,而是包含一層鋯鈦酸鉛鐵電薄膜,即使在電源中斷時,它也可以改變極性并在狀態之間切換并保留數據。
- MRAM – 磁阻 RAM(一種早期技術)將數據存儲在稱為磁隧道結 (MTJ) 的磁性存儲元件中。
持久記憶
持久內存 (PMEM) 是高性能固態內存,比閃存等非易失性內存更快,并且比 DRAM 更便宜。由 Micron 等公司提供的非易失性雙列直插內存模塊 (NVDIMM) 和 Intel 3D XPoint DIMM(也稱為 Optane DC 持久內存模塊)是 PMEM 的兩個示例。
英特爾傲騰等持久內存模塊在成本和性能方面介于 DRAM 和 SSD 之間
PMEM 是第三種內存選項。它具有與存儲(例如 SSD 和磁盤驅動器)類似的方面,以及一些與易失性和非易失性存儲器類似的方面。預計它不會取代存儲或內存。盡管如此,它還是為系統設計人員提供了一個額外的工具,可以提供更快的啟動時間、更快地訪問內存中的大型數據集以及更低的擁有成本。
持久內存的主要優點包括:
- 訪問延遲低于閃存 SSD。
- 與閃存相比,吞吐量有所提高。
- 與閃存一樣,斷電后數據仍保留在內存中。
- PMEM 的成本比 DRAM 低。
- PMEM 是可緩存的。
- 提供對數據的實時訪問;支持快速訪問大型數據集。
最近的標準發展
JEDEC于2020年7月發布了最新的JESD79-5 DDR5 SDRAM標準。該標準滿足了密集型云和企業數據中心應用驅動的需求,為開發人員提供兩倍的性能和大幅提高的功效。
JEDEC DDR4 標準于 2020 年 1 月更新,旨在提供更高的性能、更高的可靠性和更低的功耗,從而相對于以前的 DRAM 內存技術取得了重大成就。
雖然上述兩個標準由 JEDEC 委員會 JC-42 維護,但 JESD21-C 標準“固態存儲器配置”由 JEDEC 委員會 JC-41 維護。JC-41 擁有廣泛而活躍的會員,該標準以活頁夾格式發布,以適應頻繁的更新和更改。
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