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近年来，随着材料和器件等的发展，一些非易失性存储器也随之出现，并逐渐应用，这对计算机系统和存储系统的结构和性能带来影响。下面简要介绍PCM、RRAM、MRAM。
PCM是一种采用相变材料作为存储介质的非易失性存储器。图2.21左图展示了PCM一个单元的基本结构，该结构由两个金属层及它们之间的硫族化物、加热器组成。图2.21右图所示为其对应的结构示意图。
图2.21 PCM单元及其结构
PCM的读写操作是通过向存储单元施加特定强度和持续时间的电流脉冲实现的。其中写操作包含置位（Set，写“1”）和重置（Reset，写“0”）。置位时，加热器向PCM单元施加强度较低但持续时间较长的电流脉冲（见图2.22），使其温度在硫族化物的结晶点（约300 °C）与熔点（约600 °C）之间，此时相变材料的部分编程区域将变成晶态，即存储了二进制数据“1”。而重置时，加热器向PCM单元施加强度高但持续时间短的电流脉冲，使温度高于硫族化物的熔点，此时编程区域将变为非晶态，即存储了二进制数据“0”。由于PCM单元在置位状态和重置状态的阻值差异较大，可通过采用较低强度的电流脉冲来区分。具体而言，执行读操作时，向PCM单元施加强度低且时间短的电流脉冲，获取该存储单元的电阻值，并通过阻值大小区分“1”或“0”。此外，为了避免达到硫族化物的结晶点或熔点，读操作使用的电流脉冲的强度和持续时间均小于写操作。
图2.22 PCM单元读/写操作所需要的电脉冲
PCM的特性如下：其集成度较高，具有良好的空间扩展性，可在20 nm 技术节点下继续缩小单元规模；在存储密度方面优于DRAM；另外，它的访存延迟与DRAM相近，但静态功耗极低。
RRAM是一种通过改变存储单元的阻值来存储数据的非易失性存储器。图2.23展示了RRAM单元的基本结构，该结构由上电极、下电极和夹在中间的金属氧化物层构成。通过施加一个外部电压，RRAM单元可以在低电阻状态和高电阻状态之间切换，分别用来表示存储的二进制数据“1”和“0”。
图2.24所示为RRAM单元的电流-电压（ I - V ）曲线。当对存储单元通入正向电压时，其由高电阻状态（逻辑“0”）切换为低电阻状态（逻辑“1”），称为置位（Set）操作。当对存储单元通入负向电压时，其由低电阻状态（逻辑“1”）切换为高电阻状态（逻辑“0”），称为复位（Reset）操作。从存储单元中读取数据时，只需要施加一个不影响存储器状态的较小的读取电压来检测单元是在高阻态还是在低阻态。
图2.23 RRAM单元的基本结构
图2.24 RRAM单元的 I - V 曲线 [4]
RRAM具有存储密度大的优势，一个存储单元可以存储1比特（SLC）或者2比特（MLC）数据。同时，一个存储单元的面积最小可以达到4F2。另外，阻变存储器读取速度与DRAM相当，但写速度远慢于DRAM。
MRAM是一种利用磁电阻来存储数据的非易失性存储器。图2.25左图展示了MRAM单元的基本结构，该结构由两个铁磁层夹着一个隧穿势垒层（绝缘材料）组成三明治形态。其中一个铁磁层被称为参考层，它的磁化方向沿易磁化轴方向固定不变。另一个铁磁层被称为自由层，它的磁化方向有两个稳定的取向，分别与参考层平行或反平行。图2.25右图显示了其对应的结构示意图。
图2.25 MRAM单元及其结构
由于有量子隧道效应存在，磁存储器薄绝缘层可以流过小电流。当电子穿越绝缘体势垒时保持其自旋方向不变，即两层磁性材料磁矩正平行时（如图2.26上图所示），材料呈现低电阻状态，用来表示二进制数据“0”；反之，当两层磁性材料磁矩反平行时（如图2.26下图所示），材料呈现高电阻状态，用来表示二进制数据“1”。读取数据时，根据磁化方向是否一致而变化的特性，可以判别数据位是“0”还是“1”。
图2.26 MRAM存储数据的逻辑示意图
在性能方面，MRAM与SRAM（Static Random Access Memory，静态随机存储器）类似，具备高速读写能力。在可靠性方面，由于磁体本质上是抗辐射的，MRAM本身具有极高的可靠性，即存储单元本身可以免受软错误影响。在存储密度方面，MRAM可以做到与DRAM相似的密度。另外，MRAM不存在漏电情况且不需要消耗能量来进行刷新，具备低功耗的特点。