Полупроводниковая память

Полупроводниковая память - это цифровое электронное полупроводниковое устройство, используемое для хранения цифровых данных , например, компьютерная память . Обычно это относится к МОП-памяти , где данные хранятся в ячейках памяти металл-оксид-полупроводник (МОП) на кремниевом кристалле памяти интегральной схемы . ^{[1] [2] [3]} Существует множество различных типов, использующих различные полупроводниковые технологии. Двумя основными типами оперативной памяти (RAM) являются статическая RAM (SRAM), в которой используются несколько МОП-транзисторов. на ячейку памяти и динамическое ОЗУ (DRAM), в котором используется один МОП-транзистор и МОП-конденсатор на ячейку. Энергонезависимая память (например, EPROM , EEPROM и флэш-память ) использует ячейки памяти с плавающим затвором , которые состоят из одного MOS-транзистора с плавающим затвором на ячейку.

Большинство типов полупроводниковой памяти обладает свойством произвольного доступа , ^[4] , что означает , что она занимает такое же количество времени для доступа к любой ячейке памяти, так что данные могут быть эффективны доступны в любом произвольном порядке. ^[5] Это контрастирует с носителями данных, такими как жесткие диски и компакт-диски, которые читают и записывают данные последовательно, и поэтому к данным можно получить доступ только в той же последовательности, в которой они были записаны. Полупроводниковая память также имеет гораздо более быстрое время доступа, чем другие типы хранилищ данных; байт данных могут быть записаны или считаны из полупроводникового запоминающего устройства в течение нескольких наносекунд, в то время как время доступа для вращающегося хранилища, такого как жесткие диски, находится в диапазоне миллисекунд. По этим причинам он используется в качестве основной памяти компьютера (первичного хранилища), для хранения данных, с которыми компьютер в настоящее время работает, а также для других целей.

По состоянию на 2017 год ^{[Обновить]}продажи полупроводниковых микросхем памяти составили 124 миллиарда долларов в год, что составляет 30% всей полупроводниковой промышленности . ^[6] сдвиговые регистры , регистры процессора , буфера данных и другие небольшие цифровые регистры , которые не имеют адресов памяти декодирование механизма , как правило , не упоминаются как «память» , хотя они также хранить цифровые данные.

Описание [ править ]

В полупроводниковой микросхеме памяти каждый бит двоичных данных хранится в крошечной схеме, называемой ячейкой памяти, состоящей из одного или нескольких транзисторов . Ячейки памяти расположены прямоугольными массивами на поверхности микросхемы. 1-битные ячейки памяти сгруппированы в небольшие блоки, называемые словами , доступ к которым осуществляется вместе как один адрес памяти. Память производится с длиной слова, которая обычно является степенью двойки, обычно N = 1, 2, 4 или 8 бит.

Доступ к данным осуществляется с помощью двоичного числа, называемого адресом памяти, применяемого к адресным контактам микросхемы, который указывает, к какому слову в микросхеме необходимо получить доступ. Если адрес памяти состоит из M битов, количество адресов на микросхеме равно 2 ^M , каждый из которых содержит N битовых слов. Следовательно, количество данных, хранящихся в каждом чипе, составляет N 2 ^M бит. ^[5] Емкость памяти M числа адресных линий задается 2 ^М , который, как правило , в силе двух: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 и 512 , и измеряется в kibibits , mebibits ,гибибиты или тебибиты и т. д. По состоянию на 2014 год ^{[Обновить]}самые большие микросхемы полупроводниковой памяти вмещают несколько гигибитов данных, но постоянно развивается память большей емкости. Комбинируя несколько интегральных схем, память может быть организована в большую длину слова и / или адресное пространство, чем то, что предлагает каждая микросхема, часто, но не обязательно, в степени двойки . ^[5]

Две основные операции, выполняемые микросхемой памяти, - это « чтение », при котором содержимое данных слова памяти считывается (неразрушающим образом), и « запись », при котором данные сохраняются в слове памяти, заменяя любые данные, которые были ранее. хранится там. Для увеличения скорости передачи данных в некоторых последних типах микросхем памяти, таких как DDR SDRAM , доступ к нескольким словам осуществляется при каждой операции чтения или записи.

Помимо автономных микросхем памяти, блоки полупроводниковой памяти являются неотъемлемыми частями многих компьютерных интегральных схем и схем обработки данных. Например, микропроцессорные микросхемы, на которых работают компьютеры, содержат кэш-память для хранения инструкций, ожидающих выполнения.

Типы [ править ]

Энергозависимая память [ править ]

Энергозависимая память теряет свои сохраненные данные при отключении питания микросхемы памяти. Однако это может быть быстрее и дешевле, чем энергонезависимая память. Этот тип используется для основной памяти на большинстве компьютеров, поскольку данные хранятся на жестком диске, когда компьютер выключен. Основные типы: ^{[7] [8]}

RAM ( память с произвольным доступом ) - это стало общим термином для любой полупроводниковой памяти, в которую можно записывать, а также читать из нее, в отличие от ROM (ниже) , которое можно только читать. Вся полупроводниковая память, а не только RAM, имеет свойство произвольного доступа .

• DRAM ( динамическая память с произвольным доступом ) - в ней используются ячейки памяти металл-оксид-полупроводник (МОП), состоящие из одного полевого МОП-транзистора и одного МОП-конденсатора для хранения каждого бита. Этот тип ОЗУ является самым дешевым и имеет самую высокую плотность, поэтому он используется в качестве основной памяти в компьютерах. Однако электрический заряд, который хранит данные в ячейках памяти, медленно утекает, поэтому ячейки памяти необходимо периодически обновлять (перезаписывать), что требует дополнительных схем. Процесс обновления выполняется внутри компьютера и прозрачен для пользователя.
  • FPM DRAM ( DRAM с быстрым страничным режимом ) - более старый тип асинхронной DRAM, улучшенный по сравнению с предыдущими типами, позволяя повторные обращения к одной «странице» памяти происходить с большей скоростью. Использовался в середине 1990-х годов.
  • EDO DRAM ( DRAM с расширенными данными ) - более старый тип асинхронного DRAM, который имел более быстрое время доступа, чем предыдущие типы, благодаря возможности инициировать новый доступ к памяти, пока данные из предыдущего доступа все еще передавались. Используется в конце 1990-х годов.
  • VRAM ( Video память с произвольным доступом ) - Старший типа двухпортовой памяти когда - то для буферов кадра из видеоадаптеров (видеокарты).
  • SDRAM ( синхронная динамическая память с произвольным доступом ) - это добавленная схема к микросхеме DRAM, которая синхронизирует все операции с тактовым сигналом, добавленным к шине памяти компьютера . Это позволило микросхеме обрабатывать несколько запросов к памяти одновременно с использованием конвейерной обработки для увеличения скорости. Данные на микросхеме также разделены на банки, каждый из которых может работать с памятью одновременно. Примерно к 2000 году он стал доминирующим типом компьютерной памяти.
    • DDR SDRAM ( SDRAM с удвоенной скоростью передачи данных ) - может передавать в два раза больше данных (два последовательных слова) в каждом тактовом цикле за счет двойной накачки (передачи данных как по переднему, так и по заднему фронту тактового импульса). Расширением этой идеи является текущая (2012 г.) техника, используемая для увеличения скорости доступа к памяти и пропускной способности. Поскольку дальнейшее увеличение внутренней тактовой частоты микросхем памяти оказывается затруднительным, эти микросхемы увеличивают скорость передачи, передавая больше слов данных за каждый тактовый цикл.
      • DDR2 SDRAM - передает 4 последовательных слова за внутренний тактовый цикл
      • DDR3 SDRAM - передает 8 последовательных слов за внутренний тактовый цикл.
      • DDR4 SDRAM - передает 16 последовательных слов за внутренний тактовый цикл.
    • RDRAM ( Rambus DRAM ) - альтернативный стандарт памяти с удвоенной скоростью передачи данных, который использовался в некоторых системах Intel, но в конечном итоге проиграл DDR SDRAM.
      • XDR DRAM ( DRAM с экстремальной скоростью передачи данных )
    • SGRAM ( ОЗУ синхронной графики ) - специализированный тип SDRAM, предназначенный для графических адаптеров (видеокарт). Он может выполнять операции, связанные с графикой, такие как битовая маскировка и блочная запись, и может одновременно открывать две страницы памяти.
      • GDDR SDRAM ( Графика DDR SDRAM )
        • GDDR2
        • GDDR3 SDRAM
        • GDDR4 SDRAM
        • GDDR5 SDRAM
        • GDDR6 SDRAM
    • HBM ( память с высокой пропускной способностью ) - разработка SDRAM, используемая в видеокартах, которые могут передавать данные с большей скоростью. Он состоит из нескольких микросхем памяти, установленных друг на друга, с более широкой шиной данных.
  • PSRAM ( Псевдостатическая RAM ) - это DRAM, который имеет схему для выполнения обновления памяти на чипе, так что он действует как SRAM, позволяя внешнему контроллеру памяти отключаться для экономии энергии. Он используется в нескольких игровых консолях, таких как Wii .
• SRAM ( статическая память с произвольным доступом ) - в ней хранится каждый бит данных в схеме, называемой триггером , состоящей из 4-6 транзисторов. SRAM менее плотно и дороже на бит, чем DRAM, но быстрее и не требует обновления памяти . Он используется для кэш-памяти меньшего размера на компьютерах.
• CAM ( память с адресацией по содержимому ) - это специализированный тип, в котором вместо доступа к данным с использованием адреса применяется слово данных, и память возвращает местоположение, если слово хранится в памяти. Он в основном встроен в другие микросхемы, такие как микропроцессоры, где он используется для кэш-памяти .

Энергонезависимая память [ править ]

Энергонезависимая память (NVM) сохраняет данные, хранящиеся в ней, в периоды, когда питание чипа отключено. Поэтому он используется для памяти в портативных устройствах, у которых нет дисков, а также для съемных карт памяти, среди прочего. Основные типы: ^{[7] [8]} Энергонезависимая полупроводниковая память (NVSM) хранит данные в ячейках памяти с плавающим затвором , каждая из которых состоит из полевого МОП-транзистора с плавающим затвором .

• ROM ( постоянная память ) - предназначена для хранения постоянных данных и при нормальной работе только читается, а не записывается. Хотя можно записывать многие типы, процесс записи идет медленно, и обычно все данные в микросхеме необходимо перезаписывать сразу. Обычно он используется для хранения системного программного обеспечения, которое должно быть немедленно доступно для компьютера, например программы BIOS, запускающей компьютер, и программного обеспечения ( микрокода ) для портативных устройств и встроенных компьютеров, таких как микроконтроллеры .
  • MROM ( ПЗУ с программированием по маске или ПЗУ с маской ) - в этом типе данные программируются в микросхеме во время производства, поэтому он используется только для больших производственных партий. Его нельзя переписать новыми данными.
  • PROM ( программируемая постоянная память ) - в этом типе данные записываются в микросхему до того, как они будут установлены в схему, но они могут быть записаны только один раз. Данные записываются путем подключения микросхемы к устройству, называемому программатором PROM.
  • EPROM ( стираемая программируемая постоянная память ) - в этом типе данные в нем могут быть перезаписаны путем удаления микросхемы с печатной платы, воздействия на нее ультрафиолетового света для стирания существующих данных и подключения ее к программатору PROM. В верхней части корпуса IC есть небольшое прозрачное «окно», пропускающее ультрафиолетовый свет. Он часто используется для прототипов и небольших серийных устройств, где программу в нем, возможно, придется изменить на заводе.
    EPROM 4M с прозрачным окном, используемым для стирания чипа
  • EEPROM ( электрически стираемая программируемая постоянная память ) - в этом типе данные могут быть перезаписаны электрически, пока микросхема находится на печатной плате, но процесс записи медленный. Этот тип используется для хранения микропрограмм , микрокода низкого уровня, который запускает аппаратные устройства, такие как программа BIOS на большинстве компьютеров, чтобы его можно было обновлять.
• NVRAM ( энергонезависимая память с произвольным доступом )
  • FRAM ( Ferroelectric RAM ) - один из типов энергонезависимой RAM.
• Флэш-память - в этом типе процесс записи занимает промежуточное положение по скорости между EEPROMS и RAM; в нее можно записывать, но недостаточно быстро, чтобы служить в качестве основной памяти. Он часто используется как полупроводниковая версия жесткого диска для хранения файлов. Он используется в портативных устройствах, таких как КПК, USB-накопители и съемные карты памяти, используемые в цифровых камерах и мобильных телефонах .

История [ править ]

Ранняя компьютерная память состояла из памяти с магнитным сердечником , поскольку ранние твердотельные электронные полупроводники , включая транзисторы, такие как биполярный транзистор (BJT), были непрактичными для использования в качестве цифровых запоминающих элементов ( ячеек памяти ). Самая ранняя полупроводниковая память относится к началу 1960-х годов с биполярной памятью, в которой использовались биполярные транзисторы. ^[9] Биполярная полупроводниковая память, сделанная из дискретных устройств, была впервые поставлена Texas Instruments в ВВС США в 1961 году. В том же году была разработана концепция твердотельной памяти.Память на интегральной схеме (IC) была предложена инженером Бобом Норманом из Fairchild Semiconductor . ^[10] Первой микросхемой биполярной полупроводниковой памяти была микросхема SP95, представленная IBM в 1965 году. ^{[9] [10]} Хотя биполярная память предлагала более высокую производительность по сравнению с памятью с магнитным сердечником, она не могла конкурировать с более низкой ценой памяти с магнитным сердечником. , который оставался доминирующим до конца 1960-х годов. ^[9] Биполярная память не смогла заменить память на магнитных сердечниках, потому что биполярные триггеры были слишком большими и дорогими. ^[11]

MOS-память [ править ]

Появление полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET) ^[12], изобретенного Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году ^[13], позволило на практике использовать металл-оксид-полупроводник (MOS ) транзисторы в качестве элементов хранения ячеек памяти, функция, ранее выполняемая магнитными сердечниками в компьютерной памяти . ^[12] МОП-память была разработана Джоном Шмидтом в Fairchild Semiconductor в 1964 году. ^{[14] [15]}Помимо более высокой производительности, MOS-память была дешевле и потребляла меньше энергии, чем память с магнитным сердечником. ^[14] Это привело к тому, что полевые МОП-транзисторы в конечном итоге заменили магнитопроводы в качестве стандартных элементов хранения в компьютерной памяти. ^[12]

В 1965 году Дж. Вуд и Р. Болл из Royal Radar Establishment предложили цифровые системы хранения, в которых используются ячейки памяти CMOS (дополнительные MOS) в дополнение к силовым устройствам MOSFET для источника питания , перекрестной связи, переключателей и линии задержки. хранение . ^[16] Разработка технологии интегральной схемы МОП с кремниевым затвором (МОП ИС) Федерико Фаггин в Fairchild в 1968 году позволила производить микросхемы памяти МОП . ^[17] Память NMOS была коммерциализирована IBM в начале 1970-х годов. ^[18] Память MOS обогнала память на магнитных сердечниках и стала доминирующей технологией памяти в начале 1970-х годов. ^[14]

Термин «память», когда он используется применительно к компьютерам, чаще всего относится к энергозависимой оперативной памяти (RAM). Двумя основными типами энергозависимой оперативной памяти являются статическая память с произвольным доступом (SRAM) и динамическая память с произвольным доступом (DRAM). Биполярная SRAM была изобретена Робертом Норманом в Fairchild Semiconductor в 1963 году ^[9], после чего в 1964 году Джоном Шмидтом в Fairchild была разработана МОП SRAM. ^[14] SRAM стала альтернативой памяти с магнитным сердечником, но для ее работы потребовалось шесть МОП-транзисторов. каждый бит данных. ^[19] Коммерческое использование SRAM началось в 1965 году, когда IBM представила свой чип SP95 SRAM для System / 360 Model 95 . ^[9]

Toshiba представила биполярные ячейки памяти DRAM для своего электронного калькулятора Toscal BC-1411 в 1965 году. ^{[20] [21]} Хотя он предлагал улучшенную производительность по сравнению с памятью на магнитном сердечнике, биполярная DRAM не могла конкурировать с более низкой ценой доминирующего в то время магнитного сердечника. объем памяти. ^[22] Технология MOS является основой современной памяти DRAM. В 1966 году доктор Роберт Х. Деннард из исследовательского центра IBM Thomas J. Watson работал над MOS-памятью. Изучая характеристики технологии МОП, он обнаружил, что она способна создавать конденсаторы., и что сохранение заряда или отсутствие заряда на МОП-конденсаторе может представлять 1 и 0 бита, в то время как МОП-транзистор может управлять записью заряда на конденсатор. Это привело к его разработке ячейки памяти DRAM с одним транзистором. ^[19] В 1967 году Деннард подал в IBM патент на ячейку памяти DRAM с одним транзистором, основанную на технологии MOS. ^[23] Это привело к первой коммерческой чип DRAM IC, то Intel 1103 , в октябре 1970 года ^{[24] [25] [26]} память с произвольным доступом синхронной динамической (SDRAM) позже дебютировала с Samsung чипом KM48SL2000 в 1992 году ^{[ 27] [28]}

Термин «память» также часто используется для обозначения энергонезависимой памяти , в частности флэш-памяти . Он возник в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Программируемая постоянная память (PROM) была изобретена Вен Цин Чоу в 1956 году, когда он работал в подразделении Arma американской корпорации Bosch Arma Corporation. ^{[29] [30]} В 1967 году Давон Кан и Саймон Сзе из Bell Labs предложили использовать плавающий затвор полупроводникового МОП- устройства для ячейки перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), что привело к Дову Фроману из Intelизобретение EPROM (стираемого PROM) в 1971 году. ^[31] EEPROM (электрически стираемый PROM) был разработан Ясуо Таруи, Ютакой Хаяси и Киёко Нага в Электротехнической лаборатории в 1972 году. ^[32] Флэш-память была изобретена Фудзио Масуока в Toshiba в начало 1980-х. ^{[33] [34]} Масуока и его коллеги представили изобретение флеш-памяти NAND в 1984 году ^[35], а затем флеш-памяти NAND в 1987 году. ^[36] Toshiba коммерциализировала флеш-память NAND в 1987 году. ^{[37] [38]}

Приложения [ править ]

См. Также [ править ]

• Список самых продаваемых электронных устройств
• Полупроводниковая промышленность

Ссылки [ править ]