Säilmälu

Säilmälu (ingl non-volatile memory) on niisugune elektroonne või mehaaniline mittehaihtuv mälu, milles salvestatud andmed säilivad ka toitepinge väljalülitamise järel. Säilmälu kasutatakse andmete pikaajaliseks talletamiseks.

Pooljuhtmälu tüüpidest kuuluvad säilmälude hulka praegusel ajal laialt kasutatav välkmälu, samuti perspektiivsed FeRAM, MRAM ja PRAM.

Püsivalt säilivad andmed HDD- ja SSD-kettal, mälupulgal ja mälukaardil, samuti optilistel andmekandjatel CD-ROM ja DVD-ROM.

Erinevad Säilmälud

Säilmälusid on mitmeid erinevaid tüüpe, millel kõikidel on omad eelised ja puudused. Peamiselt saame jagada säilmälu kahe suurde kategooriasse: elektrooniliselt adresseeritav ja mehaaniliselt adresseeritav.

Elektrooniliselt adresseeritav

Elektrooniliselt adresseeritavad säilmälud kasutavad elektroonilisi mehhanisme et lugeda ja kirjutada andmeid. Elektrooniliselt adresseeritavate säilmälude hulka kuuluvad erinevad välkmälud ja erinevad püsimälud (ROM).

Välkmälu

Välkmälu (ingl flash memory) töötab EEPROM (ingl electrically erasable programmable read-only memory) tehnoloogial. Välkmälu on võimalik korduvalt kustutada ja üle kirjutada. Välkmälu arendas välja Dr. Masuoka Fujio ja tema tiim 1980. keskel. Välkmälu töötati välja Jaapani ettevõttes Toshiba. Mitmed tänapäeva seadmed on välja arendatud kasutades välkmälu. Sealhulgas digikaamerad, videokaamerad ja MP3-mängijad.

tööpõhimõte

peamine infoallikas: Flash memory

Välkmäluelement

Välkmälus meenutab iga mäluelement standardset Isoleeritud paisuga väljatransistor (ingl MOSFET), välja arvatud see, et transistoril on ühe värava asemel kaks. Elemente võib vaadelda kui elektrilülitit, milles vool liigub kahe klemmi (allika ja äravoolu) vahel ning mida juhivad ujuvvärav (ingl floating gate) ja juhtvärav (CG).Juhtvärav on sarnane teiste MOS-transistoride paisuga, kuid selle all on ujuvvärav , mis on ümberringi isoleeritud oksiidikihiga. Ujuvvärav on paigutatud juhtvärava ja MOSFET kanali vahele. Kuna ujuvvärav on oma isoleerkihiga elektriliselt isoleeritud, jäävad sellele asetatud elektronid lõksu. Kui ujuvvärav on laetud elektronidega, varjab see laeng juhtvärava elektrivälja, suurendades seega raku lävipinget (LP). See tähendab, et elemendi LP-d saab ujuvvärav laengut muutes muuta laadimata ujuvvärav lävipinge (LP1) ja kõrgema laetud ujuvvärav lävipinge (LP2) vahel. Väärtuse lugemiseks elemendist rakendatakse juhtväravale LP1 ja LP2 vaheline vahepinge (VP). Kui kanal juhib punktis VP, peab ujuvvärav olema laadimata (kui see oleks laetud, ei oleks juhtivust, kuna VP on väiksem kui LP). Kui kanal VP juures ei juhi, näitab see, et ujuvvärav on laetud. Lahtri binaarväärtust tuvastatakse, määrates kindlaks, kas transistorit läbiv vool, kui juhtväravale on kinnitatud VP. Mitmetasandilises rakuseadmes, mis salvestab rohkem kui ühe biti raku kohta, tuvastatakse vooluhulk (mitte lihtsalt selle olemasolu või puudumine), et ujuvvärava laengu taset täpsemalt määrata.

Püsimälu

 Pikemalt artiklis Püsimälu

Standartne püsimälu

Püsimälu(ingl read only memory või ROM) on säilmälu tüüp mida kasutatakse peamiselt arvutites ja teistes elektroonilistes seadmetes. Püsimälu on hea kasutada erinevate tarkvarade säilitamiseks. Tarkvara, mida säilitatakse püsimälus ja mida pole enam võimalik muuta nimetatakse püsivaraks (ingl firmware).

Rangelt võttes viitab kirjutuskaitstud mälu juhtmega mälule, nagu dioodmaatriks või mask-ROM integraallülitus, mida ei saa pärast valmistamist elektrooniliselt muuta. Ehkki diskreetseid vooluahelaid saab põhimõtteliselt muuta, lisades traate ja eemaldades või asendades komponente, ei saa integraallülitused seda teha. Vigade parandamine või tarkvara värskendused nõuavad uute seadmete tootmist ja installitud seadme väljavahetamist.

EPROM mälukiip

tööpõhimõte

Programmeeritav püsimälu

Sarnaselt RAM-ile töötab ROM-kiip, salvestades andmeid massiiviks organiseeritud mälurakkudesse. Iga mäluelement sisaldab fikseeritud transistoride paigutust, mis esindavad binaarandmeid, tavaliselt 0-sid ja 1-sid.

Tootmisprotsessi käigus tagavad sellised meetodid nagu fotolitograafia või elektriline programmeerimine, et andmed on nendesse mälurakkudesse püsivalt füüsiliselt kodeeritud.

eritüüpi püsimälud

Kustutatav programmeeritav püsimälu

Püsimälu on arenenud koos arvutitehnikaga ja selle käigus on välja kujunenud mitu püsimälutüüpi.

• MROM (Mask ROM ehk mask-ROM) – tootja programmeeritud ainult loetav mälu
• PROM (Programmable ROM ehk programmeeritav püsimälu) – tarbijal võimalik programmeerida üks kord

• EPROM (Erasable PROM ehk kustutatav programmeeritav püsimälu) – juba programmeeritud kiibil on võimalik infot kustutada UV-kiirguse abil ja seejärel sellele uuesti kirjutada. Iseloomulik on kiibil olev aken, mille kaudu toimub kustutamine. EPROM-elemendid koosnevad ujuvväravatest transistoridest, mis võivad elektrone kinni püüda või vabastada, esitades binaarandmeid laetud või tühjendatud olekuna.

• EEPROM (Electrically Erasable PROM ehk elektriliselt kustutatav programmeeritav püsimälu) – infot on võimalik kirjutada ja kustutada, kasutades selleks süsteemi enda elektritoidet; infot on võimalik kirjutada ja kustutada bittide kaupa (täpsemalt adresseeritavate üksustena – baitidena)
• Välkmälu (flash memory) – erineb EEPROMist selle poolest, et infot kustutatakse paljudest mälupesadest moodustatud plokkide kaupa.

Ferroelektriline Muutmälu (F-RAM)

 Pikemalt artiklis F-RAM

F-RAM skeem

Ferroelektriline RAM (F-RAM) on säilmälu tüüp, mis kasutab mittejuhtivaid ferroelektrilisi kihte kondensaatorina. F-RAM sarnaneb väljanägemiselt EEPROM-mäluga, kuid sellel on mitmeid olulisi eeliseid teiste mälutüüpide ees.

Eeliste hulka kuuluvad kiirus, väike elektrikulu ja vastupidavus kirjutus-lugemiskordadele. F-RAM ei vaja patareisid ega akusid mälu talletamiseks, mis teeb selle keskkonnasõbralikuks ja säästab ruumi trükkplaatidel. Lisaks võimaldab F-RAM kiiret säilmälu kõikjal, kus seda vajatakse.

F-RAM-i ehitus sisaldab ferroelektrilist kihti, mis koosneb pliitsirkonaattitanaadist (Pb(Zr,Ti)O3). Elektrivälja mõjul muudavad Zr ja Ti aatomid kihi polaarsust, mis võimaldab binaarsete andmete salvestamist. Kirjutamisel suunatakse elektriväli kihti vastavalt laengu polaarsusele, samas lugemisel mõõdetakse aatomite asukohta transistori abil.

F-RAM-i eelised teiste mälutüüpide ees hõlmavad väiksemat voolutarvet, kõrgemat kiirust ja praktilist vastupidavust lugemis-kirjutustsüklitele. Lisaks on F-RAM radiatsioonikindel ja turvaline. Puudusteks on aga väiksem salvestusmaht ja kõrgem hind võrreldes teiste mälutüüpidega.

Magnetoresistive RAM (MRAM)

 Pikemalt artiklis MRAM

MRAM koosneb ferromagnetilistest plaatidest, mille vahel on õhuke isolatsioonikiht. Üks plaadist on püsimagnet, teine aga võimaldab magnetvälja orientatsiooni muuta andmete salvestamiseks. Andmete lugemisel mõõdetakse elemendi elektritakistust, mis muutub vastavalt magnetvälja orientatsioonile.

Kirjutamiseks kasutatakse erinevaid meetodeid, sealhulgas toggle-režiimi ja spinnülekande pöördemomendi (STT) meetodit. STT tehnoloogia võimaldab kirjutamiseks vajalikku voolu oluliselt vähendada.

MRAM-i konkurentideks peetakse holograafilist talletust ja F-RAM-i (ferroelektriline RAM). F-RAM-i eelised hõlmavad väiksemat voolutarvet, suuremat kirjutuskiirust ja suuremat maksimaalset mälupesasse kirjutusarvu võrreldes välkmäluga.

tööpõhimõte

MRAM-mälu erineb tavalistest muutmäludest, kuna selle tööpõhimõte põhineb magnetlaengutel, mitte elektrilaengutel. Kõige lihtsamal kujul koosneb see kahest ferromagnetilisest plaadist, mille vahel on õhuke isolatsioonikiht. Üks plaatidest säilitab püsimagneti omadused, samas kui teist saab magnetvälja muutmiseks kohandada.

Andmete lugemise protsess hõlmab elektritakistuse mõõtmist iga elemendi juures. Tavaliselt valitakse element transistori abil, mis juhib voolu läbi elemendi. Magnetilise tunneli mõjul muutub elektritakistus, sõltuvalt plaatide välja orientatsioonist. Seejärel tuletatakse sellest, milline oli kirjutatud plaadi polaarsus: "1" antakse sama polaarsusega plaatide korral ja "0" vastupidise polaarsusega plaatide korral.

Faasimuutmälu (PCM)

 Pikemalt artiklis Faasimuutmälu

Faasimuutmälu võimaldab oluliselt suuremat mälutihedust kui välkmälupõhine sisseehitatud säilmälu(eNVM).

Ühebitise muudetavusega tagab PCM-tehnoloogia ka oluliselt parema kirjutamise ja võrreldava lugemise jõudluse.

tööpõhimõte

Faasimuutmaterjali faasi muutmine kuumtöötlusel.

Faasimuutmälu põhimõtteskeem

Mälu efekt tuleneb materjali faasimuutusest, kus kristalliline olek näitab madalat elektritakistust ning amorfne olek tähendab kõrget takistust. Väikse takistusega olek vastab mälus seatud olekule (kristall) ning suur takistus esindab mälu algset olekut (amorfne).

Mälu tootmisel muundatakse faasimuutmaterjal kristalliliseks, mis nõuab piisavalt kõrget temperatuuri. Materjali amorfseks muutmiseks tuleb see kiiresti sulatada ja jahutada, mis saavutatakse suure ja lühikese vooluimpulsiga. Kristalliseerumiseks kuumutatakse materjali piisavalt kaua kristalliseerimis- ja sulamistemperatuuri vahel, protsessi nimetatakse lõõmutamiseks. Lõõmutamine saab toimuda nõrgema, kuid pikema vooluimpulsiga. Piirkond, kus faasimuutmaterjali kuumtöödeldakse, nimetatakse programmeerimise regiooniks.

Faasimuutmälu koosneb mitmest osast, kus kogu konstruktsioon on üles ehitatud kahe elektroodi vahele. Faasimuutmaterjal on ühenduses isolaatori takistusel põhineva kuumutiga, luues programmeeritava regiooni, mille faasi saab temperatuuriga muuta.

Elektroodide vahel paikneb takistite jadaühendus, kus kogu ahela takistus sõltub programmeeritava regiooni faasist. Mälu loetakse, rakendades pinget ja jälgides saadud voolu, et otsustada, kas mälu on suure või väikese takistusega olekus. See võimaldab kasutada mälu lugemiseks regiooni, kus voolud on väikesed.

Takistusmälu (RRAM)

 Pikemalt artiklis RRAM

Takistusmälu ristmaatriks (crossbar switch)

Takistusmälu on arvuti püsimälutüüp, mis sarnaneb välkmälule, kuid eristub sellega, et kasutab bittide säilitamiseks takistust. Selle aluseks on takistuslülitusnähtus oksiidides, kus materjali takistus muutub vastavalt rakendatud pingele või voolule. Takistusmälu pakub mitmeid eeliseid, sealhulgas väikest pinnakasutust, kiiret ümberlülitus- ja lugemisaega ning pikaajalist säilimist ilma toiteallikata. Mälu füüsiline struktuur koosneb kahest elektroodist, mille vahel asub takistuslülituv materjal. Takistusmälu parameetrite hulka kuuluvad vastupidavus, oleku säilivus, lülitusaeg ja energiatarve. Võrreldes teiste mälutehnoloogiatega, nagu SRAM, DRAM, NOR-FLASH ja NAND-FLASH, pakub takistusmälu suurt potentsiaali suure andmemahutavuse ja kiire töökiiruse osas ning võib leida rakendust masinõppes ja tehisintellektis. Arendamisel on siiski mitmeid väljakutseid, sealhulgas materjalide struktuursete muutuste mõju parameetritele ja elementidevaheliste erinevuste vähendamine.

Mehaaniliselt adresseeritavad süsteemid

Mehaaniliselt adresseeritavad süsteemid teisi sõnu ka mehaaniliselt juhitavad süsteemid on säilmälu kategooria, kus seaded kasutavad erinevaid salvestuspäid, et lugeda ja kirjutada magnetilisele andmekandjale.

Kõvaketta lugemis- ja kirjutamispea

Mehaaniliselt adresseeritavad lint süsteemid (ingl tape drives) on järjestikused. See tähendab et kui on vaja saada ligi teadud andmetele tuleb ennem kõik eelnevad andmed läbi käia. Näiteks salvestab magnetlint andmed bittide jadana pikale lindile; lindi transportimine salvestuspeast mööda on vajalik salvestusruumi mis tahes osale juurde pääsemiseks. Lindikandjat saab draivist eemaldada ja hoiustada, mis annab lindi lahtivõtmise ja õige koha otsimise arvelt määramata võimsuse.

Kõvakettadraivid kasutavad pöörlevat magnetketast andmete salvestamiseks. Nende juurdepääsuaeg on pikem kui pooljuhtmälul, kuid andmete salvestamise hind biti kohta on madal ning need võimaldavad juhuslikku juurdepääsu ketta mis tahes asukohale. Varem olid levinud eemaldatavad kettapaketid, mis võimaldasid mälumahtu suurendada. Optilised kettad salvestavad andmeid plastketta pigmendikihti muutes ja pakuvad samuti juhuslikku juurdepääsu. Neid on saadaval kirjutuskaitstud ja lugemis-kirjutamisversioonidena.

Vaata ka

• Mäluseade