非易失性存儲器是一種應(yīng)用于計算機及智能手機等設(shè)備中的存儲裝置（存儲器），其特點是在沒有外部電源的情況下仍能保存數(shù)據(jù)信息。本文將介紹非易失性存儲器的類型、特點及用途。

什么是非易失性存儲器 非易失性存儲器是一種應(yīng)用于計算機及智能手機等設(shè)備中的存儲裝置（存儲器），在沒有外部電源提供的情況下仍能保存數(shù)據(jù)信息。

現(xiàn)今的計算機中央處理器（CPU：Central Processing Unit）中，直接、高速處理的數(shù)據(jù)通常保存在易失性存儲器中（沒有外部電源就無法保存信息），不太頻繁使用的數(shù)據(jù)則保存在非易失性存儲器中。

非易失性存儲器有多種類型，包括半導(dǎo)體、磁帶、光盤等，本文僅對使用半導(dǎo)體的非易失性存儲器進行說明。

非易失性存儲器的類型及特點

非易失性存儲器分為兩個大類：只讀存儲器（Read Only Memory：ROM）和可重寫的非易失性存儲器。前者在制造過程中編程信息，后者可根據(jù)用戶需求隨意重新寫入信息。

ROM包括在制造過程中永久性編程的掩模ROM（MASK ROM）和用戶一次性可編程的OTP ROM（One Time Programable ROM）等類型。分別于1970年代以及1980年代問世的可重寫非易失性存儲器EEPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）以及閃存（FLASH）如今已被廣泛應(yīng)用。

此外，2000年代以來問世的能夠高速寫入的鐵電體存儲器、磁性存儲器、阻變存儲器和相變存儲器被稱為“新興存儲器”,受到了廣泛關(guān)注。在這些新興存儲器中，實現(xiàn)了隨機寫入和讀取的隨機存取存儲器（RAM）包括FeRAM（鐵電隨機存取存儲器）、MRAM（磁性隨機存取存儲器）、ReRAM（阻變式隨機存取存儲器）和PCRAM（相變隨機存取存儲器）。

圖1：內(nèi)存分類

各類存儲器的工作原理和定性特征如下。

表1. 非易失性存儲器的存儲保持原理與特性比較

加賀富儀艾電子旗下代理品牌RAMXEED有限公司（原富士通半導(dǎo)體存儲器解決方案有限公司）生產(chǎn)的FeRAM與閃存相比，雖然存儲容量較小，但具有寫入速度快、寫入次數(shù)極高（是閃存的10萬倍以上）、寫入耗電低的特點。自生產(chǎn)以來已有25年歷史的FeRAM相較其他新興存儲器更為成熟，品質(zhì)更值得信賴。

此外，RAMXEED使用的ReRAM通過優(yōu)化寫入算法，實現(xiàn)了比閃存更多、與EEPROM相當?shù)?00萬次寫入次數(shù)，這也是我們產(chǎn)品的一大優(yōu)勢。為了優(yōu)先滿足助聽器等電池驅(qū)動設(shè)備所必需的低峰值工作電流和低功耗要求，其寫入速度相較普通ReRAM更慢。

非易失性存儲器的用途

閃存的寫入速度較慢但容量極大，因此被廣泛用作計算機的存儲內(nèi)存。而新興存儲器具有低功耗、高速以及近乎無限次寫入的特點，因此被應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)日志、智能電表、RFID（Radio Frequency Identification）等領(lǐng)域。

非易失性存儲器在人工智能（AI）中的應(yīng)用

隨著近年來生成式AI的普及，用于處理海量數(shù)據(jù)的機器學(xué)習計算機的功耗急劇增加。造成這一現(xiàn)象的原因之一是計算機內(nèi)部使用了易失性內(nèi)存（用于機器學(xué)習中的“權(quán)重”計算）。

機器學(xué)習是通過多層感知機（也稱為人工神經(jīng)元或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）來實現(xiàn)的。每一層（節(jié)點）中都會進行加權(quán)求和運算，并將權(quán)重結(jié)果傳遞給下一層。如將這些“權(quán)重”存儲在非易失性存儲器中，理論上可降低功耗。

近年來，利用FeRAM進行機器學(xué)習的研究盛行，尤其是一種被稱為“回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)（Echo State Network）”儲量計算（Reserve computing）方法備受矚目（如圖5所示）。這種方法的特點是僅對輸出層的權(quán)重進行調(diào)整，而中間儲層則利用非線性物理現(xiàn)象來進行計算。這種方式有望實現(xiàn)低功耗的機器學(xué)習。

圖5. 回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的原理。各層的數(shù)據(jù)通過加權(quán)系數(shù)“重量”win、wR和wout進行傳播。在儲備計算中，利用儲備層的非線性物理現(xiàn)象，僅調(diào)整權(quán)重wout。

RAMXEED正在與東京大學(xué)大學(xué)院工學(xué)系研究科的高木信一教授團隊合作研究用于FeRAM的鐵電體晶體。高木教授團隊發(fā)布了一項令人矚目的研究成果：利用鐵電體的極化量和電場之間的非線性關(guān)系實現(xiàn)儲量計算，這項研究在全球范圍內(nèi)獲得了廣泛關(guān)注。