什么是NVRAM？

注：本文转自http://stor-age.zdnet.com.cn/stor-age/2004/0621/399906.shtml

 

什么是NVRAM？

 

在计算机硬件领域，必不可少的一个设备就是存储器，信息化的处理离不开对信息的保存，因此各式各样的存储器也就呈现在我们的面前，而半导体存储器就是其一。

在一台电脑中，我们最熟悉的半导体存储器主要用以下三种：

• 用于存储BIOS信息的EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，电可擦写可编程只读存储器），数据在断电后仍可以保存，近几年用于BIOS存储的Flash RAM（闪存）也是EEPROM的一种。

• 用于存储临时工作数据的DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机访问存储器），数据要通过不断的刷新才能保留，断电后消失。

• 用于在CPU中存储常用指令与数据的SRAM（Static Random Access Memory，静态随机访问存储器），数据无需刷新操作，但断电后消失。

通常的，我们将数据断电后仍能保留的半导体存储器称为“非易失性（或非发挥性）随机访问存储器”——Non-Volatile Random Access Memory，即NVRAM，而像DRAM与SRAM这样的存储器则就称为VRAM。其实，严格的说，非易失性存储器应该叫NVM（Non-Volatile Memory），因为有些存储器的随机访问能力非常弱，但在本文，为了方便讲述则将它们统一称为NVRAM，这也是由于现有和未来的非易失性存储器都具备不错甚至是非常好的随机寻址能力，本文的重点也将围绕它们来展开。

我们今天为什么要讲NVRAM——这个不太令人熟悉的东西呢？因为NVRAM已经是目前乃至未来最重要的存储器之一，其风头甚至盖过了传统的，我们所熟悉的DRAM与SRAM。

由于DRAM与SRAM的VRAM特性，使在数据存储领域中受到了一定的限制。其实每种存储器都有自身的限制，但VRAM特性让这些平时肩负着重要数据中转任务的存储器在某些场合就有些力不从心了。在硬盘领域，都知道有写缓存技术，它的应用过程就是主机向硬盘写数据的时候，当写入写缓存时，对于主机一方来讲就意味着写入完成从而可以进行后面的工作，但如果此时突然断电，那么就意味着在写缓存中的数据丢失而没有真正的写入磁盘中。因此，在网络存储领域，不少磁盘阵列自身都带有不间断电源以保证阵列的缓存（一般都是上GB容量的DRAM）中数据的安全。

另一方面，二十世纪九十年代后，数码掌上设备迅速普及。这些虽然小巧的设备其实就像一个PC，因此可谓五脏俱全。此时必须要有一个能肩负起PC中硬盘角色的存储器应用于掌上设备。但是，传统的硬盘这种磁性介质(Magnetic Media)需要较大、复杂而精细的机构来带动磁头和盘片，容易因为机械上的磨耗或外力冲击而失常。此外，磁盘驱动器需要消耗相当的电力来维持马达和电子驱动电路的操作，即使在现今计算机设计上有许多省电功能(特别是笔记本电脑)，机械式储存设备仍然占了计算机消耗功率中的大部份。显然，这对于小巧的掌上设备而言，并不是非常适合。虽然，现在有1英寸和0.85英寸的硬盘出现，但是用在掌上设备仍不成熟。目前也仅应用到了高端数码相机（DC）这一级别的设备。但是，DC手机、PDA、便携式DC的发展越来越需要大容量的存储器。

相比之下，DRAM与SRAM虽然体积小，不受碰撞的影响，速度也非常快，但不具备NV特性，因此也只能在掌上设备中充当传统内存的角色。显然，这里似乎出现了一个空缺，而这个空缺正好是NVRAM所能弥补的。它具备DRAM与SRAM的物理优点，也具备了硬盘的永久（相对而言）存储的特性，所以在这业界的推动与需求下，它的发展迅速，当传输越来越逼近DRAM而单片容量大幅超过DRAM的时候，人们意识到了它的巨大潜力。如果还不清楚，别的不说（硬盘、光驱、显卡、主板……等设备上都有NVRAM）就看看你的周围有多少在用PDA，有多少人在用主流的DC，又有多少在用手机？在它们的“身体”里肯定都有NVRAM。

在未来，关于DRAM与NVRAM存储器的研究，也似乎有了融合的趋势，起因则在于NVRAM的胃口越来越大，当速度与成本都差不多的时候，NVRAM的独特能力将是DRAM与SRAM的有力挑战者。所以，我们今天关注NVRAM，也是在关注半导体存储器的一个重要分支，而且它会越来越重要。

 

NVRAM的过去

很多人可能都搞不清楚NVRAM所包含的内容，其实业界似乎也没有非常严格而统一的定义，厂商与厂商之间也有不同的分类（有的厂商仍用NVM统称，有的则一直用NVRAM）。但NVRAM肯定是一个统称，凡是具备永久保存数据能力的半导体存储器都可以称之为NVRAM。

从历史上讲，NVRAM共经历了五代产品：

NVRAM的分类

其中，MaskROM就是我们以前在课本上说的光罩式只读存储器，OTP则One Time Programmable ROM（只可编程一次只读存储器），EPROM，就是Erasable Programmable ROM（可擦可编程只读存储器），而EPROM与EEPROM的替代者或者说是结合体就是我们今天所常说的闪存。不过，在一些厂商的资料中，我们发现NVRAM是指带有电池的SRAM，显然这是一种特殊的NVRAM。在中板上，用于存储BIOS设置参数的就是位于芯片组南桥的SRAM，这个SRAM平时由主板上的电池供电，若按这个厂商的说法，这也应该算是NVRAM了。

当今的闪存是EPROM和EEPROM的结合体

小资料：闪存的存储原理

要讲解闪存的存储原理，还是要从EPROM和EEPROM说起。

EPROM是指其中的内容可以通过特殊手段擦去，然后重新写入。其基本单元电路（存储细胞）如下图所示，常采用浮空栅雪崩注入式MOS电路，简称为FAMOS。它与MOS电路相似，是在N型基片上生长出两个高浓度的P型区，通过欧姆接触分别引出源极S和漏极D。在源极和漏极之间有一个多晶硅栅极浮空在SiO2绝缘层中，与四周无直接电气联接。这种电路以浮空栅极是否带电来表示存1或者0，浮空栅极带电后（譬如负电荷），就在其下面，源极和漏极之间感应出正的导电沟道，使MOS管导通，即表示存入0。若浮空栅极不带电，则不形成导电沟道，MOS管不导通，即存入1。

EPROM存储单元（点击放大）

EEPROM基本存储单元电路的工作原理如下图所示。与EPROM相似，它是在EPROM基本单元电路的浮空栅的上面再生成一个浮空栅，前者称为第一级浮空栅，后者称为第二级浮空栅。可给第二级浮空栅引出一个电极，使第二级浮空栅极接某一电压VG。若VG为正电压，第一浮空栅极与漏极之间产生隧道效应，使电子注入第一浮空栅极，即编程写入。若使VG为负电压，强使第一级浮空栅极的电子散失，即擦除。擦除后可重新写入。

EEPROM基本存储单元等效电路的工作原理（点击放大）

闪存的基本单元电路如下图所示，与EEPROM类似，也是由双层浮空栅MOS管组成。但是第一层栅介质很薄，作为隧道氧化层。写入方法与EEPROM相同，在第二级浮空栅加以正电压，使电子进入第一级浮空栅。读出方法与EPROM相同。擦除方法是在源极加正电压利用第一级浮空栅与源极之间的隧道效应，把注入至浮空栅的负电荷吸引到源极。由于利用源极加正电压擦除，因此各单元的源极联在一起，这样，快擦存储器不能按字节擦除，而是全片或分块擦除。

快擦写存储器基本单元等效电路（点击放大）

到后来，随着半导体技术的改进，闪存也实现了单晶体管（1T）的设计，主要就是在原有的晶体管上加入了浮动栅和选择栅，下图就是NAND型闪存的晶体管结构：

在源极和漏极之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮动棚。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的选择/控制栅。数据是0或1取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子。有电子为0，无电子为1。

闪存就如同其名字一样，写入前删除数据进行初始化。具体说就是从所有浮动栅中导出电子。即将有所数据归“1”。

写入时只有数据为0时才进行写入，数据为1时则什么也不做。写入0时，向栅电极和漏极施加高电压，增加在源极和漏极之间传导的电子能量。这样一来，电子就会突破氧化膜绝缘体，进入浮动栅。

读取数据时，向栅电极施加一定的电压，电流大为1，电流小则定为0。浮动栅没有电子的状态（数据为1）下，在栅电极施加电压的状态时向漏极施加电压，源极和漏极之间由于大量电子的移动，就会产生电流。而在浮动栅有电子的状态（数据为0）下，沟道中传导的电子就会减少。因为施加在栅电极的电压被浮动栅电子吸收后，很难对沟道产生影响。

 

当今NVRAM的主流——闪存

闪存最早的发明者是Intel，在1980年，为了解决EEPROM只能以位（bit）为单位进行写入和删除的慢速和成本高的缺陷，Intel在EPROM基础上开发出了能以块为单位进行读写的闪存，因此Flash RAM也被称为快擦写存储器。到了1988年，Intel正式推出了NOR型闪存，而日本的东芝公司则在1987年提交了以EEPROM为基础开发的NAND型闪存技术设计，1989年正式推出相关的产品。后来，三菱公司在NOR的基础上开发出了DiNOR（Divided bit-line NOR）型闪存，日立则在NAND的基础上开发出了AND型闪存，但这两者都还不常见。2003年，三菱与日立的半导体分部合并成立了Renesas（瑞萨）半导体公司，目前该公司主推NOR和AND型闪存。下图就是目前主流4种闪存的结构图。

NOR、NAND、DiNOR、AND型闪存存储阵列图（点击放大）

从图可以看出DiNOR简化了NOR型闪存的位线设计，采用了多晶硅子位线设计，这样做的好处是缩减了芯片的核心面积，这也是NOR的一个重要缺点，在性能上DiNOR与NOR相差不多。AND型闪存相对于NAND闪存的改动主要是将传统的位线进行了扩展发散型嵌入式位线，降低了擦/写电压，性能则与NAND相当。这里需要指出的是，所谓的NOR、NAND、AND都是以晶体管的连接形态命名的。熟悉门电路的读者不难发现它们是非或、非与和与门电路的简称，而相应闪存的晶体管的连接方式与相应的门电路的连接方式有几分相像。

 

各闪存规格的主要支持厂商，NOR的厂商数量众多，NAND的厂商分量够重

目前，NVRAM的主流就是闪存，传统的EPROM与EEPROM的应用范围则相对狭窄（但我们还是能见到它们的身影，比如内存模组上SPD芯片），本专题也将把重点放在目前流行和正在开发的NVRAM产品。