电子信息专业导论10-信息存储[]课件.pptx

1、主讲人：张有光主讲人：张有光20192019年年1111月月2020日日电子信息专业电子信息专业导论导论10 信息简史信息简史获取获取 传输传输 处理处理 存储存储 显示显示 应用应用存储器：记忆的场所存储器：记忆的场所获取获取 传输传输 处理处理 存储存储 显示显示 应用应用大数据与云存储大数据与云存储阿里：西南数据中心阿里：西南数据中心腾讯腾讯：数据：数据中心中心贵州贵州：大数据战略：大数据战略中美贸易摩擦：凸显集成电路的重要性中美贸易摩擦：凸显集成电路的重要性20182018年年1111月月3 3日美国制裁晋华日美国制裁晋华主要内容n机械硬盘：计算机普及的基石机械硬盘：计算机普及的基石n

2、固态硬盘：固态硬盘：NORNOR闪存与闪存与NANDNAND闪存闪存n动态内存：静态与动态存储器动态内存：静态与动态存储器n新型存储：忆阻器与磁性存储新型存储：忆阻器与磁性存储存储体系架构存储体系架构机械硬盘发展史机械硬盘发展史PCPC电脑的重要部分电脑的重要部分1956年第年第1块硬盘块硬盘 RAMAC 容量容量5 MB重量重量900kg盘盘片片50张张直径直径24“100万美元万美元温切斯特技术与硬盘小型化温切斯特技术与硬盘小型化 1973年温切斯特年温切斯特硬硬盘盘IBM3340直径直径14英英寸寸容量：容量：30MB头盘头盘磁头磁头盘片盘片主轴主轴1979年年薄膜磁头薄膜磁头技术技术I

3、BM3370直径直径14英寸英寸容量：容量：571MB希捷公司成立：希捷公司成立：5.255.25英寸硬盘英寸硬盘 Seagate希希捷捷ST 506 5.25英寸英寸 5MIBM PC配套硬盘配套硬盘Alan Shugart Finis ConnerMR(Magneto Resistive)3.25英寸硬盘英寸硬盘 1988IBM 0663-E12 磁感应磁感应写入、磁阻读取的写入、磁阻读取的方式方式 20M bit/平方英寸，读写灵敏度、磁道密度、转速平方英寸，读写灵敏度、磁道密度、转速巨磁阻效应巨磁阻效应GMR磁头与大容量硬盘磁头与大容量硬盘1994年年GMR磁头发明磁头发明1997年年

4、GMR磁头商用磁头商用1997-2007:容量提升容量提升851倍倍1TB级别，每年级别，每年300亿美元亿美元GMR效应：硬盘磁头的革命效应：硬盘磁头的革命Albert FertPeter Grnberg 07年年诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖97年年大规模应用大规模应用88年发现年发现GMRFM:铁磁层铁磁层NM:非磁层非磁层微硬盘与乔布斯第微硬盘与乔布斯第1代代iPod2001年年iPod：将将1000首歌放进首歌放进口袋！口袋！东芝东芝1.8英寸硬盘英寸硬盘存储容量存储容量高达高达5GB机械硬盘的未来发展之路机械硬盘的未来发展之路2006年年垂直磁记录垂直磁记录PMR2013年叠瓦式磁记录年

5、叠瓦式磁记录SMR机械硬盘的未来发展之路机械硬盘的未来发展之路2019年热辅助年热辅助磁记录磁记录HAMR希捷推动希捷推动 容量可达容量可达20T2019微波微波辅助磁记录辅助磁记录MAMR西部西部数据数据 容量相当容量相当机械硬盘的未来发展之路机械硬盘的未来发展之路希捷：多希捷：多磁盘硬盘单驱动器磁盘硬盘单驱动器两个独立的驱动器两个独立的驱动器二、二、固态硬盘：闪存固态硬盘：闪存NANDNAND摩尔定律支持下的固态存储摩尔定律支持下的固态存储只读存储器只读存储器 ROM、PROM、EPPROM第一第一款款EPROM电可擦除电可擦除故事：多夫故事：多夫弗罗曼弗罗曼1969从从SRAM可靠性可靠

6、性调查开始的，电子集聚调查开始的，电子集聚导致导致质量问题质量问题多夫多夫弗罗曼在实验室弗罗曼在实验室1967年施敏教授年施敏教授 发明浮栅存储器件发明浮栅存储器件在美国贝尔实验室发明在美国贝尔实验室发明，1983年用于任天堂游戏机年用于任天堂游戏机半导体半导体教父：施敏教父：施敏 与与 浮栅存储器件浮栅存储器件闪存：更小闪存：更小 更快更快 更更方便方便-半导体存储半导体存储1984，东芝首先发明闪，东芝首先发明闪存存 NOR NAND1988，Intel率先推出率先推出产品产品1989，东芝首先发明闪存，东芝首先发明闪存 NAND舛冈富士雄NAND快读写，容量大快读写，容量大NOR NAN

7、D按字节读写按字节读写闪存：更小闪存：更小 更快更快 更方便更方便n NAND闪闪存应用存应用U盘、存储盘、存储卡、固态卡、固态硬盘硬盘、记忆、记忆棒棒数据中心数据中心存储器存储器n NOR NAND代替代替EEPROM，用于，用于游戏机、液晶显示器游戏机、液晶显示器闪存盘闪存盘之父之父 邓国顺与朗科公司邓国顺与朗科公司USB+闪闪存存U盘、优盘盘、优盘闪存规模化应用闪存规模化应用 -2013年超越机械硬盘年超越机械硬盘2005年年9月月iPod Nano大大容量之路：东芝容量之路：东芝3D3D闪存闪存示意图示意图9696层层存储领域投入存储领域投入2600亿亿，其中武汉新芯，其中武汉新芯16

8、00亿、清华紫光亿、清华紫光1000亿亿-长江存储长江存储2016年我国存储领域年我国存储领域投资投资长江存储：闪长江存储：闪存国产化发展之路存国产化发展之路长江存储Xtacking架构赛道存储：未来赛道存储：未来3D存储存储Stuart S.P.Parkin2014 2014 硬盘驱动器先驱赢得千禧科技奖硬盘驱动器先驱赢得千禧科技奖 100 100万欧元万欧元 三、内存三、内存DRAMDRAM：千亿美元：千亿美元产业转移：美国、日本、韩国产业转移：美国、日本、韩国存储体系存储体系架构：架构：容量与读取速度容量与读取速度16KB 300-500 ps 128KB 500-1000 ps 102

9、4KB 1000-2000 ps 8MB 2-10 ns 8GB 10-50 ns 256GB 10-50 us 2TB 10-50 ms SRAMSRAM是计算内存是计算内存的必备部件，确保的必备部件，确保计算速度及程序的计算速度及程序的复杂度。复杂度。主要存储指令集及主要存储指令集及核心数据核心数据磁磁芯芯存储器发明人存储器发明人 王安王安1986 自传教训自传教训49年年 专利申请专利申请 53年转让年转让 50万美元万美元SRAM：静态随机存储器：静态随机存储器n1964年，年，仙童发明仙童发明 64 bitn1971年，英特尔大规模量产年，英特尔大规模量产 速度快，约速度快，约1ns

10、 CPU高速缓存高速缓存 功耗高，功耗高，6个晶体管存个晶体管存 1bit 掉电丢失数据掉电丢失数据内存原理图：内存原理图：SRAMSRAM与与DRAMDRAM静态随机存储器SRAM动态态随机存储器DRAMDRAM：动态随机存储器动态随机存储器1966年，年，IBM 登纳德登纳德 发明发明1970年，英特尔年，英特尔 大规模量产大规模量产 晶体管晶体管+电容电容=存储单元存储单元 读写速度约读写速度约10ns，集成度高，集成度高电容放电，不断刷新功耗高电容放电，不断刷新功耗高掉电，丢失数据掉电，丢失数据DRAM C1103大容量之路大容量之路-Wioming 3D IC堆栈堆栈速度速度 DRA

11、M，容量容量 10*DRAM英特尔美光推出全新存储芯片英特尔美光推出全新存储芯片 比比SSD速度快千倍速度快千倍四四、忆阻器与磁性存储、忆阻器与磁性存储非易失性新型存储非易失性新型存储迷失的第迷失的第4 4元件与元件与蔡少棠：忆蔡少棠：忆阻器之阻器之父父无心插无心插柳：忆柳：忆阻器的发现阻器的发现2008年年 HP 威廉姆斯威廉姆斯与与斯奈德斯奈德MRAMMRAM 磁随机存储器磁随机存储器n20032003年年 飞思卡尔飞思卡尔 非易失性非易失性抗辐射性抗辐射性无限擦写次数无限擦写次数读写速度读写速度10ns10nsSTT-MRAM 自旋自旋转移矩转移矩效应效应n 自旋转移矩效应自旋转移矩效应

12、 1996年年Slonczewski和和Berger提提 出猜想，电流直接诱导磁化翻转出猜想，电流直接诱导磁化翻转 2004年年 IBM与南巴黎大学与南巴黎大学 验证验证 2013年产业化，生产工艺年产业化，生产工艺90nmJohn Slonczewsk IBM Luc Berger CMU垂直磁各向异性垂直磁各向异性 STT-MRAM n性能指标性能指标2013年年10 nm工艺尺寸工艺尺寸 10uA 写入电流写入电流 1ns 写入时间写入时间10年年 数据保存数据保存2018年年 大规模取代大规模取代 DRAM？58th Annual Conference on Magnetism and

13、 Magnetic Materials 4-8 November 2013,Denver,Colorado,USA自旋电子学自旋电子学 发展趋势发展趋势东芝预测东芝预测203020202014台积电量产嵌入式台积电量产嵌入式STT-MRAM STT-MRAM 存储芯片，全面存储芯片，全面取代嵌入式取代嵌入式FLASHFLASH及部分取代最外层及部分取代最外层SRAMSRAM。基于该技术的基于该技术的AIAI芯片已经开始测试（芯片已经开始测试（20182018年年8 8月月TMRC TMRC 会议发布），可大幅度提升人脸识别会议发布），可大幅度提升人脸识别等芯片性能并降低功耗等芯片性能并降低功耗自旋自旋电子与人工智能电子与人工智能AI -2018年年谢谢 谢！谢！电子信息专业电子信息专业导论导论10