Mémoire non volatile

La mémoire non volatile ( NVM ) ou stockage non volatil est un type de mémoire informatique qui peut conserver les informations stockées même après une coupure de courant. En revanche, la mémoire volatile a besoin d'une alimentation constante pour conserver les données.

La mémoire non volatile fait généralement référence au stockage dans des puces de mémoire , qui stockent les données dans des cellules de mémoire à grille flottante constituées de MOSFET à grille flottante ( transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur ), y compris le stockage de mémoire flash tel que le flash NAND et les disques SSD (Solid-State Drives ).

D'autres exemples de mémoire non volatile incluent la mémoire morte (ROM), l'EPROM ( ROM programmable effaçable ) et l'EEPROM (ROM programmable effaçable électriquement), la RAM ferroélectrique , la plupart des types de périphériques de stockage de données informatiques (par exemple , stockage sur disque , disques durs , disques optiques , disquettes et bandes magnétiques ) et les premières méthodes de stockage informatique telles que les bandes perforées et les cartes .

La mémoire non volatile est généralement utilisée pour la tâche de stockage secondaire ou de stockage persistant à long terme. La forme de stockage primaire la plus largement utilisée aujourd'hui est une forme volatile de mémoire vive (RAM), ce qui signifie que lorsque l' ordinateur est éteint, tout ce qui est contenu dans la RAM est perdu. Cependant, la plupart des formes de mémoire non volatile ont des limitations qui les rendent inadaptées à une utilisation comme stockage primaire. En règle générale, la mémoire non volatile coûte plus cher, offre des performances inférieures ou a une durée de vie limitée par rapport à la mémoire vive volatile.

Le stockage de données non volatiles peut être classé en systèmes adressés électriquement, par exemple, la mémoire flash et la mémoire en lecture seule ) et en systèmes adressés mécaniquement ( disques durs , disques optiques , bandes magnétiques , mémoire holographique , etc.). D'une manière générale, les systèmes adressés électriquement sont coûteux et ont une capacité limitée, mais sont rapides, tandis que les systèmes adressés mécaniquement coûtent moins cher par bit, mais sont plus lents.

Les mémoires non volatiles à semiconducteurs adressées électriquement peuvent être classées en fonction de leur mécanisme d'écriture.

Les ROM de masque sont programmables en usine uniquement et généralement utilisées pour les produits à grand volume qui ne nécessitent pas de mise à jour après la fabrication du périphérique de mémoire.

La mémoire morte programmable (PROM) peut être modifiée une fois le périphérique de mémoire fabriqué à l'aide d'un programmateur PROM . La programmation est souvent effectuée avant que le périphérique ne soit installé dans son système cible, généralement un système embarqué . La programmation est permanente et les modifications ultérieures nécessitent le remplacement du périphérique. Les données sont stockées en modifiant physiquement (gravure) les sites de stockage du périphérique.

Une EPROM est une ROM effaçable qui peut être modifiée plusieurs fois. Cependant, l'écriture de nouvelles données sur une EPROM nécessite un circuit de programmation spécial. Les EPROM ont une fenêtre à quartz qui permet de les effacer avec une lumière ultraviolette, mais l'ensemble du dispositif est effacé en une seule fois. Un dispositif programmable une seule fois (OTP) peut être mis en œuvre à l'aide d'une puce EPROM sans fenêtre à quartz ; cela est moins coûteux à fabriquer. Une mémoire morte programmable électriquement effaçable EEPROM utilise la tension pour effacer la mémoire. Ces dispositifs de mémoire effaçable nécessitent beaucoup de temps pour effacer les données et écrire de nouvelles données ; ils ne sont généralement pas configurés pour être programmés par le processeur du système cible. Les données sont stockées à l'aide de transistors à grille flottante , qui nécessitent des tensions de fonctionnement spéciales pour piéger ou libérer une charge électrique sur une grille de commande isolée pour stocker des informations.

La mémoire flash est une puce à semi-conducteurs qui conserve les données stockées sans aucune source d'alimentation externe. C'est un proche parent de l'EEPROM ; elle diffère dans le sens où les opérations d'effacement doivent être effectuées par bloc et sa capacité est sensiblement plus grande que celle d'une EEPROM. Les dispositifs de mémoire flash utilisent deux technologies différentes, NOR et NAND, pour mapper les données. La mémoire flash NOR fournit un accès aléatoire à grande vitesse, lisant et écrivant des données dans des emplacements de mémoire spécifiques ; elle peut récupérer un seul octet. La mémoire flash NAND lit et écrit séquentiellement à grande vitesse, en gérant les données par blocs. Cependant, elle est plus lente en lecture que la mémoire flash NOR. La mémoire flash NAND lit plus vite qu'elle n'écrit, transférant rapidement des pages entières de données. Moins chère que la mémoire flash NOR à haute densité, la technologie NAND offre une capacité plus élevée pour un silicium de même taille.

La RAM ferroélectrique ( FeRAM , F-RAM ou FRAM ) est une forme de mémoire vive de construction similaire à la DRAM . Les deux utilisent un condensateur et un transistor, mais au lieu d'utiliser une simple couche diélectrique (le condensateur), une cellule F-RAM contient un mince film ferroélectrique de titanate de zirconate de plomb [Pb(Zr,Ti)O3 _] , communément appelé PZT. Les atomes Zr/Ti du ​​PZT changent de polarité dans un champ électrique, produisant ainsi un commutateur binaire. Grâce au cristal PZT qui maintient la polarité, la F-RAM conserve sa mémoire de données lorsque l'alimentation est coupée ou interrompue.

En raison de cette structure cristalline et de la manière dont elle est influencée, la F-RAM offre des propriétés distinctes des autres options de mémoire non volatile, notamment une endurance extrêmement élevée, bien que non infinie (dépassant 10 ¹⁶ cycles de lecture/écriture pour les appareils 3,3 V), une consommation d'énergie ultra-faible (puisque la F-RAM ne nécessite pas de pompe de charge comme les autres mémoires non volatiles), des vitesses d'écriture à cycle unique et une tolérance aux rayonnements gamma.

La RAM magnétorésistive stocke les données dans des éléments de stockage magnétiques appelés jonctions tunnel magnétiques (MTJ). La première génération de MRAM, comme la 4 Mbit d' Everspin Technologies , utilisait l'écriture induite par champ. La deuxième génération est développée principalement par deux approches : la commutation à assistance thermique (TAS) qui est développée par Crocus Technology , et le couple de transfert de spin (STT) que Crocus , Hynix , IBM et plusieurs autres sociétés développent.

La mémoire à changement de phase stocke les données dans un verre de chalcogénure , qui peut changer de manière réversible la phase entre l'état amorphe et l' état cristallin , en chauffant et en refroidissant le verre. L' état cristallin a une faible résistance et la phase amorphe a une résistance élevée, ce qui permet d'activer et de désactiver les courants pour représenter les états numériques 1 et 0.

La mémoire FeFET utilise un transistor avec un matériau ferroélectrique pour conserver l'état de manière permanente.

La mémoire RRAM (ReRAM) fonctionne en modifiant la résistance à travers un matériau solide diélectrique souvent appelé memristor. La ReRAM consiste à générer des défauts dans une fine couche d'oxyde, appelés lacunes d'oxygène (emplacements de liaison d'oxyde où l'oxygène a été éliminé), qui peuvent ensuite se charger et dériver sous l'effet d'un champ électrique. Le mouvement des ions oxygène et des lacunes dans l'oxyde serait analogue au mouvement des électrons et des trous dans un semi-conducteur.

Bien que la ReRAM ait été initialement considérée comme une technologie de remplacement de la mémoire flash, les avantages en termes de coût et de performances de la ReRAM n'ont pas été suffisants pour que les entreprises procèdent à son remplacement. Apparemment, une large gamme de matériaux peut être utilisée pour la ReRAM. Cependant, la découverte selon laquelle le diélectrique de grille à haut κ HfO2 _peut être utilisé comme ReRAM basse tension a encouragé les chercheurs à étudier davantage de possibilités.

Les systèmes à adresse mécanique utilisent une tête d'enregistrement pour lire et écrire sur un support de stockage désigné. Étant donné que le temps d'accès dépend de l'emplacement physique des données sur le périphérique, les systèmes à adresse mécanique peuvent être à accès séquentiel . Par exemple, une bande magnétique stocke les données sous forme d'une séquence de bits sur une longue bande ; le transport de la bande au-delà de la tête d'enregistrement est nécessaire pour accéder à n'importe quelle partie du stockage. Les supports de bande peuvent être retirés du lecteur et stockés, ce qui offre une capacité indéfinie au prix du temps nécessaire pour récupérer une bande démontée.

Les disques durs utilisent un disque magnétique rotatif pour stocker les données. Le temps d'accès est plus long que pour la mémoire à semi-conducteurs, mais le coût par bit de données stocké est très faible et ils offrent un accès aléatoire à n'importe quel emplacement du disque. Auparavant, les packs de disques amovibles étaient courants, ce qui permettait d'étendre la capacité de stockage. Les disques optiques stockent les données en modifiant une couche de pigment sur un disque en plastique et sont également à accès aléatoire. Des versions en lecture seule et en lecture-écriture sont disponibles. Les supports amovibles permettent là encore une extension indéfinie et certains systèmes automatisés (par exemple, le jukebox optique ) étaient utilisés pour récupérer et monter des disques sous contrôle direct du programme.

La mémoire à paroi de domaine (DWM) stocke les données dans des jonctions tunnel magnétiques (MTJ), qui fonctionnent en contrôlant le mouvement des parois de domaine (DW) dans les nanofils ferromagnétiques.

Thinfilm produit une mémoire ferroélectrique organique non volatile réinscriptible à base de polymères ferroélectriques . Thinfilm a démontré avec succès des mémoires imprimées en rouleau en 2009. Dans la mémoire organique de Thinfilm, le polymère ferroélectrique est pris en sandwich entre deux jeux d'électrodes dans une matrice passive. Chaque croisement de lignes métalliques est un condensateur ferroélectrique et définit une cellule mémoire.

La mémoire principale non volatile (NVMM) est un stockage principal avec des attributs non volatils. Cette application de la mémoire non volatile présente des défis de sécurité. NVDIMM est un exemple de mémoire principale non volatile.