淺析內(nèi)存基礎(chǔ)知識：易失性、非易失性和持久性

計算機(jī)、游戲機(jī)、電信、汽車、工業(yè)系統(tǒng)以及無數(shù)電子設(shè)備和系統(tǒng)都依賴于各種形式的固態(tài)存儲器進(jìn)行操作。設(shè)計人員需要了解易失性和非易失性存儲器件的各種選項，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。

一種稱為持久存儲器 (PMEM) 的新型固態(tài)存儲器，為設(shè)計人員提供了優(yōu)化系統(tǒng)性能的第三種選擇。PMEM 預(yù)計不會取代其他形式的固態(tài)內(nèi)存或存儲設(shè)備。盡管如此，在某些應(yīng)用中，PMEM 可以提供更快的啟動時間、更快地訪問內(nèi)存中的大型數(shù)據(jù)集以及更低的擁有成本。

動態(tài)隨機(jī)存取存儲器

動態(tài)隨機(jī)存取存儲器 (DRAM) 最常用作 CPU、GPU、MCU 和其他類型處理器的主存儲器。DRAM 是一種易失性存儲器，僅在通電時才保留數(shù)據(jù)。DRAM 的基本構(gòu)建塊是存儲各個信息位的位單元。

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有多種針對特定應(yīng)用開發(fā)的 DRAM 類型，例如：

• DDR（雙倍數(shù)據(jù)速率）：最初，與單數(shù)據(jù)速率 DRAM 相比，DDR 內(nèi)存使用預(yù)取來將數(shù)據(jù)速率加倍。預(yù)取是一種有效的技術(shù)，可以將一代又一代的數(shù)據(jù)速率加倍，直至 DDR3。此時，還添加了存儲體分組 (DDR4) 和通道分割 (DDR5) 等其他技術(shù)，以支持一代又一代將數(shù)據(jù)傳輸速率加倍的持續(xù)需求。
• LPDDR（低功耗雙倍數(shù)據(jù)速率）：有時稱為 mDDR（移動 DDR），LPDDR 的開發(fā)是為了支持平板電腦、手機(jī)、SSD 卡、汽車系統(tǒng)等低功耗應(yīng)用的需求。LPDDR 具有低功耗特性，例如較低的工作電壓和“深度睡眠模式”，與傳統(tǒng) DDR 存儲器相比可顯著節(jié)省功耗。
• GDDR（圖形雙倍數(shù)據(jù)速率）：GDDR 芯片是為支持顯卡而開發(fā)的，具有更大的總線并支持更高的 I/O 時鐘速率，可直接與圖形處理器單元 (GPU) 連接。GDDR 還用于一般的高帶寬應(yīng)用，而不僅僅是 GPU。

DDR5 是最新形式的 DRAM，旨在通過將內(nèi)存性能提高 85% 以上來支持下一代服務(wù)器工作負(fù)載。當(dāng)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)師尋求通過增加內(nèi)存帶寬和容量來提供快速增長的處理器核心數(shù)量時，DDR5 將內(nèi)存密度提高了一倍，同時提高了可靠性。

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非易失性存儲器

非易失性存儲器（NVM）采用電尋址固態(tài)存儲器（各種形式的只讀存儲器）和機(jī)械尋址存儲器（硬盤、光盤、磁帶等）的形式，通常稱為存儲。即使電源被移除，NVM 也會保留數(shù)據(jù)。電氣和機(jī)械可尋址方法之間存在權(quán)衡。機(jī)械可尋址系統(tǒng)的每比特成本要低得多，但訪問時間要慢得多。電可尋址系統(tǒng)速度非常快，但與機(jī)械可尋址存儲設(shè)備相比，價格昂貴且容量較小。

半導(dǎo)體非易失性隨機(jī)存取存儲器 (NVRAM) 和只讀存儲器 (ROM) 通常根據(jù)其采用的寫入機(jī)制進(jìn)行分類：

• 掩膜 ROM – 僅可在工廠編程，通常用于大批量產(chǎn)品
• EPROM – 可擦除可編程 ROM，可通過設(shè)備上石英窗照射的紫外線進(jìn)行擦除。
• EEPROM – 電可擦除可編程 ROM，使用外部施加的電壓來擦除數(shù)據(jù)。
• 閃存 – 與 EEPROM 類似，具有更大的存儲容量，但讀/寫速度更快。
• F-RAM – 鐵電 RAM（一種早期技術(shù)）的結(jié)構(gòu)與 DRAM 類似；兩者都使用電容器和晶體管。盡管如此，F(xiàn)-RAM 單元并不使用電容器的介電層，而是包含一層鋯鈦酸鉛鐵電薄膜，即使在電源中斷時，它也可以改變極性并在狀態(tài)之間切換并保留數(shù)據(jù)。
• MRAM – 磁阻 RAM（一種早期技術(shù)）將數(shù)據(jù)存儲在稱為磁隧道結(jié) (MTJ) 的磁性存儲元件中。

持久記憶

持久內(nèi)存 (PMEM) 是高性能固態(tài)內(nèi)存，比閃存等非易失性內(nèi)存更快，并且比 DRAM 更便宜。由 Micron 等公司提供的非易失性雙列直插內(nèi)存模塊 (NVDIMM) 和 Intel 3D XPoint DIMM（也稱為 Optane DC 持久內(nèi)存模塊）是 PMEM 的兩個示例。

英特爾傲騰等持久內(nèi)存模塊在成本和性能方面介于 DRAM 和 SSD 之間

PMEM 是第三種內(nèi)存選項。它具有與存儲（例如 SSD 和磁盤驅(qū)動器）類似的方面，以及一些與易失性和非易失性存儲器類似的方面。預(yù)計它不會取代存儲或內(nèi)存。盡管如此，它還是為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了一個額外的工具，可以提供更快的啟動時間、更快地訪問內(nèi)存中的大型數(shù)據(jù)集以及更低的擁有成本。

持久內(nèi)存的主要優(yōu)點包括：

• 訪問延遲低于閃存 SSD。
• 與閃存相比，吞吐量有所提高。
• 與閃存一樣，斷電后數(shù)據(jù)仍保留在內(nèi)存中。
• PMEM 的成本比 DRAM 低。
• PMEM 是可緩存的。
• 提供對數(shù)據(jù)的實時訪問；支持快速訪問大型數(shù)據(jù)集。

最近的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

JEDEC于2020年7月發(fā)布了最新的JESD79-5 DDR5 SDRAM標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)滿足了密集型云和企業(yè)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用驅(qū)動的需求，為開發(fā)人員提供兩倍的性能和大幅提高的功效。

JEDEC DDR4 標(biāo)準(zhǔn)于 2020 年 1 月更新，旨在提供更高的性能、更高的可靠性和更低的功耗，從而相對于以前的 DRAM 內(nèi)存技術(shù)取得了重大成就。

雖然上述兩個標(biāo)準(zhǔn)由 JEDEC 委員會 JC-42 維護(hù)，但 JESD21-C 標(biāo)準(zhǔn)“固態(tài)存儲器配置”由 JEDEC 委員會 JC-41 維護(hù)。JC-41 擁有廣泛而活躍的會員，該標(biāo)準(zhǔn)以活頁夾格式發(fā)布，以適應(yīng)頻繁的更新和更改。