《存储器的扩展》课件2

存储器的扩展随着计算机技术的快速发展,用户对于数据存储和处理的需求不断增加通过扩展存储器容量和性能,可以满足现代计算机系统日益增长的存储和计算需求课程目标掌握存储器的基本原理熟悉各类存储器的特点12了解存储器的工作机制和基本掌握不同类型存储器的优缺点特性和适用场景了解存储器性能指标掌握存储器技术发展趋34势认识存储器的容量、速度、可靠性等关键参数了解存储器的前沿技术及其应用前景存储器概述存储器基础存储器分类存储器性能指标存储器是计算机系统的核心组成部分之一,存储器可以分为主存储器和外部存储器主存储器的主要性能指标包括容量、访问时间用于临时或永久存储数据和指令它决定了存储器包括RAM和ROM,外部存储器包括、带宽、可靠性、功耗和成本等这些指标计算机的存储容量和处理速度硬盘、光盘等决定了存储器的应用场景存储器基本原理存储单元读写操作存储器由许多小型存储单元组成,通过地址选择和控制电路,可以对每个单元可以存储2进制数字0或指定的存储单元进行读取或写入数1据存储结构存储容量存储器通常采用矩阵式结构,行和存储器容量由存储单元总数决定,列地址用于确定目标存储单元与位宽和行列数量有关半导体存储器集成化高速度半导体存储器采用集成电路技术,通过半导体存储器读写速度快,能够支持高集成大量存储单元和控制电路,实现了速数据传输和实时处理高度集成化低功耗小型化相比于机械存储设备,半导体存储器的持续的制造工艺进步,使得半导体存储功耗较低,能够满足移动设备等对低功器的体积越来越小,有利于设备的微型耗的需求化的分类RAM静态动态RAM SRAMRAM DRAM采用触发器电路结构,数据保存依赖外部电源供电,读写速度快,但集采用电容存储数据,需要定期刷新以保持数据,读写速度略慢于成度低和功耗高常用于缓存、寄存器等对读写速度要求高的场景SRAM,但集成度高、功耗低广泛应用于主存储器和显存动态随机存取存储器DRAM基于电容原理DRAM使用电容储存二进制数据,需要定期刷新来保持数据完整性结构简单DRAM的单元结构由一个晶体管和一个电容组成,结构较为简单高密度高速度DRAM能够提供高密度和高速的存储性能,满足大容量存储需求SRAM特点工作原理特性应用SRAMStatic RandomSRAM使用锁存器电路存储数SRAM具有访问速度快、功耗SRAM广泛应用于CPU缓存Access Memory是一种基据,当通电时可保持数据,断电低、便于集成等优点,但容量有、嵌入式系统、网络交换机等于晶体管的静态存储器,不需要后数据丢失通过控制位选和限且成本较高,常用于缓存和高需要快速随机访问存储的场合定期刷新即可保持数据,结构相行选实现高速随机访问速运算等领域对简单非易失性存储器定义优势应用场景非易失性存储器是一种即使断电也能保不需要持续供电即可保存数据,适合用于非易失性存储器广泛应用于嵌入式系统持数据不丢失的特殊存储器常见的非需要长期存储的设备,比如手机、电脑、、移动设备、工业控制等领域,存储操作易失性存储器包括ROM、EPROM、相机等系统、程序代码和重要数据EEPROM和Flash存储器只读存储器（）ROM基本结构特点种类ROM采用光刻工艺在集成电路基片上预先ROM在电路开机或复位时自动读出内部预根据数据编程时间的不同,ROM可分为掩膜制作好特定的数字信息是一种只读不可修设的程序或数据,可用于存储系统固件、ROM、PROM、EPROM和EEPROM等改的存储器BIOS等EPROM可编程只读存储器工艺技术应用场景123EPROM可以通过紫外光擦除和重新EPROM采用浮动栅极的工艺技术,可EPROM广泛应用于电子产品的固件编程,为数据存储提供灵活性以在不断电的情况下保存数据存储,如计算机BIOS和嵌入式系统EEPROM电可擦除可编程只读存储器数据存储安全可靠EEPROM是一种特殊的非易失性存储器,EEPROM内部的保护电路可以确保存储数可以通过电信号进行擦写操作,无需移除芯据不会因为断电而丢失,可靠性很强片即可进行数据更新读写速度较慢广泛应用于嵌入式系统EEPROM的读写速度相比于其他存储器略EEPROM广泛应用于家用电器、工业控制有欠缺,通常在数十微秒至数毫秒之间等领域,用于存储配置参数和系统设置存储器Flash高度集成Flash存储器采用高度集成的半导体工艺制造,可以实现大容量和低成本非易失性Flash存储器是一种非易失性存储器,即使断电数据也能保持不丢失高速访问Flash存储器具有快速的读取和写入速度,可以满足高速数据存储的需求外部存储器磁性存储设备光学存储设备固态存储设备磁盘驱动器采用磁性材料记录数据,可提供光驱使用激光记录和读取数据,例如CD、固态硬盘SSD采用闪存芯片存储数据,无机高容量和快速访问速度是桌面电脑和服务DVD和蓝光光盘具有低成本、可便携等械结构,访问速度快、耐用性好在个人电器常用的外部存储设备优点,广泛应用于计算机、音视频播放设备脑和移动设备上越来越普及磁性存储器磁性存储器的特点工作原理优势和劣势磁性存储器使用磁性材料来存通过在磁性材料上记录和读取优点包括存储密度高、可靠性储数据它们具有非易失性、磁场变化来实现数据存储和读好、耐用性强缺点是访问速高存储密度和快速访问速度等取磁头在磁性表面上进行数度相对较慢、对杂波敏感、容特点,广泛应用于硬盘驱动器和据读写操作易受到磁场干扰磁带等存储设备中光学存储器高容量存储快速访问光学存储器利用激光技术在光盘上与磁性存储器相比,光学存储器的记录和读取数据,可实现大容量存数据访问速度更快,且无需机械移储,CD和DVD就是典型的光学存动部件,提高了可靠性储设备环保节能光学存储介质无毒无污染,电力消耗也较低,被视为绿色环保的存储技术存储器性能指标容量访问时间衡量存储器可以存储的数据量大小描述存储器读取或写入数据所需的,通常以字节为单位容量大小直时间,越快说明存储器性能越好接影响存储设备的使用范围带宽可靠性表示存储器每秒可以传输的数据量衡量存储介质保存数据的稳定性和,决定了设备的并发处理能力持久性,这直接影响存储设备的使用寿命容量64GB容量存储器的容量代表了其能存储的数据总量随着技术的进步,容量不断增大1TB容量现代高端存储器可达到1TB以上的超大存储容量,满足海量数据存储需求8K视频存储8K高清视频需要大容量存储器以存储精细画质的大文件访问时间带宽带宽定义存储器一次性可传输的最大数据量，是衡量存储性能的重要指标之一影响因素存储芯片的工作频率、传输位宽、数据总线宽度等重要性高带宽可以实现数据快速传输和即时处理,是高性能系统的关键需求发展趋势存储器带宽正不断提升,以满足大数据时代日益高涨的性能需求可靠性电源消耗1W5W$10低功耗高性能成本存储器设计需要极低的功耗,以提高电池使高速大容量存储器的功耗也不容忽视,需要电源消耗的降低也关系到整体设备的成本和用时间和减少散热要求精心设计电源和散热系统功耗,是重要指标之一成本成本指标具体体现硬件成本存储器芯片的生产制造成本、外围配套设备成本等系统集成成本存储系统的组装、调试、维护等成本用户使用成本存储设备的能源消耗、折旧费用、管理费用等存储器的成本是衡量其性能与应用价值的重要指标不同类型存储器在硬件制造、系统集成和使用环节的成本差异较大因此在选择存储器时需要综合考虑各方面的成本因素存储器技术发展趋势存储器3D利用三维空间堆叠存储单元,大幅提高存储密度和容量相变存储器使用材料的相变过程实现高速、高耐久性和高密度的存储自旋电子学存储器利用电子自旋状态存储信息,具有低功耗、高速和高密度特点量子存储器基于量子物理原理实现存储,具有超高密度和安全性存储器3D体积更小性能更高制造更灵活3D存储器通过将内存单元垂3D存储器通过平行的数据通3D存储器可以采用异构集成直堆叠来提高存储密度,使得同道和堆叠结构,大幅缩短了数据技术,将各种不同类型的存储单样大小的芯片能够存储更多数传输距离,提高了读写速度和带元和逻辑单元集成在一起,提高据这种三维堆叠结构显著缩宽同时还能减少功耗了制造和封装的灵活性小了存储器的体积相变存储器存储原理优势特性12相变存储器利用物质从结晶态相变存储器具有高速读写、低到非结晶态的相变来实现数据功耗、耐高温等优点，被认为存储两种状态电阻值差异大是未来重要的非易失性存储技，可用于存储0和1术之一技术发展3现有的相变存储材料主要有GeSbTe和AgInSbTe等，存储密度已经达到每平方厘米数Gb级未来将向更高容量和速度发展自旋电子学存储器原理介绍技术未来应用MRAM自旋电子学存储器利用电子的自旋状态来存其中磁性随机存取存储器MRAM是自旋电自旋电子学技术有望在计算机存储、逻辑电储信息,与传统电荷存储技术相比具有更高子学存储器的一种代表性技术,利用铁磁材路等领域实现突破,为下一代信息技术奠定的存储密度和更快的读写速度料的自旋状态来存储数据基础量子存储器量子隧穿原理利用量子隧穿效应,实现存储信息的高密度、高速访问和低功耗特性量子比特编码用量子比特进行信息编码,突破传统存储器的二进制限制量子纠缠利用量子纠缠实现存储信息的高度安全性和抗干扰能力总结存储器技术的持续创新存储性能与应用需求的平衡存储器技术正不断推进,3D存储、相变存储、自旋电子学存储和量子存储器需要在容量、访问速度、功存储等新技术不断涌现,为存储领耗等指标上进行权衡和优化,满足域带来更多可能性不同应用场景的需求存储技术与计算架构协同发展存储器技术的进步与计算系统的演化密切相关,必须紧跟计算架构的变革趋势思考题通过本课程的学习,希望大家能够对存储器的基本原理、分类和性能指标有深入的了解在此基础上,我们进一步思考以下问题:

1.未来存储器技术的发展趋势是什么3D存储器、相变存储器、自旋电子学存储器和量子存储器各自的特点和优势是什么

2.在实际应用中,不同类型存储器的选择标准是什么如何根据系统需求选择合适的存储器

3.影响存储器性能的关键因素有哪些如何在成本、可靠性、功耗等指标之间进行权衡取舍

4.存储器技术的发展对未来计算机系统设计会产生什么样的影响。