الذاكرة غير المتطايرة

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

الذاكرة غير المتطايرة ( NVM ) أو التخزين غير المتطاير هي نوع من ذاكرة الحاسوب التي يمكنها الاحتفاظ بالمعلومات المخزنة حتى بعد انقطاع التيار الكهربائي. في المقابل، تحتاج الذاكرة المتطايرة إلى طاقة مستمرة للاحتفاظ بالبيانات.

تشير الذاكرة غير المتطايرة عادةً إلى التخزين في رقائق الذاكرة ، والتي تخزن البيانات في خلايا ذاكرة ذات بوابة عائمة تتكون من ترانزستورات MOSFET ذات بوابة عائمة ( ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة )، بما في ذلك تخزين ذاكرة الفلاش مثل ذاكرة NAND الفلاشية ومحركات الأقراص الصلبة (SSD).

تشمل الأمثلة الأخرى للذاكرة غير المتطايرة ذاكرة القراءة فقط (ROM)، وذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة ( EPROM )، وذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة كهربائياً ( EEPROM )، وذاكرة الوصول العشوائي الكهروإجهادية (Feroelectric RAM )، ومعظم أنواع أجهزة تخزين بيانات الكمبيوتر (مثل تخزين الأقراص ، ومحركات الأقراص الصلبة ، والأقراص الضوئية ، والأقراص المرنة ، والشريط المغناطيسي )، وطرق تخزين الكمبيوتر المبكرة مثل الشريط المثقب والبطاقات . [ 1 ]

ملخص

تُستخدم الذاكرة غير المتطايرة عادةً للتخزين الثانوي أو التخزين الدائم طويل الأمد. أما أكثر أنواع التخزين الأساسي شيوعًا اليوم فهو ذاكرة الوصول العشوائي المتطايرة ( RAM)، ما يعني فقدان جميع البيانات المخزنة فيها عند إيقاف تشغيل الحاسوب . مع ذلك، تعاني معظم أنواع الذاكرة غير المتطايرة من قيود تجعلها غير مناسبة للاستخدام كذاكرة أساسية. فعادةً ما تكون الذاكرة غير المتطايرة أغلى ثمنًا، وأقل أداءً، أو ذات عمر افتراضي محدود مقارنةً بذاكرة الوصول العشوائي المتطايرة.

يمكن تصنيف أنظمة تخزين البيانات غير المتطايرة إلى أنظمة ذات عناوين كهربائية (مثل ذاكرة الفلاش وذاكرة القراءة فقط ) وأنظمة ذات عناوين ميكانيكية (مثل الأقراص الصلبة والأقراص الضوئية والأشرطة المغناطيسية والذاكرة الهولوغرافية وما شابه). [ 2 ] [ 3 ] وبشكل عام، تتميز الأنظمة ذات العناوين الكهربائية بارتفاع تكلفتها وسعة تخزينها المحدودة، ولكنها سريعة، بينما تتميز الأنظمة ذات العناوين الميكانيكية بانخفاض تكلفتها لكل بت، ولكنها أبطأ.

عنوان كهربائي

يمكن تصنيف ذاكرات أشباه الموصلات غير المتطايرة التي يتم معالجتها كهربائياً وفقاً لآلية الكتابة الخاصة بها.

الأجهزة للقراءة فقط والأجهزة للقراءة في الغالب

ذاكرة القراءة فقط (Mask ROMs) قابلة للبرمجة في المصنع فقط وتستخدم عادة للمنتجات ذات الحجم الكبير والتي لا يلزم تحديثها بعد تصنيع جهاز الذاكرة.

يمكن تعديل ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة (PROM) مرة واحدة بعد تصنيعها باستخدام مبرمج PROM . غالبًا ما تتم البرمجة قبل تثبيت الجهاز في النظام المستهدف، والذي يكون عادةً نظامًا مضمنًا . البرمجة دائمة، وأي تغييرات لاحقة تتطلب استبدال الجهاز. يتم تخزين البيانات عن طريق تغيير مواقع التخزين في الجهاز فعليًا (حرقها).

ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة كهربائيًا ( EPROM ) هي ذاكرة قراءة فقط قابلة للمسح، ويمكن تغييرها أكثر من مرة. مع ذلك، تتطلب كتابة بيانات جديدة عليها دائرة برمجة خاصة. تحتوي ذاكرة EPROM على نافذة كوارتز تسمح بمسحها باستخدام الأشعة فوق البنفسجية، ولكن يتم مسح الجهاز بالكامل دفعة واحدة. يمكن تصميم جهاز قابل للبرمجة لمرة واحدة (OTP) باستخدام شريحة EPROM بدون نافذة الكوارتز، مما يقلل تكلفة التصنيع. تستخدم ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة كهربائيًا ( EEPROM) الجهد الكهربائي لمسح البيانات. تتطلب هذه الذاكرة القابلة للمسح وقتًا طويلًا لمسح البيانات وكتابة بيانات جديدة، وعادةً لا تتم تهيئتها للبرمجة بواسطة معالج النظام المستهدف. تُخزن البيانات باستخدام ترانزستورات البوابة العائمة ، التي تتطلب جهود تشغيل خاصة لحجز أو إطلاق الشحنة الكهربائية على بوابة تحكم معزولة لتخزين المعلومات.

ذاكرة فلاش

ذاكرة الفلاش عبارة عن شريحة إلكترونية صلبة تحتفظ بالبيانات المخزنة دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي. وهي قريبة الصلة بذاكرة EEPROM، لكنها تختلف عنها في أن عمليات المسح تتم على أساس الكتل، وسعتها أكبر بكثير من سعة ذاكرة EEPROM. تستخدم أجهزة ذاكرة الفلاش تقنيتين مختلفتين - NOR وNAND - لربط البيانات. توفر ذاكرة NOR وصولاً عشوائياً عالي السرعة، حيث تقرأ وتكتب البيانات في مواقع ذاكرة محددة، ويمكنها استرجاع بايت واحد فقط. أما ذاكرة NAND فتقرأ وتكتب بشكل متسلسل وبسرعة عالية، وتتعامل مع البيانات على شكل كتل. ومع ذلك، فهي أبطأ في القراءة مقارنةً بذاكرة NOR. تقرأ ذاكرة NAND أسرع من الكتابة، مما يسمح بنقل صفحات كاملة من البيانات بسرعة. تُعد تقنية NAND أقل تكلفة من ذاكرة NOR عند الكثافات العالية، وتوفر سعة أكبر لنفس حجم شريحة السيليكون. [ 4 ]

ذاكرة الوصول العشوائي الكهروإجهادية (F-RAM)

ذاكرة الوصول العشوائي الفيروكهربائية ( FeRAM أو F-RAM أو FRAM ) هي نوع من ذاكرة الوصول العشوائي تشبه في تركيبها ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) ، حيث تستخدم كلتاهما مكثفًا وترانزستورًا، ولكن بدلًا من استخدام طبقة عازلة بسيطة في المكثف، تحتوي خلية F-RAM على طبقة رقيقة من زركونات تيتانات الرصاص الفيروكهربائية [ Pb(Zr,Ti)O3 ] ، والتي تُعرف اختصارًا بـ PZT. تتغير قطبية ذرات الزركونيوم/التيتانيوم في PZT عند تعرضها لمجال كهربائي، مما يُنتج مفتاحًا ثنائيًا. ونظرًا لأن بلورة PZT تحافظ على قطبيتها، فإن F-RAM تحتفظ ببياناتها حتى عند انقطاع التيار الكهربائي.

بفضل هذا التركيب البلوري وكيفية تأثره، توفر ذاكرة F-RAM خصائص مميزة عن خيارات الذاكرة غير المتطايرة الأخرى، بما في ذلك قدرة تحمل عالية للغاية، وإن لم تكن غير محدودة (تتجاوز 10^ 16 دورة قراءة/كتابة  للأجهزة التي تعمل بجهد 3.3 فولت)، واستهلاك منخفض للغاية للطاقة (لأن ذاكرة F-RAM لا تتطلب مضخة شحن مثل أنواع الذاكرة غير المتطايرة الأخرى)، وسرعات كتابة أحادية الدورة، ومقاومة لأشعة جاما. [ 5 ]

ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية المقاومة (MRAM)

تخزن ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية المقاومة البيانات في عناصر تخزين مغناطيسية تُسمى وصلات النفق المغناطيسي (MTJs). استخدم الجيل الأول من ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية المقاومة، مثل ذاكرة Everspin Technologies بسعة 4  ميغابت، الكتابة المُستحثة بالمجال. أما الجيل الثاني، فيُطوَّر بشكل أساسي من خلال نهجين: التبديل المُساعد حراريًا (TAS) [ 6 ] الذي تُطوّره شركة Crocus Technology ، وعزم نقل الدوران (STT) الذي تُطوّره شركات Crocus و Hynix و IBM والعديد من الشركات الأخرى. [ 7 ]

ذاكرة تغيير الطور (PCM)

تخزن ذاكرة تغيير الطور البيانات في زجاج الكالكوجينيد ، الذي يمكن تغيير طوره بشكل عكسي بين الحالة غير المتبلورة والحالة المتبلورة ، وذلك عن طريق تسخين الزجاج وتبريده. تتميز الحالة المتبلورة بمقاومة منخفضة، بينما تتميز الحالة غير المتبلورة بمقاومة عالية، مما يسمح بتشغيل وإيقاف التيارات لتمثيل الحالتين الرقميتين 1 و0. [ 8 ] [ 9 ]

ذاكرة FeFET

تستخدم ذاكرة FeFET ترانزستورًا مع مادة كهروإجهادية للاحتفاظ بالحالة بشكل دائم.

ذاكرة RRAM

تعمل ذاكرة الوصول العشوائي المقاومة (RRAM) عن طريق تغيير المقاومة عبر مادة صلبة عازلة، تُعرف غالبًا باسم الميمريستور. تتضمن تقنية ReRAM توليد عيوب في طبقة أكسيد رقيقة، تُعرف باسم فراغات الأكسجين (مواقع روابط الأكسيد التي أُزيل منها الأكسجين)، والتي يمكن أن تُشحن لاحقًا وتتحرك تحت تأثير مجال كهربائي. تُشابه حركة أيونات الأكسجين والفراغات في الأكسيد حركة الإلكترونات والفجوات في أشباه الموصلات.

على الرغم من أن ذاكرة الوصول العشوائي المقاومة (ReRAM) كانت تُعتبر في البداية تقنية بديلة لذاكرة الفلاش، إلا أن مزاياها من حيث التكلفة والأداء لم تكن كافية للشركات للمضي قدمًا في استبدالها. ويبدو أن مجموعة واسعة من المواد يمكن استخدامها في تصنيع ذاكرة ReRAM. ومع ذلك، فإن اكتشاف [ 10 ] إمكانية استخدام مادة HfO₂ العازلة للبوابة ذات ثابت العزل الكهربائي العالي (κ) في ذاكرة ReRAM منخفضة الجهد، قد شجع الباحثين على استكشاف المزيد من الاحتمالات.

الأنظمة ذات العناوين الميكانيكية

تستخدم الأنظمة ذات العنونة الميكانيكية رأس تسجيل للقراءة والكتابة على وسيط تخزين مُحدد. ونظرًا لأن زمن الوصول يعتمد على الموقع الفعلي للبيانات على الجهاز، فقد تكون هذه الأنظمة ذات وصول تسلسلي . على سبيل المثال، يخزن الشريط المغناطيسي البيانات كسلسلة من البتات على شريط طويل؛ ويتطلب الوصول إلى أي جزء من التخزين تمرير الشريط أمام رأس التسجيل. يمكن إزالة وسائط الشريط من محرك الأقراص وتخزينها، مما يوفر سعة غير محدودة على حساب الوقت اللازم لاسترجاع شريط تم فصله. [ 11 ] [ 12 ]

تستخدم محركات الأقراص الصلبة قرصًا مغناطيسيًا دوارًا لتخزين البيانات؛ صحيح أن زمن الوصول أطول من ذاكرة أشباه الموصلات، إلا أن تكلفة البت الواحد من البيانات المخزنة منخفضة جدًا، وتوفر وصولًا عشوائيًا إلى أي موقع على القرص. في السابق، كانت حزم الأقراص القابلة للإزالة شائعة، مما يسمح بتوسيع سعة التخزين. تخزن الأقراص الضوئية البيانات عن طريق تغيير طبقة صبغية على قرص بلاستيكي، وتتميز أيضًا بالوصول العشوائي. تتوفر منها إصدارات للقراءة فقط وأخرى للقراءة والكتابة؛ وتتيح الوسائط القابلة للإزالة توسيعًا غير محدود، وقد استُخدمت بعض الأنظمة الآلية (مثل مشغل الأقراص الضوئية ) لاسترجاع الأقراص وتركيبها تحت تحكم برمجي مباشر. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

تخزن ذاكرة جدار المجال (DWM) البيانات في وصلات نفق مغناطيسية (MTJs)، والتي تعمل عن طريق التحكم في حركة جدار المجال (DW) في الأسلاك النانوية المغناطيسية الحديدية. [ 16 ]

عضوي

تُنتج شركة ثينفيلم ذاكرة عضوية غير متطايرة قابلة لإعادة الكتابة تعتمد على البوليمرات الفيروكهربائية . وقد نجحت الشركة في عرض تقنية الطباعة المتواصلة (roll-to-roll) للذاكرة في عام 2009. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] في ذاكرة ثينفيلم العضوية، يُحصر البوليمر الفيروكهربائي بين مجموعتين من الأقطاب الكهربائية في مصفوفة غير فعالة. كل تقاطع بين الخطوط المعدنية يُمثل مكثفًا فيروكهربائيًا، ويُحدد خلية ذاكرة.

الذاكرة الرئيسية غير المتطايرة

الذاكرة الرئيسية غير المتطايرة (NVMM) هي وحدة تخزين أساسية ذات خصائص غير متطايرة. [ 20 ] يطرح هذا التطبيق للذاكرة غير المتطايرة تحديات أمنية. [ 21 ] NVDIMM مثال على الذاكرة الرئيسية غير المتطايرة.

مراجع

  1. ↑ باترسون، ديفيد؛ هينيسي، جون (2005). تنظيم وتصميم الحاسوب: واجهة الأجهزة/البرمجيات . إلسيفير . ص  23. ISBN 9780080502571.
  2. ↑ "i-NVMM: تأمين الذاكرة غير المتطايرة أثناء التشغيل" . Techrepublic . أغسطس 2011. مؤرشف من الأصل في 22 مارس 2017. تم الاطلاع عليه في 21 مارس 2017 .
  3. ↑ "الذاكرة غير المتطايرة (NVM)" . موسوعة التكنولوجيا. مؤرشف من الأصل في 22 مارس 2017. تم الاطلاع عليه في 21 مارس 2017 .
  4. ↑ راسل كاي (7 يونيو 2010). "ذاكرة الفلاش" . مجلة كمبيوتر وورلد . مؤرشف من الأصل في 10 يونيو 2010.
  5. ↑ تقنية ذاكرة F-RAM ، Ramtron.com، مؤرشفة من الأصل بتاريخ 27 يناير 2012 ، تم الاطلاع عليها بتاريخ 30 يناير 2012
  6. ↑ ظهور تقنية MRAM العملية "تقنية كروكوس | أجهزة الاستشعار المغناطيسية | أجهزة استشعار TMR" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 27 أبريل 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 يوليو 2009 .
  7. ↑ "آخر الأخبار" . EE|Times . مؤرشف من الأصل في 19 يناير 2012.
  8. ↑ هودجنز، س.؛ جونسون، ب. (نوفمبر 2004). "نظرة عامة على تقنية ذاكرة الكالكوجينيد غير المتطايرة ذات تغيير الطور" . نشرة جمعية أبحاث المواد . 29 (11): 829-832 . doi : 10.1557/mrs2004.236 . ISSN 1938-1425 . S2CID 137902404 .  
  9. ↑ بيروفانو، أ.؛ لاكايتا، أ.ل.؛ بينفينوتي، أ.؛ بيليتزر، ف.؛ هودجينز، س.؛ بيز، ر. (ديسمبر 2003). "تحليل قياس تقنية ذاكرة تغيير الطور". المؤتمر الدولي لأجهزة الإلكترونيات IEEE 2003. الصفحات 29.6.1–29.6.4. doi : 10.1109/IEDM.2003.1269376 . ISBN  0-7803-7872-5. S2CID 1130884 . 
  10. ↑ لي، هـ.ي.؛ تشين، ب.س.؛ وو، ت.ي.؛ تشين، ي.س.؛ وانغ، س.س.؛ تزينغ، ب.ج.؛ لين، س.هـ.؛ تشين، ف.؛ ليان، س.هـ.؛ تساي، م.ج. (2008). تبديل ثنائي القطب منخفض الطاقة وعالي السرعة باستخدام طبقة عازلة رقيقة من التيتانيوم التفاعلي في الهافنيوم المتينذاكرة الوصول العشوائي المقاومة القائمة على الأكسجين. 2008 IE
  11. ↑ "التعريف: محرك الأشرطة" . TechTarget . مؤرشف من الأصل في 7 يوليو 2015. تم الاطلاع عليه في 7 يوليو 2015 .
  12. ↑ "محركات الأشرطة" . snia.org . مؤرشف من الأصل في 7 يوليو 2015. تم الاطلاع عليه في 7 يوليو 2015 .
  13. ↑ "ما هو القرص الصلب؟" . computerhope.com . مؤرشف من الأصل في 8 يوليو 2015. تم الاطلاع عليه في 7 يوليو 2015 .
  14. ↑ "محركات أقراص IBM 2314" . ncl.ac.uk. مؤرشف من الأصل في 2 أكتوبر 2015. تم الاطلاع عليه في 7 يوليو 2015 .
  15. ↑ "أجهزة تشغيل أقراص بلو راي الضوئية وأنظمة المكتبات لتخزين الأرشيف - كينترونيكس" . kintronics.com . مؤرشف من الأصل في 20 يوليو 2015. تم الاطلاع عليه في 7 يوليو 2015 .
  16. ↑ باركين، ستيوارت إس بي؛ هاياشي، ماساميتسو؛ توماس، لوك (11 أبريل 2008). "ذاكرة مسار السباق لجدار المجال المغناطيسي" . مجلة ساينس . 320 (5873): 190-194 . رمز Bibcode : 2008Sci...320..190P . doi : 10.1126/science.1145799 . PMID 18403702. S2CID 19285283 .  
  17. ↑ حصلت شركتا Thinfilm و InkTec على جائزة IDTechEx للتطوير التقني في مجال التصنيع، IDTechEx، 15 أبريل 2009
  18. ↑ أعلنت شركتا PolyIC وThinFilm عن تجربة رائدة لإنتاج ذاكرات بلاستيكية مطبوعة بكميات كبيرة. مؤرشف بتاريخ 29 سبتمبر 2012 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine). EETimes، 22 سبتمبر 2009
  19. ↑ جاهزون تمامًا للإنتاج بكميات كبيرة من الذاكرات المطبوعة. مؤرشف في 13 أبريل 2010 في أرشيف الإنترنت. عالم الإلكترونيات المطبوعة، 12 أبريل 2010
  20. ↑ "NVDIMM – التغييرات قادمة، فماذا بعد؟" (ملف PDF) . snia.org . SINA . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 أبريل 2018 .
  21. ^ كنعان، ساشيده. كريمي، نجمة؛ سينان أوغلو، أوزغور؛ كاري ، راميش (2015-01-22). “الثغرات الأمنية للذكريات الرئيسية غير المتطايرة الناشئة والتدابير المضادة”. معاملات IEEE حول التصميم بمساعدة الكمبيوتر للدوائر والأنظمة المتكاملة . 34 (1): 2– 15. بيب كود : 2015ITCAD ..34....2K . دوى : 10.1109/TCAD.2014.2369741 . S2CID 14712674 .