什么是非易失性存储器 (NVM)？

引言

存储器是任何计算系统的重要组成部分，负责高效存储和管理数据。它充当数字存储库，存储数据和指令，使中央处理器 (CPU) 能够高效执行程序。通过存储输入数据和持续操作的结果，存储器确保了轻松的性能和快速的处理。

这种能力大大提高了计算机系统的整体效率和可靠性。存储器根据其数据保留特性和非易失性，大致分为两类。易失性存储器，例如 RAM（随机存取存储器），仅在系统运行时才保留数据。一旦计算机关闭，所有存储的信息都会消失，使其成为一种临时存储介质。

另一方面，非易失性存储器 (NVM) 即使在没有电源的情况下也能保留数据，直到手动删除，确保长时间保留。这种区别使 NVM 成为永久数据存储的重要元素。本文探讨了非易失性存储器的复杂性，研究了其定义、特性和在现代计算中的应用。

系统制造商为各种目的制造了各种非易失性存储器芯片。例如，非易失性存储器可以存储设备（例如硬盘驱动器 (HDD) 和磁盘磁带）的控制器程序代码。其他类型的非易失性存储器 (NVM) 通常用于在 USB 存储、固态驱动器 (SSD) 或存储卡和智能手机等设备中保存数据。

非易失性存储器是一种计算机存储形式，即使系统断电，其存储的信息也能保持不变。与需要持续电流来维持数据的易失性存储器不同，NVM 使用基于半导体的技术在没有持续电源的情况下保留信息。这种潜在的稳定性使其成为长期数据存储的理想解决方案。虽然非易失性存储器比 易失性存储器（例如 RAM）更昂贵、更慢，但它通过高存储密度和能源效率弥补了这一点。

NVM 的常见示例包括 ROM、固态驱动器 (SSD)、USB 闪存驱动器 和传统硬盘驱动器 (HDD)。从本质上讲，非易失性存储器通过浮栅存储单元运行，这些存储单元涉及电荷以无限期存储数据。这种技术用于辅助存储设备，确保数据在扩展期间保持完整。NVM 芯片的各种变体服务于不同的目标——一些管理 HDD 和磁带驱动器中的控制程序，而另一些则促进 SSD 和存储卡中的数据存储。

非易失性存储器的主要特性

非易失性存储器具有许多明确的特性，使其在计算和电子设备中不可或缺

1. 永久数据持久性： NVM 的最重要优势之一是它们无需持续供电即可维持数据的能力。这种持久性确保了操作系统文件、固件和用户数据等重要信息在意外断电或系统关闭期间保持安全。
2. 与易失性存储器相比的能源效率： NVM 消耗的电量显著减少，使其非常适合电池供电设备，例如智能手机、平板电脑和数码相机。其低功耗要求有助于延长电池寿命并提高便携式电子设备的能源效率。
3. 高存储容量：非易失性存储器提供更好的存储密度，允许以紧凑的形式存储大量数据。此功能在现代存储解决方案（例如 SSD）中特别有利，这些解决方案提供了在保持快速访问速度的同时保持大容量的能力。
4. 存储重要数据的可靠性：由于其频繁的性质，NVM 用于存储大量任务关键型数据，包括系统 BIOS、配置设置和固件更新。其可靠性确保所需信息长期保留，降低数据丢失的风险。利用这些特性，非易失性存储器在推动各种行业的数据存储技术方面发挥着关键作用。

非易失性存储器的类型

许多其他 NVM 存储器类型广泛用于从商业和个人设备读取和写入数据；每种类型都有其自身的优点和缺点。NAND 闪存是数据存储中最常见的类型，包括多种变体，例如单层单元或每多层单元一个位；每单元两个位；每单元三个位；以及每单元四个位。

制造商不断更新 NAND 闪存技术以降低每位成本。当他们难以扩展具有单层存储单元的二维 NAND 技术时，他们引入了 3D NAND 闪存。

技术供应商还在继续研究额外的 NVMe 技术，以最大限度地降低成本、提高效率、改善数据存储容量并降低能耗。

非易失性存储器与易失性存储器之间的区别

计算系统中的存储器根据数据保留特性可广泛分为两类：行为存储器和非易失性存储器。两者之间的根本区别在于它们对电源的依赖性以维持存储的信息。易失性存储器需要持续供电才能维持数据，而非易失性存储系统即使在断电时也能保留信息。这两种类型都在计算中发挥着重要作用，根据每种应用提供独特的优势。

易失性存储器主要使用半导体技术，在断电后会丢失所有存储数据。常见示例包括动态 RAM (DRAM) 和静态 RAM，它们广泛用于计算机中的临时数据存储。一些易失性存储设备集成备用电池解决方案，以在低电中断期间扩展数据保留时间，确保重要程序不受干扰。在现代计算系统中，易失性存储器和非易失性存储器都用于优化性能和存储效率。

每种类型都有其自身的优点和局限性，这使得它们适用于各种计算需求。以下是它们主要功能的详细比较。

NVM 与 NVMe

非易失性存储器和非易失性存储器表达这两个词听起来相似，但它们是不同的，并且具有特殊的特性。NVM 是一种半导体技术，于 20 世纪 50 年代开发，而 NVMe 是由技术供应商于 2009 年合作创建的主机控制器平台和存储协议。

2011 年 3 月 1 日，NVM 主机控制器接口工作组发布了 1.0 NVMe 规范。NVMe 旨在通过设备上的 PCIe 总线加速主机系统和 SSD 之间的数据传输。NVMe 支持各种非易失性存储器类型，例如 NAND 闪存以及 Intel 和 Micron 的 3D XPoint 技术。

NVMe 是与 SAS 和 SATA 驱动器配合使用的传统紧凑型计算机系统接口和高级技术连接的替代方案。与 SCSI 和 ATA 命令集相比，非易失性存储器所需的处理指令不到一半。基于非易失性 (NVM) 的 PCIe SSD 具有更低的延迟、更高的 IOPS，并且相对于基于 SAS 和 SATA 的 SSD 而言，功耗显著降低。

非易失性存储器 (NVM) 的优点

非易失性存储器提供了许多显着优势，使其成为现代计算和电子设备中不可或缺的组件。

1. 与易失性存储器相反，NVM 即使在断电时也能保留其数据，使其非常适合操作系统、应用程序和用户文件的长期存储。这种持久性确保重要数据永远不会因意外关机或断电而丢失。
2. 能效很重要，因为 NVM 不需要持续供电来维护存储信息；它们比易失性存储器消耗的能量少得多。这非常适合电池供电设备，例如智能手机、平板电脑和物联网传感器，在这些设备中节约电量很重要。
3. 高存储容量存储技术（例如 SSD、闪存驱动器和 HDD）与易失性存储器（通常限于千兆字节）相比，提供了更大的存储容量（高达数太字节）。这使用户能够收集大量数据，包括高分辨率媒体、大型数据库和复杂的软件应用程序。
4. 可靠性和耐用性很重要；像许多 NVM 类型（例如 SSD 中的 NAND 闪存）一样，它们没有移动部件，因此比传统硬盘驱动器 (HDD) 更耐物理冲击、振动和磨损。这种耐用性在便携式和工业应用中特别有利。
5. 快速启动和加载时间：使用 NVM（尤其是 SSD）的设备与依赖 HDD 的系统相比，启动时间更快，应用程序加载速度也更快。这种整体系统改进提高了可靠性。
6. 与依赖旋转磁盘的 HDD 不同，大多数 NVM 解决方案（例如 SSD 和闪存存储）由于没有机械部件而安静运行。
7. NVM 允许在不增加成本的情况下增加存储密度（例如3D NAND 闪存）。这种可扩展性确保未来的存储解决方案能够跟上不断增长的数据需求。
8. NVM 用于各种领域，从消费电子产品（USB 驱动器、存储卡）到企业存储（数据中心、服务器）和嵌入式系统（BIOS、固件存储）。其多功能性使其成为现代计算的基石。
9. 由于 NVM 无需电力即可保留数据，因此它对于安全存储加密密钥、身份验证数据和固件非常有用，从而降低了断电期间数据丢失的风险。

非易失性存储器 (NVM) 的缺点

尽管非易失性存储器具有优势，但它也存在一些限制，会影响其在某些场景中的性能和用途。

1. 写入速度慢是一个显着的限制，因为 NVM（尤其是 SSD）的读取速度通常更快。
2. 在闪存中，由于需要更早的写入周期，这会减慢写入操作。它可能会导致写入密集型应用程序出现障碍。
3. 大多数 NVM 技术（尤其是 Nanda 闪存）在存储单元衰减之前具有有限的程序/擦除 (P/E) 周期数。随着时间的推移，过度写入会导致磨损，从而缩短 SSD 和 USB 驱动器的寿命。
4. 每 GB 成本（高于 HDD），尽管 SSD 价格有所下降，但每千兆字节仍比传统 HDD 更昂贵。这使得 SSDS 成本分散，特别是对于具有大容量要求的企业存储用户而言。
5. 数据损坏风险——某些 NVM 类型（例如闪存）如果不时进行操作（档案存储的担忧），随着时间的推移容易受到数据损坏的影响。
6. 此外，写入操作期间突然断电会导致数据损坏。由于物理限制（例如闪存中的电荷泄漏），涉及 NVM 单元的复杂纠错要求需要高级纠错码 (ECC) 来维护数据完整性，从而增加了控制器的复杂性。
7. 与易失性存储器相比速度慢——即使是最快的 NVME SSD 也无法与 Dram 或 CPU 的速度相媲美。这意味着系统仍然依赖不稳定的存储器进行高速处理，而 NVM 则充当辅助存储。
8. 在某些形式中，容量 SSD 和 HDD 的限制提供了高容量，而其他 NVM 类型（例如 EEPRM 或闪存）的存储限制非常小，限制了它们用于固件和小型数据应用程序。
9. 热敏感性——一些 NVM 技术（尤其是 3D Nand）在密集操作期间会产生热量，如果未通过冷却解决方案妥善管理，可能会影响显示和寿命。
10. 兼容性和标准化问题——各种 NVM 技术（例如 SATA SSD 与 NVMe SSD）需要特定的接口，这会使升级和系统集成复杂化。
11. 环境影响——NVM 组件（尤其是闪存）的生产和处置涉及危险材料，增加了对电子废物和稳定性的担忧。

常见问题 - 非易失性存储器 (NVM)

Q1. 电寻址和机械反射非易失性存储器之间主要区别是什么？

答：电寻址 NVM 使用电信号进行数据操作且快速，而机械嵌入式 NVM 使用激光或磁头等物理机制，通常对于慢速但批发存储更具成本效益。

Q2. 为什么闪存比 Eprom 更常用于现代设备？

答：闪存比 EPROM 更方便，因为它可以在不需要紫外线的情况下以块为单位进行电擦除和重写，使其更适用于持续数据更新。

Q3. F-RAM 在不同类型的非易失性存储器中产生什么？

答：F-RAM 闪存结合了 DRAM 的速度和非易失性，使用铁电层，与闪存相比，具有更快的读取速度、更高的耐久性和更低的功耗。

Q4. 尽管是机械寻址存储器，光盘为何仍在使用？

答：光盘因其低成本、耐用性和与现有播放设备的兼容性而适用于长期算术存储和媒体分发。

Q5. MRAM 如何将数据与传统闪存区分开来？

答：MRAM 使用磁隧道结中的磁态而不是电荷来收集数据，这可能意味着无限的读/写访问时间和几乎无限的闪存访问。