不揮発性ランダムアクセスメモリ

不揮発性ランダムアクセスメモリ( NVRAM ) は、電源を供給しなくてもデータを保持するランダムアクセスメモリです。これは、電源が供給されている間だけデータを保持するダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM) やスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)、またはランダムアクセスはできないが電力が供給されなくてもデータを無期限に保持する 磁気テープなどのシーケンシャルアクセスメモリとは対照的です。

読み取り専用メモリデバイスは、自動車の点火システム制御や家電製品などの組み込みシステムのシステムファームウェアを保存するために使用できます。また、コンピュータ システムのブートストラップに必要な初期プロセッサ命令を保持するためにも使用されます。NVRAM などの読み取り/書き込みメモリは、キャリブレーション定数、パスワード、またはセットアップ情報を保存するのに使用でき、マイクロコントローラに統合することもできます。

コンピュータシステムのメインメモリが不揮発性であれば、停電後のシステム起動時間が大幅に短縮される。現在存在する半導体不揮発性メモリは、メモリサイズ、消費電力、動作寿命に制限があり、メインメモリとしては実用的ではない。不揮発性メモリチップをシステムのメインメモリ、つまり永続メモリとして使用する開発が進められている。2021年にはNVDIMM-Pと呼ばれる永続メモリの標準規格が公開された。^{[1] [2] [3]}

初期のコンピュータの中には、構造上不揮発性だった磁気ドラムを使用したものもありました。1950 年代後半に、業界は磁気コア メモリに移行しました。磁気コアメモリは、小さな磁石の極性にデータを保存します。磁石は電源を切っても状態が保持されるため、コア メモリも不揮発性でした。真空管やソリッド ステートフリップフロップ、ウィリアムズ チューブ、半導体メモリ (スタティック RAM またはダイナミック RAM) など、他の種類のメモリでは、データを保持するために一定の電力が必要でした。

1970 年代の半導体製造の進歩により、磁気コア メモリではコストや密度の点でかなわない新世代のソリッド ステートメモリが誕生しました。今日では、ダイナミック RAM が一般的なコンピュータのメイン メモリの大部分を占めています。多くのシステムでは、少なくともいくらかの不揮発性メモリが必要です。デスクトップ コンピュータでは、オペレーティング システムをロードするために必要な命令を永続的に保存する必要があります。自動車のエンジン制御コンピュータなどの組み込みシステムでは、電源が切れても命令を保持する必要があります。多くのシステムでは、これらの役割のために RAM と何らかの形式の ROM を組み合わせて使用​​していました。

カスタムROM集積回路は 1 つの解決策でした。メモリの内容は集積回路の製造に使用された最後のマスクのパターンとして保存されるため、完成後は変更できませんでした。

PROM はこの設計を改良したもので、チップをエンドユーザーが電気的に書き込むことができるようになりました。PROM は、最初はすべて単一の値 (たとえば 1) に設定されている一連のダイオードで構成されています。通常よりも高い電力を印加すると、選択したダイオードが焼き切れ(ヒューズのように)、そのビットが永久に 0 に設定されます。PROM により、プロトタイプの作成と少量生産が容易になりました。多くの半導体メーカーは、マスク ROM 部品の PROM バージョンを提供し、マスク ROM を注文する前に開発ファームウェアをテストできるようにしました。

現在、NV-RAM とEEPROMメモリの両方で最もよく知られている形式はフラッシュメモリです。フラッシュメモリの欠点としては、多くのコンピュータが自動的にアドレス指定できるよりも大きなブロックで書き込む必要があること、書き込みと消去のサイクル数が限られているためフラッシュメモリの寿命が比較的限られていること (2010 年 1 月の時点で、ほとんどの民生用フラッシュ製品は、メモリが劣化し始めるまで約 10 万回の書き換えしか耐えられません) ^[要出典]などがあります。もう 1 つの欠点は、パフォーマンスの制限により、フラッシュが従来の RAM の応答時間と、場合によってはランダム アドレス指定機能に匹敵できないことです。いくつかの新しいテクノロジが、特定の役割でフラッシュを置き換えようとしており、中には、最高の SRAM デバイスのパフォーマンスとフラッシュの不揮発性を備えた、真にユニバーサルなメモリであると主張するものさえあります。2018 年 6 月現在、これらの代替手段はまだ主流になっていません。

本物の RAM のようなパフォーマンスと不揮発性を必要とする人は、通常、従来の RAM デバイスとバッテリー バックアップを使用する必要があります。たとえば、IBM PC およびIBM PC AT以降の後継機では、不揮発性 BIOS メモリ( CMOS RAMまたはパラメーター RAMと呼ばれることが多い)が使用されていました。これは、初期の他のマイクロコンピュータ システム (たとえば、選択したブート ボリュームなどの基本的なセットアップ情報を保存するためにバッテリーで駆動する少量のメモリを使用) では一般的なソリューションでした。 (オリジナルの IBM PC および PC XT では、代わりに DIP スイッチを使用して最大 24 ビットのシステム構成データを表していました。DIP または類似のスイッチは、1970 年代と 1980 年代に非常に少量のデータ (通常は 8 バイト以下) に広く使用されていた、別の原始的なタイプのプログラム可能な ROM デバイスです。) IBM PC アーキテクチャが業界標準化される前は、他のマイクロコンピュータ モデルでバッテリ バックアップ RAM がより広範に使用されていました。たとえば、TRS-80 Model 100 /Tandy 102 では、メイン メモリ (最小 8 KB、最大 32 KB) はすべてバッテリ バックアップ SRAM です。また、1990 年代には、多くのビデオ ゲーム ソフトウェア カートリッジ ( Sega Genesisなどのコンソール用など) に、保存したゲーム、ハイ スコア、および同様のデータを保持するためのバッテリ バックアップ RAM が搭載されていました。また、一部のアーケード ビデオ ゲーム キャビネットには、オンザフライでゲーム ソフトウェアを復号化するためのキーを含むバッテリ バックアップ RAM を含む CPU モジュールが含まれています。はるかに大容量のバッテリバックアップメモリ​​は、新しい NVRAM デバイスがまだ満たしていないパフォーマンス レベルを必要とする 高速データベースのキャッシュとして今日でも使用されています。

NVRAM 技術の大きな進歩は、フローティング ゲート MOSFETトランジスタの導入であり、これにより消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ( EPROM ) が導入されました。EPROM は、ゲート端子 (スイッチ) が高品質の絶縁体で保護されたトランジスタのグリッドで構成されています。通常よりも高い電圧をかけて電子をベースに押し出すと、電子は絶縁体の反対側に捕捉され、トランジスタが恒久的にオンになります (1)。EPROM は、紫外線(UV)を当てることでベース状態(設計に応じてすべて 1 または 0)にリセットできます。UV光子には、電子を絶縁体を通して押し出し、ベースを基底状態に戻すのに十分なエネルギーがあります。その時点で、EPROM を最初から書き直すことができます。

EPROM の改良版であるEEPROM がすぐに登場しました。追加の E は電気的にを意味し、UV の代わりに電気を使用して EEPROM をリセットできることを意味し、これによりデバイスの実際の使用がはるかに簡単になりました。ビットは、トランジスタの他の端子 (ソースとドレイン) を介してさらに高い電力を印加することでリセットされます。この高電力パルスは、実際には、絶縁体を通して電子を吸い取り、絶縁体を基底状態に戻します。ただし、このプロセスにはチップの機械的劣化という欠点があるため、一般にフローティングゲート トランジスタに基づくメモリ システムの書き込み寿命は短く、特定のビットへの書き込みは 10 ⁵回程度です。

書き換え回数の制限を克服する1つの方法は、各ビットがEEPROMビットによってバックアップされる標準SRAMを使用することです。通常の動作では、チップは高速SRAMとして機能し、電源障害が発生した場合、コンテンツはEEPROM部分にすばやく転送され、次の電源投入時にそこからロードされます。このようなチップは、製造元によって NOVRAM ^[4]と呼ばれていました。

フラッシュ メモリの基本はEEPROM と同一ですが、内部レイアウトが大きく異なります。フラッシュでは、メモリをブロック単位でのみ書き込むことができるため、内部配線が大幅に簡素化され、高密度化が可能になります。メモリ ストレージ密度は、ほとんどのコンピュータ メモリ システムにおけるコストの主な決定要因であり、このため、フラッシュは入手可能なソリッド ステート メモリ デバイスの中で最も低コストの 1 つに進化しました。2000 年頃から、ますます大量のフラッシュに対する需要が高まり、メーカーは密度を可能な限り高めるために最新の製造システムのみを使用するようになりました。製造の限界が影響し始めていますが、新しい「マルチ ビット」技術により、既存の線幅でも密度を 2 倍または 4 倍にすることができるようです。

フラッシュと EEPROM の書き込みサイクルの制限は、実際の RAM のような用途では深刻な問題です。さらに、セルへの書き込みに必要な高電力は、NVRAM がよく使用される低電力用途では問題となります。また、チャージ ポンプと呼ばれるデバイスで電力を蓄積するのにも時間がかかるため、書き込みは読み取りよりも大幅に遅くなり、1,000 倍も遅くなることがよくあります。これらの欠点に対処するために、いくつかの新しいメモリ デバイスが提案されています。

現在までに、広く生産されている唯一のシステムは強誘電体 RAM、つまり F-RAM (FeRAM と呼ばれることもある) です。F-RAM はDRAMと構造が類似したランダム アクセス メモリですが、(DRAM のような誘電体層の代わりに)一般に PZT と呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛[ Pb(Zr,Ti)O ₃ ] の薄い強誘電体膜が含まれています。PZ​​T 内の Zr/Ti 原子は電界内で極性を変え、それによってバイナリ スイッチを生成します。RAM デバイスとは異なり、F-RAM は PZT 結晶が極性を維持するため、電源がオフまたは中断されてもデータ メモリを保持します。この結晶構造とその影響により、F-RAMは、極めて高い耐久性（3.3 Vデバイスで10 ¹⁶アクセスサイクルを超える）、超低消費電力（F-RAMは他の不揮発性メモリのようにチャージポンプを必要としないため）、シングルサイクル書き込み速度、ガンマ線耐性など、他の不揮発性メモリオプションとは異なる特性を備えています。^[5] Ramtron Internationalは、強誘電体RAM （F-RAM）の開発、製造、ライセンス供与を行っており、F-RAMテクノロジのライセンス供与と製造を行っている他の企業には、Texas Instruments、Rohm、Fujitsuなどがあります。

大きな開発努力が見られるもう一つのアプローチは、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（MRAM）です。これは、磁気素子を使用し、少なくとも第1世代の技術では、一般的にコアと同様の方法で動作します。現在までに生産に入ったMRAMチップは、Everspin Technologiesの4Mビット部品のみで、クロスポイントフィールド誘導書き込みを利用する第1世代MRAMです。^[6]現在、2つの第2世代技術が開発中です。Crocus Technologyが開発している熱アシストスイッチング（TAS）^[7]と、Crocus、Hynix、IBM、およびその他のいくつかの企業が取り組んでいるスピントランスファートルク（STT）です。 ^[8] STT-MRAMは、第1世代よりもはるかに高い密度を可能にしているように見えますが、FeRAMと同じ理由、つまりフラッシュ市場における大きな競争圧力により、フラッシュに遅れをとっています。

実験段階を越えた開発が期待されるもう 1 つのソリッド ステート技術は、相変化 RAM (PRAM) です。PRAM は書き込み可能なCDやDVDと同じストレージ メカニズムに基づいていますが、光学特性の変化ではなく電気抵抗の変化に基づいて読み取ります。しばらくの間ダーク ホースとみなされていましたが、2006 年にSamsung は、 MRAM や FeRAM よりも大幅に容量が大きい 512 Mbit の部品の提供を発表しました。これらの部品の面密度は、最新のフラッシュ デバイスよりもさらに高いようです。全体的なストレージ容量が低いのは、マルチビット エンコーディングがないためです。この発表に続いて、IntelとSTMicroelectronicsが、10 月に開催された 2006 Intel Developer Forumで独自の PRAM デバイスをデモしました。

インテルとマイクロンテクノロジーは、3D XPoint 、Optane、QuantXという名前でPRAMデバイスを販売する合弁事業を行っていたが、2022年7月に廃止された。^{[9] [10]}

STMicroelectronics は、自動車用途向けの相変化メモリデバイスを製造しています。

おそらく最も革新的なソリューションの 1 つは、 IBMが開発したミリピード メモリです。ミリピードは、本質的には、面密度を劇的に高めるためにナノテクノロジーを使用してレンダリングされたパンチ カードです。ミリピードは 2003 年にはすでに導入される予定でしたが、開発中の予期しない問題により 2005 年まで延期され、その時点ではフラッシュと競合できなくなっていました。理論上、このテクノロジは 1 Tbit/in ² (≈155 Gbit/cm ² ) のオーダーのストレージ密度を提供します。これは、現在使用されている最高のハード ドライブテクノロジよりも高いものです(垂直記録は2011 年 12 月時点で636 Gbit/in ² (≈98.6 Gbit/cm ^{2 ) を実現しています[11]} )。ただし、将来的には、熱アシスト磁気記録とパターン化メディアを組み合わせることで、10 Tbit/in ^{2 [12]} (≈1.55 Tbit/cm ² )の密度をサポートできるようになります。しかし、これほど大きなメモリの読み取りおよび書き込み時間は遅いため、このテクノロジは高速 RAM のような用途ではなく、ハード ドライブの代替品としてしか利用できないようです。ただし、フラッシュについてもほぼ同じことが当てはまります。

（ハフニウム酸化物ベースの）強誘電体の別の用途は、電界効果トランジスタのゲートとデバイスの間に強誘電体を使用するFe FETベースのメモリです。このようなデバイスは、 HKMG （高 L メタルゲート）ベースのリソグラフィーと同じ技術を使用し、特定のプロセスノードで従来の FET と同じサイズにスケーリングできるという利点があるとされています。2017 年現在、 22 nmで 32M ビットのデバイスが実証されています。

• NOVA (ファイルシステム)
• スピン伝達トルク
• スピントロニクス
• UEFI

• 永続メモリでのファイルシステムのサポート、LWN.net、2014 年 9 月 2 日、Jonathan Corbet 著