[科普中国]-非易失性存储器技术

非易失性存储器技术是在关闭计算机或者突然性、意外性关闭计算机的时候数据不会丢失的技术。非易失性存储器技术得到了快速发展，非易失性存储器主要分为块寻址和字节寻址两类。

非易失性存储器技术简介很多存储系统的写操作程序中，内存作为控制器和硬盘之间的重要桥梁，提供更快速的性能，但是如果发生突然间断电的情况，如何保护内存中的数据不丢失，这是存储系统中老生常谈的议题。易失性存储器就是在关闭计算机或者突然性、意外性关闭计算机的时候，里面的数据会丢失，就像内存。非易失性存储器在上面的情况下数据不会丢失，像硬盘等外存。

发展沿革近年来，非易失性存储器（nonvolatile memory，NVM）技术得到了快速发展。非易失性存储器主要分为块寻址和字节寻址两类。以闪存（flashmemory）为代表的块寻址非易失性存储器已经广泛应用于嵌入式系统、桌面系统及数据中心等系统中。字节寻址的非易失性存储器主要包括相变存储器（phase change memory，PCM）、阻变存储器（resistive random- accessmemory，RRAM）、自旋矩存储器（spin-transfer torque RAM，STT- RAM）等 。而在字节寻址的非易失性存储技术方面，NVDIMM是已经商用的一种模拟持久性内存存储器件。NVDIMM采用闪存与DRAM（动态随机存储器）的混合形式，并采用电容或后备电源保证DRAM数据掉电不丢，以模拟持久性内存。2015年，英特尔与镁光公司联合发布的3D XPoint存储技术，是最接近商用的、真正意义上的、字节寻址的非易失性存储器。随着非易失性存储器硬件技术的成熟，基于非易失性器件构建存储系统成为当前的研究热点之一。

在应用方面，高性能计算和大数据分析对数据的存储与处理的要求越来越高，对非易失性存储器的使用有着迫切的需求。数据密集型应用的比例逐渐超越计算密集型应用，成为了计算机系统中的主流应用。然而，外存存储性能的提升远远落后于计算性能的提升，传统存储系统的性能远不能满足高性能计算与大数据应用的需求。为此，非易失性存储器因具有性能高、能耗低和体积小等优点，对于数据密集型应用的性能提升具有重要意义。然而，传统存储系统的构建方式不仅不利于发挥非易失性存储器在性能方面优势，还暴露了易失性存储器在耐久性（使用寿命）、读写不对称等方面的劣势。1

锂电池在非易失性存储系统中的应用锂电池具有高存储能量密度、额定电压高的优点。能量密度大约是铅酸电池的6~7倍，更能满足较长时间的备电要求，锂电池的端电压大小一般为3.6V，便于组成电池电源组。锂电池自放电率很低，高低温适应性强。

业界厂商通过铿电池在断电情况下保护内存中的数据72小时不丢失，为消除时间限制，各大厂商又推出锂电池+闪存芯片的技术，如图所示。

在断电的情况下，锂电池提供电量，将内存中的数据写入到闪存芯片中，这样有效保护内存中的数据。2

NVDIMM在非易失性存储系统中的应用超级电容是近年发展起来的一种新型储能元件，主要是通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但是在其储能的过程中并不发生化学反应，这个工程是可逆的。用于存储电荷的面积越大，分离出的电荷越密集，其电容量越大。

非易失性内存（NVDIMM）是一项蓬勃发展的实用存储技术，其系统架构如图所示。

通过整合DRAM、Flash、智能系统控制器以及超级电容模块，NVDIMM可以提供一个高度稳定的存储子系统。它既保留了最快DRAM的低延迟和无读写次数限制特性，又获得了Flash的数据长期保存特性。而采取超级电容作为供电设备，则避免了电池的环境污染，充电时间长，价格昂贵等缺点。NVDIMM的设计使其可以轻松插人符合行业标准的服务器和存储平台的DIMM插槽，则无需在主板中为其留取安放位置，可以轻松扩展现有装置的性能。

NVDIMM通过与超级电容的有效结合，最终达到非易失性复合记忆的目标，它正得到越来越多的厂家关注和投入其中。系统正常运行时，超级内存表现为普通DRAM，但在掉电时，由超级电容供电数秒，NVDIMM能迅速将内存数据转移到闪存中。当电力恢复后，NVDIMM能快速还原数据，系统瞬间恢复至掉电前的工作状态继续工作，从而达到了掉电保护的目的。2

新型的非易失性存储器RRAM，又称为忆阻器，为制造非易失性存储设备，模拟人类大脑处理信息的方式铺平了道路。RRAM由两个金属电极夹一个薄介电层组成，在正常状态下它是绝缘体，它以纳米器件加工技术为基础是一种有记忆功能的非线性电阻。

每个忆阻器有一个底部的导线与器件的一边接触，一个顶部的导线与另一边接触。忆阻器是一个由两个金属电极夹着的氧化钦层构成的双端，双层交叉开关结构的半导体。其中一层氧化钦掺杂了氧空位，成为一个半导体；相邻的一层不掺杂任何东西，让其保持绝缘体的自然属性，通过检测交叉开关两端电极的阻性，就能判断RRAM的“开”或者“关”状态，如图所示。

忆阻器除了其独特的“记忆”功能外，有两大特性使其被业界广泛看好。一是其具有更短的存储访问时间，更快的读写速度，其整合了闪存和DRAM的部分特性;二是其存储单元小和制造工业可以升级，忆阻器的尺寸可以做到几个纳米，很有可能将微电子技术的发展带人到下一个十年，而且其可以与CMOS技术相兼容等优势，是下一代非易失性存储技术的发展趋势。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学