不揮発性メモリ

不揮発性メモリ( NVM ) または不揮発性ストレージは、電源を切っても保存された情報を保持できるコンピュータ メモリの一種です。対照的に、揮発性メモリはデータを保持するために一定の電力を必要とします。

不揮発性メモリは通常、メモリ チップ内のストレージを指し、NAND フラッシュやソリッドステート ドライブ (SSD)などのフラッシュ メモリストレージを含む、フローティング ゲート MOSFET (金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)で構成されるフローティング ゲート メモリ セルにデータを保存します。

不揮発性メモリの他の例としては、読み取り専用メモリ（ROM）、EPROM（消去可能プログラマブルROM）、EEPROM（電気的に消去可能なプログラマブルROM）、強誘電体RAM、ほとんどの種類のコンピュータデータストレージデバイス（ディスクストレージ、ハードディスクドライブ、光ディスク、フロッピーディスク、磁気テープなど）、パンチテープやカードなどの初期のコンピュータストレージ方法などがあります。^[1]

不揮発性メモリは、通常、二次ストレージまたは長期の永続ストレージのタスクに使用されます。今日^{[現在? ]最も広く使用されている}一次ストレージの形式は、揮発性のランダム アクセス メモリ(RAM)です。つまり、コンピューターをシャットダウンすると、RAM に格納されているものはすべて失われます。ただし、ほとんどの不揮発性メモリには、一次ストレージとして使用するには適さない制限があります。通常、不揮発性メモリは、揮発性ランダム アクセス メモリに比べてコストが高く、パフォーマンスが低く、寿命が限られています。

不揮発性データストレージは、電気的にアドレス指定されるシステム（フラッシュメモリ、読み取り専用メモリなど）と機械的にアドレス指定されるシステム（ハードディスク、光ディスク、磁気テープ、ホログラフィックメモリなど）に分類できます。^{[2] [3]}一般的に、電気的にアドレス指定されるシステムは高価で、容量も限られていますが高速です。一方、機械的にアドレス指定されるシステムはビットあたりのコストは安いですが、速度は遅くなります。

電気的にアドレス指定される半導体不揮発性メモリは、書き込みメカニズムに応じて分類できます。

マスク ROM は工場でのみプログラム可能であり、通常はメモリ デバイスの製造後に更新する必要のない大量生産製品に使用されます。

プログラマブル読み取り専用メモリ(PROM) は、メモリ デバイスが製造された後、 PROM プログラマを使用して 1 回だけ変更できます。プログラミングは、デバイスがターゲット システム (通常は組み込みシステム) にインストールされる前に行われることがよくあります。プログラミングは永続的であり、さらに変更するにはデバイスの交換が必要です。データは、デバイス内のストレージ サイトを物理的に変更 (書き込み) することによって保存されます。

EPROMは、複数回変更できる消去可能な ROM です。ただし、EPROM に新しいデータを書き込むには、特別なプログラマ回路が必要です。EPROM には、紫外線で消去できる石英ウィンドウがありますが、デバイス全体が一度にクリアされます。石英ウィンドウのない EPROM チップを使用して、ワンタイム プログラマブル(OTP) デバイスを実装することもできます。この方の製造コストは低くなります。電気的に消去可能なプログラマブル読み取り専用メモリ ( EEPROM )は、電圧を使用してメモリを消去します。これらの消去可能なメモリ デバイスでは、データを消去して新しいデータを書き込むのにかなりの時間がかかります。通常、ターゲット システムのプロセッサによってプログラムされるようには構成されていません。データはフローティング ゲート トランジスタを使用して保存されますが、情報を保存するために絶縁された制御ゲートに電荷を捕捉または放出するには、特別な動作電圧が必要です。

フラッシュメモリは、外部電源なしで保存データを維持するソリッドステートチップです。EEPROM に近いものですが、消去操作はブロック単位で実行する必要がある点と、EEPROM よりも大幅に容量が大きい点が異なります。フラッシュメモリデバイスは、データをマッピングするために NOR と NAND という 2 つの異なるテクノロジを使用します。NOR フラッシュは、特定のメモリ位置でデータの読み取りと書き込みを行う高速ランダムアクセスを提供します。1 バイトでも取得できます。NAND フラッシュは、ブロック単位でデータを処理して、高速で順次読み取りと書き込みを行います。ただし、NOR と比較すると読み取りが遅くなります。NAND フラッシュは、書き込みよりも読み取りが速く、ページ全体のデータをすばやく転送します。高密度では NOR フラッシュよりも安価で、NAND テクノロジは同じサイズのシリコンでより高い容量を提供します。^[4]

強誘電体 RAM ( FeRAM、F-RAMまたはFRAM ) は、DRAMと構造が類似したランダム アクセス メモリの一種で、どちらもコンデンサとトランジスタを使用しますが、コンデンサという単純な誘電体層を使用する代わりに、 F-RAM セルには、一般に PZT と呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛[Pb(Zr,Ti)O ₃ ]の薄い強誘電体フィルムが含まれています。 PZT 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。 PZT 結晶が極性を維持するため、 F-RAM は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、他の不揮発性メモリとは異なる特性を備えています。例えば、非常に高い（ただし無限ではない）耐久性（ 3.3Vデバイスで¹⁰¹⁶回以上の読み取り/書き込みサイクル）、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、ガンマ線耐性などです。^[5]

磁気抵抗RAMは、磁気トンネル接合（MTJ）と呼ばれる磁気記憶素子にデータを保存します。Everspin Technologiesの4Mbitなどの第1世代のMRAMは、磁場誘導書き込みを利用していました。第2世代は、主に2つのアプローチで開発されています。Crocus Technologyが開発している熱アシストスイッチング（TAS）^[6]と、 Crocus、Hynix、IBM 、およびその他のいくつかの企業が開発しているスピントランスファートルク（STT）です。^[7]

相変化メモリは、カルコゲニドガラスにデータを保存します。カルコゲニドガラスは、ガラスを加熱したり冷却したりすることで、アモルファス状態と結晶状態の間で相を可逆的に変化させることができます。結晶状態は抵抗が低く、アモルファス相は抵抗が高いため、電流のオンとオフを切り替えることでデジタルの1と0の状態を表すことができます。^{[8] [9]}

FeFET メモリは、強誘電体材料を使用したトランジスタを使用して状態を永続的に保持します。

RRAM (ReRAM) は、メモリスタと呼ばれる誘電体固体材料の抵抗を変化させることで機能します。ReRAM では、薄い酸化物層に酸素空孔 (酸素が除去された酸化物結合位置) と呼ばれる欠陥を生成し、その後、電界下で充電およびドリフトすることができます。酸化物内の酸素イオンと空孔の動きは、半導体内の電子と正孔の動きに似ています。

ReRAMは当初フラッシュメモリの代替技術として注目されていましたが、コストと性能面でのReRAMの利点は企業が代替を進めるには不十分でした。明らかに、ReRAMには幅広い材料を使用できます。しかし、一般的な高κゲート誘電体HfO _{2が低電圧ReRAMとして使用できるという発見}^[10]により、研究者はさらなる可能性を調査するようになりました。

機械的にアドレス指定するシステムは、記録ヘッドを使用して指定された記憶媒体の読み取りと書き込みを行う。アクセス時間はデバイス上のデータの物理的な位置に依存するため、機械的にアドレス指定するシステムはシーケンシャルアクセスとなる場合がある。たとえば、磁気テープは長いテープ上にビットのシーケンスとしてデータを保存するため、記憶媒体のどの部分にアクセスするにも記録ヘッドを通過させてテープを移動させる必要がある。テープ媒体はドライブから取り外して保管することができ、取り外したテープを取り出すのに必要な時間を犠牲にして容量を無制限に確保できる。^{[11] [12]}

ハードディスクドライブは、回転する磁気ディスクを使用してデータを保存します。アクセス時間は半導体メモリよりも長くなりますが、保存されたデータビットあたりのコストは非常に低く、ディスク上の任意の場所にランダムにアクセスできます。以前は、取り外し可能なディスクパックが一般的で、ストレージ容量を拡張できました。 光ディスクは、プラスチックディスクの色素層を変更することでデータを保存し、同様にランダムアクセスです。読み取り専用バージョンと読み取り/書き込みバージョンがあります。取り外し可能なメディアでも無制限に拡張でき、いくつかの自動化システム（光ジュークボックスなど）は、直接プログラム制御でディスクを取得およびマウントするために使用されました。^{[13] [14] [15]}

ドメインウォールメモリ（DWM）は磁気トンネル接合（MTJ）にデータを保存し、強磁性ナノワイヤ内のドメインウォール（DW）の動きを制御することによって機能します。 ^[16]

Thinfilmは、強誘電体ポリマーをベースにした書き換え可能な不揮発性有機強誘電体メモリを製造しています。Thinfilmは2009年にロールツーロール印刷メモリの実証に成功しました。^{[17] [18] [19]} Thinfilmの有機メモリでは、強誘電体ポリマーがパッシブマトリックスの2組の電極の間に挟まれています。金属線の交差部はそれぞれ強誘電体コンデンサであり、メモリセルを定義します。

不揮発性メインメモリ（NVMM）は、不揮発性の属性を持つプライマリストレージです。 ^[20]不揮発性メモリのこの用途にはセキュリティ上の課題があります。^[21] NVDIMMは不揮発性メインメモリの一例です。

• 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
• 磁気光データストレージにおける磁性光伝導体の将来的な使用に関する研究論文。