Komórka pamięci (przetwarzanie)

Układ dla krzemowej implementacji sześciotranzystorowej komórki pamięci SRAM.

Komórka pamięci jest podstawowym budulcem pamięci komputera . Komórka pamięci jest obwodem elektronicznym , który przechowuje jeden bit informacji binarnej i musi być ustawiona do przechowywania wartości logicznej 1 (poziom wysokiego napięcia) i zresetowana, aby przechowywać wartość logiczną 0 (poziom niskiego napięcia). Jego wartość jest utrzymywana/przechowywana, dopóki nie zostanie zmieniona przez proces ustawiania/resetowania. Dostęp do wartości w komórce pamięci można uzyskać, odczytując ją.

W historii informatyki stosowano różne architektury komórek pamięci, w tym pamięć rdzeniową i pamięć bąbelkową . Obecnie najpowszechniejszą architekturą komórek pamięci jest pamięć MOS , która składa się z komórek pamięci typu metal-tlenek-półprzewodnik (MOS). Nowoczesna pamięć o dostępie swobodnym (RAM) wykorzystuje tranzystory polowe MOS (MOSFET) jako przerzutniki, wraz z kondensatorami MOS dla niektórych typów pamięci RAM.

SRAM ( statyczna pamięć RAM ) jest rodzajem obwodu typu flip-flop , zwykle realizowanego za pomocą tranzystorów MOSFET. Wymagają one bardzo małej mocy, aby zachować przechowywaną wartość, gdy nie są dostępne. Drugi typ, DRAM ( dynamiczna pamięć RAM ), oparty jest na kondensatorach MOS. Ładowanie i rozładowywanie kondensatora może przechowywać „1” lub „0” w komórce. Jednak ładunek w tym kondensatorze będzie powoli wyciekał i musi być okresowo odświeżany. Z powodu tego procesu odświeżania DRAM zużywa więcej energii. Jednak DRAM może osiągnąć większą gęstość pamięci.

Z drugiej strony większość pamięci nieulotnej (NVM) jest oparta na architekturach komórek pamięci z bramką zmiennoprzecinkową . Technologie pamięci nieulotnej, w tym EPROM , EEPROM i pamięć flash , wykorzystują komórki pamięci z ruchomą bramką, które są oparte na tranzystorach MOSFET z ruchomą bramką .

Opis

Komórka pamięci jest podstawowym budulcem pamięci. Można go wdrożyć przy użyciu różnych technologii, takich jak urządzenia bipolarne , MOS i inne urządzenia półprzewodnikowe . Może być również zbudowany z magnetycznego , takiego jak rdzenie ferrytowe lub bańki magnetyczne. Niezależnie od zastosowanej technologii implementacji przeznaczenie komórki pamięci binarnej jest zawsze takie samo. Przechowuje jeden bit informacji binarnej, do którego można uzyskać dostęp poprzez odczyt komórki i musi być ustawiony na przechowywanie 1 i zresetowany, aby przechowywać 0.

Znaczenie

Kwadratowa tablica odczytywanych komórek pamięci DRAM

Obwody logiczne bez komórek pamięci nazywane są kombinacyjnymi , co oznacza, że ​​wyjście zależy tylko od aktualnego wejścia. Jednak pamięć jest kluczowym elementem systemów cyfrowych . W komputerach umożliwia przechowywanie zarówno programów, jak i danych, a komórki pamięci służą również do tymczasowego przechowywania danych wyjściowych układów kombinacyjnych do późniejszego wykorzystania przez systemy cyfrowe. Obwody logiczne wykorzystujące komórki pamięci nazywane są obwodami sekwencyjnymi , co oznacza, że ​​wyjście zależy nie tylko od aktualnego wejścia, ale także od historii przeszłych wejść. Ta zależność od historii przeszłych danych wejściowych sprawia, że ​​obwody te są stanowe i to komórki pamięci przechowują ten stan. Obwody te wymagają do działania generatora czasowego lub zegara.

Pamięć komputerowa stosowana w większości współczesnych systemów komputerowych zbudowana jest głównie z komórek DRAM; ponieważ układ jest znacznie mniejszy niż SRAM, może być gęściej upakowany, uzyskując tańszą pamięć o większej pojemności. Ponieważ komórka pamięci DRAM przechowuje swoją wartość jako ładunek kondensatora i występują problemy z upływem prądu, jej wartość musi być stale przepisywana. Jest to jeden z powodów, dla których komórki DRAM są wolniejsze niż większe komórki SRAM (statyczna pamięć RAM), która ma zawsze dostępną wartość. To jest powód, dla którego pamięć SRAM jest używana do wbudowanej pamięci podręcznej w nowoczesnych układach mikroprocesorowych .

Historia

Dalsze informacje: Pamięć komputera § Historia

  pamięci rdzeniowej 32x32 przechowująca 1024 bity danych.

11 grudnia 1946 roku Freddie Williams złożył wniosek patentowy na swoje urządzenie do przechowywania kineskopu (CRT) ( lampa Williamsa ) zawierające 128 40- bitowych słów. Działała w 1947 roku i jest uważana za pierwszą praktyczną implementację pamięci o dostępie swobodnym (RAM). W tym samym roku Frederick Viehe złożył pierwsze wnioski patentowe dotyczące pamięci z rdzeniem magnetycznym . Praktyczna pamięć z rdzeniem magnetycznym została opracowana przez An Wanga w 1948 roku i ulepszona przez Jaya Forrestera i Jana A. Rajchmana we wczesnych latach pięćdziesiątych, zanim został skomercjalizowany z komputerem Whirlwind w 1953 roku. Ken Olsen również przyczynił się do jego rozwoju.

Pamięć półprzewodnikowa rozpoczęła się na początku lat 60. XX wieku od bipolarnych komórek pamięci, wykonanych z tranzystorów bipolarnych . Chociaż poprawił wydajność, nie mógł konkurować z niższą ceną pamięci z rdzeniem magnetycznym.

Komórki pamięci MOS

Dalsze informacje: Pamięć półprzewodnikowa i Pamięć o dostępie swobodnym § Historia

Intel 1103 , układ dynamicznej pamięci o dostępie swobodnym (DRAM) z 1970 r. Metal-tlenek-półprzewodnik (MOS ) .

Wynalezienie tranzystora polowego MOSFET (tranzystor polowy metal-tlenek-półprzewodnik), znanego również jako tranzystor MOS, przez Mohameda M. Atalla i Dawona Kahnga w Bell Labs w 1959 r., Umożliwiło praktyczne zastosowanie półprzewodnika metal-tlenek-półprzewodnik (MOS ) tranzystory jako elementy pamięci komórek pamięci, funkcję pełnioną wcześniej przez rdzenie magnetyczne . Pierwsze nowoczesne komórki pamięci zostały wprowadzone w 1964 roku, kiedy John Schmidt zaprojektował pierwszą 64-bitową statyczną pamięć o dostępie swobodnym ( SRAM ) MOS (PMOS) z kanałem p.

SRAM ma zwykle komórki sześciotranzystorowe , podczas gdy DRAM (dynamiczna pamięć o dostępie swobodnym) ma zwykle komórki jednotranzystorowe. W 1965 roku kalkulator elektroniczny Toscal BC-1411 firmy Toshiba wykorzystywał formę pojemnościowej dwubiegunowej pamięci DRAM, przechowującej 180-bitowe dane w dyskretnych komórkach pamięci, składających się z germanowych tranzystorów bipolarnych i kondensatorów. Technologia MOS jest podstawą nowoczesnej pamięci DRAM. W 1966 r. dr Robert H. Dennard z IBM Thomas J. Watson Research Center pracował na pamięci MOS. Badając charakterystykę technologii MOS, odkrył, że jest ona zdolna do budowania kondensatorów , a przechowywanie ładunku lub braku ładunku na kondensatorze MOS może reprezentować 1 i 0 bitu, podczas gdy tranzystor MOS może kontrolować zapisywanie ładunku do kondensator. Doprowadziło to do jego opracowania jednotranzystorowej komórki pamięci DRAM. W 1967 roku Dennard złożył patent na jednotranzystorową komórkę pamięci DRAM, opartą na technologii MOS.

Pierwsza komercyjna dwubiegunowa 64-bitowa pamięć SRAM została wydana przez firmę Intel w 1969 roku wraz z 3101 Schottky TTL . Rok później wypuścił pierwszy scalony DRAM , Intel 1103 , oparty na technologii MOS. Do 1972 roku pobił poprzednie rekordy pamięci półprzewodnikowych . Chipy DRAM we wczesnych latach siedemdziesiątych miały ogniwa trójtranzystorowe, zanim ogniwa jednotranzystorowe stały się standardem od połowy lat siedemdziesiątych.

  CMOS została skomercjalizowana przez firmę RCA , która w 1968 roku wprowadziła na rynek 288-bitowy układ pamięci CMOS SRAM. Pamięć CMOS była początkowo wolniejsza niż pamięć NMOS , która była szerzej stosowana w komputerach w latach 70. W 1978 roku Hitachi wprowadził dwudołkowy proces CMOS z układem pamięci HM6147 (4 kb SRAM), wyprodukowanym w procesie 3 µm . Układ HM6147 był w stanie dorównać wydajnością najszybszemu układowi pamięci NMOS w tamtym czasie, podczas gdy HM6147 zużywał również znacznie mniej energii. Przy porównywalnej wydajności i znacznie mniejszym zużyciu energii, dwudołkowy proces CMOS ostatecznie wyprzedził NMOS jako najpopularniejszy proces produkcji półprzewodników dla pamięci komputera w latach 80-tych.

Dwa najpopularniejsze typy komórek pamięci DRAM od lat 80. XX wieku to ogniwa z kondensatorami okopowymi i ogniwa z kondensatorami piętrowymi. Komórki z kondensatorami okopowymi to miejsca, w których wykonuje się otwory (rowki) w podłożu krzemowym, których ściany boczne służą jako komórka pamięci, podczas gdy ogniwa z kondensatorami piętrowymi są najwcześniejszą formą pamięci trójwymiarowej (pamięć 3D), w której komórki pamięci są ułożone pionowo w trójwymiarowej strukturze komórkowej. Oba zadebiutowały w 1984 roku, kiedy Hitachi wprowadziło pamięć z kondensatorami okopowymi, a Fujitsu wprowadziło pamięć z kondensatorami piętrowymi.

Komórki pamięci MOS z pływającą bramką

Zobacz też: MOSFET z ruchomą bramką i pamięć nieulotna

MOSFET z ruchomą bramką (FGMOS) został wynaleziony przez Dawona Kahnga i Simona Sze w Bell Labs w 1967 roku. Zaproponowali oni koncepcję komórek pamięci z ruchomą bramką, wykorzystujących tranzystory FGMOS, których można by użyć do wytworzenia reprogramowalnej pamięci ROM (pamięć tylko do odczytu ). Komórki pamięci z ruchomą bramką stały się później podstawą pamięci nieulotnej (NVM), w tym EPROM (kasowalna programowalna pamięć ROM), EEPROM (programowalna pamięć ROM kasowana elektrycznie) i pamięć flash .

  Pamięć flash została wynaleziona przez Fujio Masuokę w firmie Toshiba w 1980 r. Masuoka i jego współpracownicy przedstawili wynalazek pamięci flash NOR w 1984 r ., a następnie pamięci flash NAND w 1987 r . Pamięć flash z komórkami wielopoziomowymi (MLC) została wprowadzona przez firmę NEC , która zademonstrowała poziom komórek w układzie flash 64 Mb przechowującym 2 bity na komórkę w 1996 r. 3D V-NAND , w którym komórki pamięci flash są ułożone pionowo za pomocą lampy błyskowej pułapki ładunkowej 3D (CTP) została po raz pierwszy ogłoszona przez firmę Toshiba w 2007 r., a po raz pierwszy wyprodukowana komercyjnie przez firmę Samsung Electronics w 2013 r.

Realizacja

Poniższe schematy szczegółowo opisują trzy najczęściej używane implementacje komórek pamięci:

• Dynamiczna komórka pamięci o dostępie swobodnym (DRAM);
• Statyczna komórka pamięci o dostępie swobodnym (SRAM);
• Przerzutniki, takie jak J/K pokazane poniżej, używające tylko bramek logicznych .

Komórka DRAM (1 tranzystor i jeden kondensator).

Ogniwo SRAM (6 tranzystorów).

Taktowany przerzutnik J/K.

Operacja

Komórka pamięci DRAM

Matryca MT4C1024 (1994) integrująca jeden mebibit komórek pamięci DRAM .

Składowanie

Elementem magazynującym komórki pamięci DRAM jest kondensator oznaczony (4) na powyższym schemacie. Ładunek zgromadzony w kondensatorze z czasem ulega degradacji, dlatego jego wartość należy okresowo odświeżać (odczytywać i zapisywać). Tranzystor nMOS (3) działa jak bramka, umożliwiając odczyt lub zapis, gdy jest otwarty, lub zapisywanie, gdy jest zamknięty.

Czytanie

Aby odczytać słowo, linia (2) wprowadza logikę 1 (wysokie napięcie) do bramki tranzystora nMOS (3), co czyni go przewodzącym, a ładunek zgromadzony na kondensatorze (4) jest następnie przekazywany do linii bitowej (1) . Linia bitowa będzie miała pojemność pasożytniczą (5), co spowoduje rozładowanie części ładunku i spowolnienie procesu odczytu. Pojemność linii bitowej określi potrzebny rozmiar kondensatora magazynującego (4). To jest wymiana. Jeśli kondensator magazynujący jest zbyt mały, napięcie linii bitowej zajęłoby zbyt dużo czasu, aby wzrosnąć lub nawet nie wzrosnąć powyżej progu wymaganego przez wzmacniacze na końcu linii bitowej. Ponieważ proces odczytu zmniejsza ładunek w kondensatorze magazynującym (4), jego wartość jest przepisywana po każdym odczycie.

Pismo

Proces zapisu jest najłatwiejszy, żądana wartość logiczna 1 (wysokie napięcie) lub logika 0 (niskie napięcie) jest wprowadzana do linii bitowej. Linia słowa aktywuje nMOS (3) łącząc go z kondensatorem magazynującym (4). Jedynym problemem jest pozostawienie go otwartego wystarczająco długo, aby upewnić się, że kondensator jest w pełni naładowany lub rozładowany przed wyłączeniem tranzystora nMOS (3).

Komórka pamięci SRAM

Komórka pamięci SRAM przedstawiająca pętlę falownika jako bramki

Animowany zatrzask SR. Czarny i biały oznaczają odpowiednio logiczne „1” i „0”. (A) S = 1, R = 0: ustaw (B) S = 0, R = 0: wstrzymaj (C) S = 0, R = 1: reset (D) S = 1, R = 1: niedozwolone Przejście z kombinacji ograniczonej (D) do (A) prowadzi do stanu niestabilnego.

Składowanie

Zasada działania komórki pamięci SRAM może być łatwiejsza do zrozumienia, jeśli tranzystory od M1 do M4 zostaną narysowane jako bramki logiczne . W ten sposób jasne jest, że w istocie magazyn ogniw jest zbudowany przy użyciu dwóch połączonych krzyżowo falowników . Ta prosta pętla tworzy obwód bistabilny. Logika 1 na wejściu pierwszego falownika zmienia się na 0 na swoim wyjściu i jest podawana do drugiego falownika, który przekształca tę logikę 0 z powrotem w logikę 1, przekazując tę ​​samą wartość z powrotem na wejście pierwszego falownika. To tworzy stabilny stan, który nie zmienia się w czasie. Podobnie inny stabilny stan obwodu ma mieć logiczne 0 na wejściu pierwszego falownika. Po dwukrotnym odwróceniu również wyświetli tę samą wartość.

Dlatego istnieją tylko dwa stabilne stany, w których może znajdować się obwód:

• ${\ Displaystyle \ scriptstyle Q}$ = 0 i ${\ Displaystyle \ scriptstyle {\ overline {Q}}}$ = 1
• ${\ Displaystyle \ scriptstyle Q}$ = 1 i ${\ Displaystyle \ scriptstyle {\ overline {Q}}}$ = 0

Czytanie

Aby odczytać zawartość komórki pamięci zapisanej w pętli, tranzystory M5 i M6 muszą być włączone. kiedy otrzymują napięcie do swoich bramek z linii słownej ( $\$ więc $scriptstyle Q}$ i $}}}$${\ displaystyle \ scriptstyle {\ overline {Q$ wartości są przesyłane do linii bitowej ( ${\ Displaystyle \ scriptstyle BL}$ ) i do jej uzupełnienia ( ${\ Displaystyle \ scriptstyle {\ overline {BL}}}$ ). Wreszcie te wartości są wzmacniane na końcu linii bitowych.

Pismo

Proces zapisu jest podobny, różnica polega na tym, że teraz nowa wartość, która zostanie zapisana w komórce pamięci, jest wprowadzana do linii bitowej ( ), $a$ do jej dopełnienia ${\ Displaystyle \ scriptstyle {\ overline {BL}}}$ ). Następne tranzystory M5 i M6 są otwierane przez wprowadzenie logiki 1 (wysokie napięcie) do linii słowa ( ${\ displaystyle \ scriptstyle WL}$ ). To skutecznie łączy linie bitowe z stabilną pętlą falownika. Możliwe są dwa przypadki:

1. Jeśli wartość pętli jest taka sama jak nowa sterowana wartość, nie ma zmiany;
2. jeśli wartość pętli jest różna od nowej sterowanej wartości, to są dwie sprzeczne wartości, aby napięcie w liniach bitowych nadpisało wyjście falowników, rozmiar tranzystorów M5 i M6 musi być większy niż tranzystory M1-M4. Pozwala to na przepływ większej ilości prądu przez pierwsze, a zatem przechyla napięcie w kierunku nowej wartości, w pewnym momencie pętla wzmocni tę wartość pośrednią do pełnej szyny.

Japonki

Główny artykuł: Flip-flop (elektronika)

Przerzutnik ma wiele różnych implementacji, jego elementem składującym jest zwykle zatrzask składający się z pętli bramkowej NAND lub pętli bramkowej NOR z dodatkowymi bramkami służącymi do realizacji taktowania. Jego wartość jest zawsze dostępna do odczytu jako wyjście. Wartość pozostaje zapisana, dopóki nie zostanie zmieniona w procesie ustawiania lub resetowania. Przerzutniki są zwykle realizowane za pomocą tranzystorów MOSFET .

Pływająca brama

Komórka pamięci flash

Zobacz też: MOSFET z pływającą bramką i lampa błyskowa pułapki ładunkowej

z ruchomą bramką , oparte na tranzystorach MOSFET z bramką ruchomą , są używane w większości technologii pamięci nieulotnej (NVM), w tym EPROM , EEPROM i pamięci flash . Zdaniem R. Beza i A. Pirovano:

Komórka pamięci z ruchomą bramką jest zasadniczo tranzystorem MOS z bramką całkowicie otoczoną dielektrykami (ryc. 1.2), bramką pływającą (FG) i sterowaną elektrycznie przez sprzężoną pojemnościowo bramkę kontrolną (CG). Będąc izolowanym elektrycznie, FG działa jako elektroda magazynująca dla urządzenia komórkowego. Ładunek wprowadzony do FG jest tam utrzymywany, co pozwala na modulację „pozornego” napięcia progowego (tj. VT widzianego z CG) tranzystora ogniwa.

Zobacz też

• Dynamiczna pamięć o dostępie swobodnym
• Przerzutnik (elektronika)
• Młotek rzędowy
• Statyczna pamięć o dostępie swobodnym