存儲(chǔ)器淺介精品課件

1、存儲(chǔ)器淺介第1頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三第2頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三追溯第3頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三打孔卡/穿孔卡說(shuō)到打孔卡，不得不說(shuō)到IBM的創(chuàng)始人赫爾曼霍爾瑞斯教授，他于1888年發(fā)明自動(dòng)制表機(jī)首個(gè)使用打孔卡技術(shù)的數(shù)據(jù)處理機(jī)器。自動(dòng)制表機(jī)用于1890年以及后續(xù)的美國(guó)人口普查，并獲得巨大成功。打孔卡是早期計(jì)算機(jī)的信息輸入設(shè)備，通常可以儲(chǔ)存80列數(shù)據(jù)。打孔卡盛行于20世紀(jì)70年代中期。我們應(yīng)當(dāng)注意的是：打孔卡比計(jì)算機(jī)更早出現(xiàn)。其歷史可以追溯到1725年的紡織品行業(yè)，用于機(jī)械化的織布機(jī)。追溯第4頁(yè)，共46頁(yè)，

2、2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三打孔紙帶和打孔卡一樣，也是紡織行業(yè)的機(jī)械化織布機(jī)率先使用打孔紙帶的。在計(jì)算機(jī)上，打孔紙帶即可用于數(shù)據(jù)輸入，也可用于存儲(chǔ)輸出數(shù)據(jù)。紙帶帶上的每一行孔代表一個(gè)字符。追溯第5頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三磁鼓存儲(chǔ)器（1932）1932年奧地利的Gustav Tauschek發(fā)明了磁鼓存儲(chǔ)器。作為計(jì)算機(jī)的主干工作存儲(chǔ)器，磁鼓存儲(chǔ)器廣泛用于20世紀(jì)五六十年代。50年代中期的磁鼓存儲(chǔ)器容量大約是10KB。追溯第6頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三磁帶（1951）磁帶首次用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是在1951年。磁帶設(shè)備被稱為UNISER

3、VO，它是UNIVAC I型計(jì)算機(jī)的主要輸入/輸出設(shè)備。UNISERVO的有效傳輸效率大約是每秒7200個(gè)字符。磁帶裝置是金屬，全長(zhǎng)1200英尺（365米），因此非常重。追溯第7頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三當(dāng)然了，我們也不得不說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)盒式磁帶，它是70年代晚期和80年代時(shí)期個(gè)人電腦的非常流行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。典型盒帶的典型數(shù)率是2kb/s，每面大約可以存儲(chǔ)660KB數(shù)據(jù)，時(shí)間約為90分鐘。追溯第8頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三傳統(tǒng)硬盤（1956）1956年9月13日，IBM305RAMAC計(jì)算機(jī)問(wèn)世。隨之一起誕生的是世界上第一款硬盤IBM Model

4、 350硬盤，它由50塊24英寸磁盤構(gòu)成，總?cè)萘繛?百萬(wàn)個(gè)字符（不到5MB）。追溯第9頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三1980年6月，第一塊容量上G的硬盤IBM 3380也誕生在IBM，其容量為2.52GB，體積大如冰箱，重550磅（250公斤），造價(jià)約81,000142,400美元。追溯第10頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三激光光盤（1958）它是CD-ROM（比CD早4年）和其他光學(xué)存儲(chǔ)媒介的先驅(qū)。它主要用于電影。1978年12月5日，首款商用激光光盤上市（當(dāng) 時(shí)稱為激光影碟，是Discovision公司的新品牌），其直徑為30cm（11.81英

5、寸）。這種光盤的雙面均可以有60分鐘的音頻/視頻。這款光盤 完全是模擬內(nèi)容（相對(duì)數(shù)字內(nèi)容而言），其背后技術(shù)要追溯到1958年的由David Paul Gregg發(fā)明的激光光盤技術(shù)。追溯第11頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三軟盤（1971）軟盤也是由IBM發(fā)明，流行于20世紀(jì)70年代中期到21世紀(jì)初。首款軟盤是8英寸的，后續(xù)又有5.25英寸和3.5英寸的。第一塊軟盤于1971年面世，容量為79.7KB，是只讀型的。讀寫型軟盤于次年才問(wèn)世。追溯第12頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤（SSD）是使用固態(tài)內(nèi)存來(lái)保存永久性數(shù)據(jù)。它和傳統(tǒng)硬盤（H

6、DD）有所不同，HDD是機(jī)電設(shè)備，包括可旋轉(zhuǎn)的磁盤和可移動(dòng)的讀寫磁頭。相 反，SSD使用微型芯片，并沒有可以移動(dòng)的部件。所以，和HDD相比，SSD的抗震性更強(qiáng)、噪音更低、讀取時(shí)間和延遲時(shí)間更少。SSD和HDD有著相同的 接口，因此在大多數(shù)應(yīng)用程序中，SSD可以很容易取代HDD。追溯第13頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三認(rèn)知第14頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三DRAMDRAM（Dynamic Random Access Memory），即動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器最為常見的系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時(shí)間。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)，DRAM使用電容存儲(chǔ)，所以

7、 必須隔一段時(shí)間刷新（refresh）一次，如果存儲(chǔ)單元沒有被刷新，存儲(chǔ)的信息就會(huì)丟失。 （關(guān)機(jī)就會(huì)丟失數(shù)據(jù)）認(rèn)知第15頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三DRAM的結(jié)構(gòu)可謂是簡(jiǎn)單高效，每一個(gè)bit只需要一個(gè)晶體管加一個(gè)電容。但是電容不可避免的存在漏電現(xiàn)象，如果電荷不足會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)，因此電容必須被周期性的刷新（預(yù)充電），這也是DRAM的一大特點(diǎn)。而且電容的充放電需要一個(gè)過(guò)程，刷新頻率不可能無(wú)限提升（頻障），這就導(dǎo)致DRAM的頻率很容易達(dá)到上限，即便有先進(jìn)工藝的支持也收效甚微。隨著科技的進(jìn)步，以及人們對(duì)超頻的一種意愿，這些頻障也在慢慢解決。DRAM數(shù)據(jù)線認(rèn)知第16頁(yè)，共46頁(yè)

8、，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三閃存 閃存是一種非易失性存儲(chǔ)器，即斷電數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。因?yàn)殚W存不像RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）一樣以字節(jié)為單位改寫數(shù)據(jù)，因此不能取代RAM。 閃存卡（Flash Card）是利用閃存（Flash Memory）技術(shù)達(dá)到存儲(chǔ)電子信息的存儲(chǔ)器，一般應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)，掌上電腦，MP3等小型數(shù)碼產(chǎn)品中作為存儲(chǔ)介質(zhì)，所以樣子小巧，有如一張卡片，所以稱之為閃存卡。根據(jù)不同的生產(chǎn)廠商和不同的應(yīng)用，閃存卡大概有SmartMedia（SM卡）、Compact Flash（CF卡）、MultiMediaCard（MMC卡）、Secure Digital（SD卡）、Memory

9、Stick（記憶棒）、XD-Picture Card（XD卡）和微硬盤（MICRODRIVE）這些閃存卡雖然外觀、規(guī)格不同，但是技術(shù)原理都是相同的。認(rèn)知第17頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三FRAM（鐵電存儲(chǔ)器）FRAM是下一代的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，運(yùn)行能耗低，在斷電后能長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)。它綜合了RAM高速讀寫和ROM長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)利用了鐵電材料可保存信息的特點(diǎn)，使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS半導(dǎo)體存儲(chǔ)器制造工藝來(lái)生產(chǎn)，直到近日才研發(fā)成功。但是，F(xiàn)RAM的壽命是有限的，而其讀取是破壞性的，就是說(shuō)一旦進(jìn)行讀取，F(xiàn)RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就消失了。認(rèn)知第18頁(yè)，共46頁(yè)，2022

10、年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三FRAM的存儲(chǔ)單元主要由電容和場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，但這個(gè)電容不是一般的電容，在它的兩個(gè)電極板中間沉淀了一層晶態(tài)的鐵電晶體薄膜。前期的FRAM的每個(gè)存儲(chǔ)單元使用2個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和2個(gè)電容，稱為“雙管雙容”（2T2C），每個(gè)存儲(chǔ)單元包括數(shù)據(jù)位和各自的參考位認(rèn)知第19頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三MRAM （非揮發(fā)性磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器）MRAM是非易失性的存儲(chǔ)器，速度比DRAM還快。在實(shí)驗(yàn)室中，MRAM的寫入時(shí)間可低至2.3ns。MRAM擁有無(wú)限次的讀寫能力，并且功耗極低，可實(shí)現(xiàn)瞬間開關(guān)機(jī)并能延長(zhǎng)便攜機(jī)的電池使用時(shí)間。而且，MRAM的電路比普通存儲(chǔ)器還簡(jiǎn)單，

11、整個(gè)芯片只需一條讀出電路。但就生產(chǎn)成本來(lái)看，MRAM比SRAM、DRAM及閃存都高得多。認(rèn)知第20頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三PFRAMPFRAM是一種塑料的、基于聚合物的非易失性存儲(chǔ)器，通過(guò)三維堆疊技術(shù)可以得到很高的密度，但它的讀寫操作壽命有限。PFRAM可能會(huì)替代閃存，并且其成本只有NOR型閃存的10%左右。塑料存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)潛力也相當(dāng)巨大。今后，生產(chǎn)聚合物存儲(chǔ)器可能會(huì)變得像印照片一樣簡(jiǎn)單，但今年才剛剛開始對(duì)這種存儲(chǔ)器的生產(chǎn)工藝進(jìn)行研發(fā)。PFRAM的讀寫次數(shù)也有限，并且其讀取也是破壞性的，就像FRAM一樣。認(rèn)知第21頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星

12、期三OUMOUM是一種非易失性存儲(chǔ)器，可以替代低功耗的閃存。它擁有很長(zhǎng)的讀寫操作壽命，并且比閃存更易集成。OUM存儲(chǔ)單元的密度極高，讀取操作完全安全，只需極低的電壓和功率即可工作，同現(xiàn)有邏輯電路的集成也相當(dāng)簡(jiǎn)單。用OUM單元制作的存儲(chǔ)器大約可寫入10億次，這使它成為便攜設(shè)備中大容量存儲(chǔ)器的理想替代品。但是，OUM有一定的使用壽命，長(zhǎng)期使用會(huì)出一些可靠性問(wèn)題。認(rèn)知第22頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三展望第23頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三工作原理信息存儲(chǔ)：在無(wú)電場(chǎng)作用下，存在兩個(gè)穩(wěn)定的極化狀態(tài)，可分別作為“0”和“1”；2. 信息讀?。喝敉饧与妷号c

13、原極化狀態(tài)方向相同，只產(chǎn)生線性非轉(zhuǎn)換相應(yīng)Pns，若相反，可測(cè)出轉(zhuǎn)換響應(yīng)PswFRAM展望第24頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三優(yōu)勢(shì)： have a lower power requirement, a faster access time 展望第25頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三要求大的剩余極化強(qiáng)度Pr以及穩(wěn)定可靠的極化曲線特性鐵電材料和襯底的界面層穩(wěn)定and a potentially lower cost than many other non-volatile memory devices和現(xiàn)在通用的DRAM技術(shù)兼容展望第26頁(yè)，共46頁(yè)，2

14、022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三PZT（lead zirconate titanate）Pr損耗嚴(yán)重（疲勞）solution：Strontium bismuth tantalate(SBT) and related oxides解決疲勞問(wèn)題仍有問(wèn)題：a high deposition temperature繼續(xù)改進(jìn)lanthanum-substituted bismuth titanate thin lms：,650 度，larger Pr 問(wèn)題1：Pr隨運(yùn)行增多而減小展望第27頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三問(wèn)題二：界面不穩(wěn)定 BiFeO3 (BFO)： poor

15、 ferroelectric/Si interface and the inter diffusion of ions between the ferroelectric lm and Si substrate degrade the device performance 改進(jìn)一：metal-ferroelectric-insulator-semiconductor (MFIS)改進(jìn)二：ferroelectric materials embedded into porous substrates like silicon and alumina All porous silicon sampl

16、es used in this work were anod-ized in a 40 wt. % aqueous HF-solution. Three porous silicon (PS)substrates have been prepared by varying the anodization time atxed current density at 15 mA/cm2. The formation of pores occursin the direction perpendicular to the (100) wafer surface 24. Thethickness of

17、 each layer and porosity are controlled by the etchingtime and current density 25,26. The PS substrate with differentpore sizes have been employed for chemical solution deposition ofmultiferroic BFO lms.孔的增多恰當(dāng)提高應(yīng)力，減小diffusion展望第28頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三發(fā)展歷程Chua 1971 年首次從理論上提出憶阻器(memristor)的概念，器件

18、的電阻可以通過(guò)通入的電壓或電流改變，用其低阻和高阻兩種狀態(tài)表示0和12000 年 liu 等10報(bào)道了用電脈沖感應(yīng)的電阻可逆轉(zhuǎn)的(electric pulse induced reversible, EPIR)不揮發(fā)性存儲(chǔ)器件, 他們采用鈣鈦礦氧化物 PCMO(Pt0.7Ca0.3MnO3)作存儲(chǔ)電阻, 這就是 RRAM。RRAM展望第29頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三特點(diǎn)存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作速度快、功耗低、有利于提高集成密度等諸多優(yōu)點(diǎn)可用于三維集成和多值存儲(chǔ)展望第30頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三基本原理RRAM 采用 MIM 結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器件

19、, 結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單, 在上、下電極中間是憶阻材料,當(dāng)在兩個(gè)電極之間加一定幅度和一定寬度的脈沖電壓, 會(huì)使憶阻材料在兩個(gè)穩(wěn)定的電阻態(tài)轉(zhuǎn)換。存儲(chǔ)電阻I-V 曲線 具有典型的回滯特性4 個(gè)區(qū)域: 高阻態(tài)、 低阻態(tài)和2個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū), 用較小幅度的窄脈沖探測(cè)電阻的大小, 進(jìn)行讀操作, 由于脈寬和幅度都比較小, 不會(huì)改變電阻的狀態(tài), 因此, 是非破壞性讀出展望第31頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三3種基本結(jié)構(gòu)0T1R 單元只用一個(gè)存儲(chǔ)電阻構(gòu)成一個(gè)單元, 電阻的上電極接字線, 電阻的下電極接位線。這種單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可以實(shí)現(xiàn) 4F2的最小單元面積, 而且便于實(shí)現(xiàn)三維立體集成，在編程和讀操作時(shí),

20、通過(guò)行譯碼和列譯碼選中一條字線和一條位線, 從而選中交叉點(diǎn)的單元, 但是這種0T1R單元陣列存在嚴(yán)重的干擾，因此需要采用具有自整流特性的憶阻材料 1T1R 單元展望第32頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三為了避免非選中單元引起的干擾和泄漏路徑,應(yīng)該在每個(gè)存儲(chǔ)單元增加一個(gè)選擇開關(guān), 可以用二極管作開關(guān)器件, 這樣就構(gòu)成了 1D1R 存儲(chǔ)單元?？梢圆捎迷诠枰r底形成 pn 結(jié)開關(guān)二極管，但但是這種結(jié)構(gòu)占用面積大, 需要高溫工藝形成二極管用氧化物二極管的1D1R 單元結(jié)構(gòu), 氧化物二極管制作工藝簡(jiǎn)單, 可以在室溫制作, 而且氧化物二極管不占用硅片面積, 這種1D1R單元可以實(shí)現(xiàn)疊置

21、的三維立體集成,有利于實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)1D1R 單元原理展望第33頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三1D1R 單元原理選中字線接電壓 V, 選中位線接地, 非選中位線接電壓 V, 非選中字線接地, 這樣選中單元的二極管加正向電壓 V, 選中行和選中列的非選單元電壓為 0, 其余單元二極管是反向偏置, 從而切斷了干擾路徑, 極大降低了泄漏電流展望第34頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三1T1R 單元原理 用 MOSFET 作單元的選擇開關(guān)采用 MOSFET 作控制開關(guān)可以有效抑制泄漏電流, 而且 MOSFET 也可以提供較大的編程電流, 加快編程速度采用 0

22、.18 m 工藝制作, 當(dāng)字線加 2 V 電壓時(shí)最大編程電流為 500 A, 可以實(shí)現(xiàn) 5 ns 的快速寫操作MOSFET 是雙向?qū)ㄆ骷? 因此單元采用加相反極性電壓實(shí)現(xiàn)編程和擦除。展望第35頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三存在的問(wèn)題一方面要深入理解材料電阻轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制, 到目前為止, 對(duì)材料的電阻轉(zhuǎn)變機(jī)制還缺乏深入理解另一方面要考慮材料的制備工藝, 特別要考慮和CMOS集成電路工藝兼容展望第36頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三相變存儲(chǔ)器 (PCM)it is only in the past 1015 years that advances i

23、n materials and device technology have made it possible to demonstrate PCMs第37頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三工作原理PCM utilizes the large resistivity contrast between crystalline (low resistivity) and amorphous (high resistivity) phases of the phase change material.第38頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三第39頁(yè)，共46頁(yè)，

24、2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三amorphous Ge2Sb2Te5 is characterized by even-folded ring structures, whereas amorphousGeTe has both even- and odd-numbered rings.第40頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三相變材料的特點(diǎn)1.快速的相變轉(zhuǎn)換速率(High-speed phase transition)2.非晶態(tài)好的熱穩(wěn)定性（Long thermal stability of amorphous state）3.高阻和低阻之間大的差別（Large

25、resistance change between the states）4.高的可重復(fù)相變率（Large cycle number of reversible transitions）5.高的化學(xué)穩(wěn)定性（High chemical stability）Suitable materials for rewriteable optical storage that have been identified in the past few decadesare shown in the schematic phase diagram。第41頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三Sa

26、msung Ships Industrys First Multi-chip Package with a PRAM Chip for HandsetsIntel to sample phase change memoryIBM develops instantaneous memory, 100 x faster than flash第42頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)4分，星期三需解決的問(wèn)題Understanding the electrical properties (conduction mechanism, threshold switching physics, properties of the traps, and their relaxation behavior) is essential to have a complete picture of the reliability of PCM.Power consumption of PCM is expected to decrease as device siz