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主题：【原创】话说memory -- 无梦到徽州
家园 【原创】话说memory 话说人类自有文明诞生起，就有了记录信息的需求。记录信息的载体，自泥板、石刻、青铜器、简牍、羊皮、纸张、塑胶一路走来，已经演化了五千多年。古希腊人把记忆女神Mnemosyne当做九位缪斯女神的生母，从某种意义上说，也是意识到了记录对于文明形成的影响。英语中的memory一词，也正是来源于此。
外链图片需谨慎，可能会被源头改Mnemosyne的马赛克壁画，罗马时期的作品。
当电子计算机诞生以后，对于存储器的新型需求也随之进化。电子计算机的存储器演化史，总结下来，四个字：更小、更快。
更小，是指对存储密度的需求，从最早的占据几个房间的真空管到今天的轻便的flash disk，从古老的硕大磁鼓到今日不超过手掌大小的硬盘，可以存储的信息量都呈现了巨大的增长，也正是基于这种增长，上个世纪下半叶开始的信息技术革命才开始有了可能。
外链图片需谨慎，可能会被源头改真空管存储器，vacuum tube memory
外链图片需谨慎，可能会被源头改磁鼓存储器，drum memory
外链图片需谨慎，可能会被源头改磁芯存储器，局部
更快，是指对于速度的需求，随着计算机运算速度的指数级增长，普通存储器早已不能满足计算机的需求，而通常，速度越快的存储器，其造价（cost/bit）也越昂贵，所以自上世纪八十年代开始，人们在电子计算机上开始采用一个金字塔型的存储器结构以达到性能和造价的平衡。
这里借用一幅示意图来说明
外链图片需谨慎，可能会被源头改位于金字塔最顶端的是，是cpu缓存，cpu cache，这是已经嵌入cpu芯片内部的一个存储单元，通常由数据缓存、指令缓存以及一个页表缓存组成。这是造价最昂贵也是速度最快的存储器。
然后在cache之下，便是电脑内存，通常是SRAM或者DRAM，它们的速度也颇为可观，但有一个缺点就是数据不能永久存储，即volatility，一旦断电数据便全部丢失。所以还需要一些速度比它们慢但能保证数据不会丢失的non-volatile存储器，比如flash disk、光盘以及硬盘之类，它们组成了金字塔的底端。
理论上，只要保证连续供电，SRAM和DRAM也能做成non-volatile的存储器，事实上，早就有人做过这样的尝试，用大量内存芯片连接在一起，通过电池提供电力，做成如下所示的RAM Disk。
外链图片需谨慎，可能会被源头改未完待续
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家园 【原创】话说memory 六 PCRAM 首先先道个歉，从去年坑到今年，实在有些过意不去，总算年会结束，该发的文章也交出去了，多了些空闲时间，就来填坑吧，可惜下周又要忙起来了，只好抢在周日的晚上来填上一点土。希望看文的各位铜子砖轻点砸，不好意思啊。
PCRAM咋一看，容易误以为是说电脑上的内存条，PC-RAM嘛，实际上，它是Phase Change Random Access Memory的缩写，是一种新型存储器，也是一种Non Volatile的存储器。
PCRAM的原理很简单，顾名思义，是一种利用Phase Change也即中文所说的相变原理的存储器。利用物质的两个不同相来分别对应0和1，用控制相变过程的方法进行数据的改写。
目前PCRAM利用的是硫系玻璃，以它的晶体态和无定形态两个状态来存储数据，用加热的方法来控制晶体态和无定形态之间的相变。其实这和光盘很有些相似，毕竟光盘用的也是硫系玻璃，只是PCRAM用的是电加热而非激光加热，改变的是材料的电阻率而非折射率，无需激光挪来挪去，所以具有随机存储的特性。
外链图片需谨慎，可能会被源头改上边是PCRAM的示意图，可见，在加热以后发生相变，硫系玻璃材料从晶体变成了无定形体（右边那块），电阻率上升。
PCRAM的优点主要有结构简单易扩展，读写速度不错以及能耗低这几点，但也有一个弱点就是寿命问题，用过CD-RW的盘片的人都知道，说是可擦写，可实际上擦写几次之后数据就会读不出来了，这主要是因为材料老化了。同样也是使用硫系玻璃的PCRAM也具有这一先天弱点，虽然PCRAM的寿命比起Flash来说还是很可观的，所以并不妨碍它对目前的Flash Memory形成挑战，但比前面提到的MRAM来，还是少了至少五个量级，也就是十万倍。其实换个思路想想，PCRAM是通过改变原子排列来改写数据的，这和改变电子自旋排列的磁存储比起来，显然有先天的劣势。学过点固体物理的都知道，完美晶体是罕见的，晶体内的缺陷会使得晶体性质发生改变，而PCRAM这样频繁多次改写，会促成其存储晶体内的大量缺陷生成，最终导致无法生成足够好的晶体态而写入失败。
不过，虽然PCRAM有寿命这一缺陷，但由于原理和结构的简单性，PCRAM在工艺上比MRAM容易实现的多，目前已经有三星宣布进行512MB的量产，相信不久的将来，可能某些智能手机上就会出现它的身影了。
外链图片需谨慎，可能会被源头改家园 PCRAM的真正问题是 速度不如DRAM，密度不如FLASH，而SCALE DOWN又同样也很困难。PCRAM的商业化前景实际上是很困难的。
整个MEMORY所面临的问题是，无法寻找一个DEVICE能够瞧有效地进一步SCALE DOWN。而从工艺角度来说，进一步的SCALE DOWN不论是何种DEVICE都以经相当困难。。。
家园 居然才看到这个专题。关于flash 涨知识了。逐篇花之。
不过关于flash，我有点不同意见。现在存储界对flash抱有很大希望，因为flash的速度正好介于memory和hard disk之间，工业界希望它能变成在memory和hard disk之间的缓存。Intel和AMD都出了把flash嵌入motherboard的架构，存储大公司也在这方面异常活跃，就这几个月都有好几个这方面的专利申请。有可能flash将进一步改变计算机的I/O架构。
家园 en,短期内flash还是很牛的，但长期来看，flash 的写入速度太慢和寿命限制使得它做不了universal memory，而存储系统一体化是发展趋势，所以长期来看，flash最终是会淡出的。
说到底还是个Time scale的问题，未来几年内flash还是会继续兴旺下去，但十几年几十年的尺度上，就未必了。
家园 flash不能做memory，但能做hard disk的 缓存。flash读写速度在memory和hard disk之间，而长期以来memory和硬盘之间读写速度的差距太大（2-3个数量级），flash正好填补了这个空缺。所以虽然flash确实做不了memory，但可以在memory和硬盘之间增加一级缓存，大大增加计算机的性能。这就是现在在活跃演化的架构。如果这个成为主流的话，那flash就会和memory和硬盘一样成为计算机标准配置了。
家园 en,你说的还是分级架构的存储系统，现在随着移动便携设备 的发展，业界越来越亲睐universal memory，因为系统简单多了，毕竟移动设备小型化是趋势，很难想象APPLE的iPhone要是用了SRAM Cache/DRAM memory/Flash Cache/HDD的多级存储系统之后会有多大和多笨重。而且unviersal memory还有几个优点就是节约数据传输时间和耗电量少。
而且，flash只是读的速度快，写的速度并不快，这也是为什么它叫做ROM的原因。因为数据写入太慢，可以视作read only memory了。所以flash做缓存的话，写入速度未必得到多少提高。而且flash做缓存，寿命的限制在那里摆着，硬盘的读写是相当频繁的，flash的10^6次写入寿命很快就会耗尽。
我明白你的意思，flash是有优点，但我想说明的是，它的缺点也很明显，现在之所以能够繁荣是因为其他技术尚未完全成熟，等时机一到，flash的时代还是会结束的。
家园 【原创】话说memory 五 MRAM MRAM是Magnetoresistive Random Access Memory的缩写，顾名思义，是磁存储器的一种，可视作磁带磁鼓磁芯磁碟（即硬盘软盘）家族中的新一代成员。自上个世纪80年代末，巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance）被Albert Fert与Peter Grünberg发现以来，硬盘技术得益于此而得到了很大提高，从原本的几MB几十MB硬盘迅速发展为今日的GB甚至TB级硬盘，与之同时，也使得一部分人意识到，磁存储技术也是有成为RAM的可能。
外链图片需谨慎，可能会被源头改Albert Fert与Peter Grünberg因巨磁阻效应荣获2007年诺贝尔物理学奖时的照片
与硬盘不同，既然是RAM，那么MRAM必须得是固定的一个整体，不可能有需要物理移动寻址的部件。MRAM是一个网格结构的存储器，每一个网格是一个bit，每个格点中，两层铁磁体被一层无磁性的隔层分开。
外链图片需谨慎，可能会被源头改如上图所示，当两层铁磁体的磁矩方向一致时，记录信息为0，磁矩方向不同时，记录信息为1。
MRAM中存储信息的提取可以通过巨磁阻效应实现。由于巨磁阻效应，可知两层铁磁提磁矩方向一致时的电阻远小于磁矩方向不一致时的电阻，由此引起的电流强弱或电压高低变化可以转变为我们所需要的电信号。这就是MRAM读的过程。
对于写的过程，要稍微复杂一些，传统的MRAM通过流经铁磁体外部电流的产生磁场来改变铁磁体方向，但随着存储密度的不断提高，被写入格点的临近格点也有可能被转变磁矩方向，因而对于电流的精确控制成了一个问题。于是，一个新的改变铁磁体磁矩的方法应运而生，即自旋转移磁矩（spin transfer torque）方法。
我们知道，通常情况下，电流内部电子的自旋分布是平均分配的，即电流是未极化的，但如果这种平衡被打破，电流内的电子自旋偏向某一特性方向时，此时的电流称作极化电流。当这样的极化电流流经铁磁体时，会与铁磁体内的磁矩发生磁相互作用，当极化电流足够强时，铁磁体的磁场方向就有可能改变。
这种写入方法的好处是，仅极化电流流经的铁磁体会受到影响，邻近格点的铁磁体不受影响，所以存储密度不再受到电流控制精度的限制。而且由于不再需要严格控制电流所产生的磁场，整个存储格点的结构可以大幅度简化，对于工艺的要求降低，存在进一步提升存储密度的空间。
外链图片需谨慎，可能会被源头改自旋转移磁矩这一效应可以形象的理解为极化电流的自旋转移到了铁磁体身上，即所谓自旋转移磁矩，也可以理解为极化电流将自旋注入了铁磁体中，即spin injection，它们其实是同一个概念。
目前，在MRAM领域，日本公司是技术最先进的，早在2007年的磁学年会上，东芝公司便展出了一块2MB的使用自旋转移磁矩技术的MRAM实验芯片，今年早间，东芝公司宣布他们做出了32MB的芯片。目前，美国公司和各研究机构正在奋起直追，究竟最终鹿死谁手，尚是未知之数。
MRAM比起DRAM和SRAM来，在速度上并不存在明显优势，但由于其结构的简单性，且无能耗问题需要担心，理论上而言，在存储密度上有着很大优势。目前MRAM的关键是找到适合高密度存储和快速存储的磁性材料。一旦这个问题解决，MRAM作为一种通用存储器，将对现有的SRAM/DRAM/Flash产生很大威胁。
P.S. 认证数要求达到了，谢谢投票的各位。刚刚才发现，已经被版主加为精华了，汗。。。。。。努力填坑中，争取在感恩节假期把这个坑填完。谢谢各位捧场~~
元宝推荐：铁手, 通宝推：一无所之,家园 【原创】话说memory 四 如果有一天，有一种新的不再漏水的水桶，那又会怎样呢？
首先，能耗会显著减少，不需要不断的提供电力以维持数据。
其次，系统速度会提高，由于关机以后数据仍然留在内存中，相当于休眠在内存里，那么下次开机的时候，将会可以立即继续上次的操作，无需系统初始化。
再次，理论上说，如果RAM足够大，可以做到将文件全部放在RAM里，做成一台纯RAM的机器，其性能比起普通电脑来，将有显著提高。
所以，如果能找到一种足够便宜，足够快，又具有足够的容量的新型non-volatile RAM来取代现有的S/DRAM/硬盘/Flash，整个电脑技术将有一种革命性的改变。
P.S. 关于速度，补充一点资料
到目前为止，SRAM仍然是速度最快的存储器，但DRAM的优势在新型存储器的挑战面前并不明显，这里有幅图片，可见至少FeRAM和MRAM对DRAM有速度优势。
外链图片需谨慎，可能会被源头改它们在面对SRAM的时候，仍有劣势，但不明显。考虑到这是两种新型的RAM，技术尚不成熟，未来技术成熟后，在芯片速度上可能还有一些提升空间。
这儿还有一组数据
外链图片需谨慎，可能会被源头改以及对比图片
外链图片需谨慎，可能会被源头改当然SRAM和DRAM已经很成熟了，但成熟就是无法取代的理由吗？火车起初也是跑不过技术发展成熟的马车的。
我在这里主要想介绍一下几种业界正在研究正在试图做出的新型RAM的原理和优缺点，并不敢预言谁就是下一代存储器，谁能取代SRAM/DRAM，谁能取代Flash/硬盘，毕竟，它们都是正在开发中，还有许多不足，但迟早，它们之中将会有一个幸运儿被选中，去取代今日的存储器们。
啰嗦了半天，还是没扯到正题，不过开篇废话总算说完了，下一篇将介绍MRAM。