NVRAM (Non-Volatile Random Access Memory)

Was ist NVRAM (Non-Volatile Random Access Memory)?

NVRAM (Non-Volatile Random Access Memory) ist Memory, das auch dann noch Daten speichern kann, wenn die Stromzufuhr zu den Speicherchips unterbrochen wurde.

NVRAM ist eine Untergruppe der größeren Kategorie der nichtflüchtigen Memorys, zu denen auch die auf NAND-Flashbasierenden Memory gehören. Flash-Memory-Chips sind beim Lesen und Schreiben langsamer als RAM-Chips und eignen sich daher weniger gut als aktiver Rechenspeicher (Computational Memory).

Computerhersteller verwenden NVRAM hauptsächlich, um Informationen über den Zustand des Computers zu speichern und so die Startzeiten zu verkürzen. Auf diese Weise können Informationen über die Komponenten und Geräte im Computer gespeichert werden, auch wenn das System ausgeschaltet ist. Das Standard-Memory verwendet dynamisches RAM (DRAM), das eine konstante Stromversorgung benötigt, um die Daten zu speichern.

NVRAM-Typen

Das Static Random Access Memory (SRAM) ist der Vorgänger des DRAM und lässt sich wesentlich schneller auslesen. Er ermöglicht das Lesen von Daten auf Byte-Ebene, wohingegen DRAM das Lesen auf Page-Ebene, das heißt mehrere Bytes auf einmal, erfordert. SRAM kann jedoch ohne elektrische Ladung keine Daten speichern und wird daher durch den Einsatz einer Batterie, die eine konstante Erhaltungsladung gewährleistet, nichtflüchtig. SRAM ist in der Herstellung wesentlich teurer als DRAM und eignet sich daher am besten für kleine Datenspeicheranwendungen, zum Beispiel für die Speicherung von Computer-Startdaten – BIOS-Daten bei Windows-PCs und Parameter-RAM-Daten bei Apple-Computern.

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM) basieren auf dem Floating-Gate-Transistor, bei dem ein hochisolierendes Material für das Gate-Terminal oder Switch verwendet wird, der einen Transistor in eine binäre1- oder 0-Ziffer verwandelt. Solange keine ausreichend hohe Spannung angelegt wird, um das Gate zu öffnen, bleibt der Transistor in seinem letzten Zustand, und der gesamte Chip speichert die Daten, aus denen diese binären Ziffern bestehen.

Sowohl SRAM- als auch EEPROM-Chips benötigen für ihren Betrieb eine viel höhere Leistung als DRAM, was den Verschleiß erhöht und ihre Lebensdauer verkürzt.

Ferroelektric RAM (FRAM) ist ähnlich aufgebaut wie DRAM. Anstelle einer dielektrischen Schicht wird bei FRAM jedoch eine dünne Schicht aus ferroelektrischem Material verwendet, die ihre Polarität ändert, wenn ein elektrischer Strom angelegt wird. Wenn der Strom abgeschaltet wird, behält die Schicht die letzte Polarität bei und der Chip speichert die Daten. Da die Speicherdichte viel geringer ist als bei DRAM und das Material unter rauen Bedingungen viel haltbarer ist, wird FRAM in der Regel in bestimmten Industrie- und Automobilanwendungen eingesetzt.

Magnetoresistive RAM (MRAM) nutzt die Änderung magnetischer Zustände in einem magnetoresistiven Material anstelle von elektrischen Zuständen in einem dielektrischen Material, um die binären 1 oder 0 Bits zu speichern, aus denen die gespeicherten Daten bestehen. Die Daten werden mit einer Lese- und Schreibtechnologie namens Spin-Transfer-Torque gelesen und geschrieben, wodurch MRAM eine höhere Speicherdichte als DRAM erreicht. Anders als Flash-Speicher verschlechtert sich MRAM nicht bei ständigem Gebrauch.

Phase Change Memory (PCM) basiert auf der Fähigkeit, den physischen Zustand eines Materials von einem flüssigkeitsähnlichen amorphen Feststoff in einen kristallinen Feststoff und wieder zurück zu ändern, ähnlich wie bei einer CD oder DVD. Bei PCM ändert das Material seinen Zustand, wenn elektrischer Strom, nicht Laserlicht, angelegt wird. Das Material kann seinen Zustand schnell ändern, wodurch PCM noch schnellere Lese- und Schreibzeiten als NAND-Flash aufweist und theoretisch an die Geschwindigkeit von DRAM heranreicht.

NVRAM und Flash

Wie EEPROM-Chips basiert auch NAND-Flash auf Floating-Gate-Transistoren. Bei der Entwicklung wurde jedoch auf niedrigere Herstellungskosten geachtet, daher ist die interne Struktur anders als bei EEPROM. Die Daten werden in Blöcken gespeichert und nicht in Pages wie bei DRAM oder Bytes wie bei SRAM. Dadurch ist die interne Verdrahtungsstruktur des NAND-Flash-Memorys einfacher als bei anderen Speichertypen und ermöglicht eine höhere Speicherdichte, wodurch die Gesamtkosten pro gespeichertes Byte sinken. Außerdem ist das Flash-Memory langsamer als andere chipbasierte Arbeitsspeicher, aber schneller als Magnetplattenspeicher, wie beispielsweise Festplattenlaufwerke.

NVRAM und Flash-Memory werden in einem Produkt kombiniert, das als Non-Volatile Dual-Inline-Speichermodul (NVDIMM) bezeichnet wird und in die DIMM-Steckplätze auf der Hauptplatine eines Computers passt.

Die NVDIMM-F-Variante verwendet All-Flash-Memory in einem Formfaktor, der in einen DIMM-Sockel passt. Sie muss jedoch mit einem DRAM-DIMM-Modul gekoppelt werden, das für die Verwendung mit dem NVDIMM-F-Modul ausgelegt ist. NVDIMM-N macht Standard-DRAM nichtflüchtig, indem es dem Modul selbst Flash-Memory hinzufügt.

Da das BIOS der Hauptplatine das Flash-Memory nicht als aktiven Rechenspeicher erkennt, muss das BIOS der meisten Computer für NVDIMMs aktualisiert werden.

Technisch gesehen ist ein NVDIMM beider Varianten kein NVRAM, weil es überhaupt kein RAM ist (NVDIMM-F), oder es handelt sich um flüchtigen DRAM mit nichtflüchtigem Flash-Memory.