NVRAM

NVRAM (Abk.: Non-Volatile Random-Access Memory) ist in der Elektronik ein nichtflüchtiger Datenspeicher, welcher auf RAM-Speichern basiert und dessen Dateninhalt ohne externe Energieversorgung erhalten bleibt.

Herkömmliche RAM-Speicher wie dynamisches RAM (DRAM) oder statisches RAM (SRAM) weisen ohne zusätzliche Vorkehrungen volatiles (flüchtiges) Verhalten auf und verlieren bei Verlust der externen Energieversorgung den Dateninhalt.

Arten

SRAM basierendes NVRAM-Modul mit eingebauter Lithiumbatterie

Eine verbreitete Methode, ein NVRAM zu bilden, besteht in der Kombination eines herkömmlichen flüchtigen RAM-Speichers mit einem Energiespeicher in Form einer Batterie, eines Akkumulators oder eines Doppelschicht-Kondensators mit besonders hoher elektrischer Kapazität. Der Energiespeicher, auch als Pufferbatterie bezeichnet, stellt über einen bestimmten Zeitraum Energie für den Datenerhalt des RAM-Speichers zur Verfügung. Typischerweise werden dabei als Speicher SRAM-Zellen eingesetzt. Im Gegensatz zu DRAM-Speichern, welche eine kontinuierliche Auffrischung (engl. refresh) der Speicherzellen benötigen, benötigt SRAM sehr wenig Leistung zur Datenerhaltung.

SRAM-Bausteine in CMOS-Technologie weisen im statischen, das heißt im nicht aktiven Zustand in welchem der Speicherinhalt gehalten wird, nur einen sehr geringen Strombedarf im Bereich einiger weniger Nanoampere auf, welcher von Lithiumbatterien geliefert werden kann. Lithiumbatterien haben nur eine geringe Selbstentladung und können über Zeiträume von über 10 Jahren den Datenerhalt gewährleisten. Bei kompakten Bauformen kann die Batterie und der SRAM-Speicher in einem Chipgehäuse als ein NVRAM-Bauelement zusammengefasst werden. ^[1]

Neben der Kombination von Pufferbatterien mit herkömmlichen SRAM-Speichern existieren NVRAM-Technologien, welche auf verschiedenen physikalischen Effekten wie der Ferroelektrizität basieren. Dabei wird der Speicherinhalt in Speicherzellen geschrieben, welchen ihren bistabilen Zustand auch ohne Energieversorgung halten können. Beispiele dieser Klasse von NVRAMs sind:

• Ferroelectric Random Access Memory (FeRAM)
• Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM)
• Phase-change random access memory (PCRAM)

Bei den meisten dieser neuen Ansätze wird versucht, ähnlich wie bei DRAM-Zellen die Informationsspeicherung mittels Ladungsspeicherung in einem kleinen Kondensator vorzunehmen. Des Weiteren wird auch mit speziellen Halbleitermaterialien wie Siliciumcarbid (SiC) versucht, bistabile NVRAM-Zellen zu realisieren (diese Technologien befinden sich noch im Forschungsstadium), welche bei Raumtemperatur den Speicherinhalt über eine Million Jahre lange garantieren sollen. ^[2]

Als nichtflüchtiger Speicher können neben NVRAMs auch elektrisch ein- oder mehrmals programmierbaren EEPROMs, Flash-Speichern oder EPROMs zum Einsatz kommen. NVRAMs grenzen sich durch folgende funktionale Unterschiede ab:

• Bei NVRAM erfolgt das Schreiben von beliebigen neuen Speicherinhalten ohne die Notwendigkeit des vorangehenden Löschens des Speichers.
• Bei NVRAM ist das Schreiben eines neuen Wertes gleich schnell wie der Lesevorgang. Es müssen keine Programmiersequenzen und zusätzliche Wartezyklen beim Beschreiben eingehalten werden.
• Die Anzahl der Schreibeoperationen ist nicht begrenzt und NVRAMs sind von der Speicherstruktur her normalerweise unsegmentiert organisiert.

Anwendungen

Anwendungen von NVRAM liegen überall dort, wo kleinere, variable Datenmengen wie Konfigurationsdaten, beginnend von einigen 10 Byte bis zu einigen wenigen MByte, längere Zeit ohne externe Energieversorgung gespeichert werden sollen. Eine typische Anwendung stellt das bei Personal Computern als CMOS-RAM bezeichnete NVRAM dar. Der ungenaue Begriff ist durch sprachliche Ungenauigkeiten entstanden. In diesem NV-SRAM werden die BIOS-Parameter und Hardwarekonfigurationen eines PC-System gespeichert.

Einzelnachweise

1. ↑ Datenblatt eines NV-SRAM. (DS2030 mit 32 KB × 8 mit integrierter Pufferbatterie) (engl.)
2. ↑ J.A. Cooper, M.R. Melloch, W. Xie, J.W. Palmour, C.H. Carter: Progress and Prospects for Nonvolatile Memory Development in Silicon Carbide. Institute of Physics Conference Series, Nr. 137/7, 1993, S. 711 bis 714.

Literatur

• Paul Horowitz, Winfield Hill: The Art of Electronics. 2. Auflage. Cambridge University Press, 1998, ISBN 0-521-37095-7.