Komórka pamięci (obliczeniowa) - Memory cell (computing)

Układ do krzemowej implementacji sześciotranzystorowej komórki pamięci SRAM.

Komórka pamięci jest podstawowym budulcem pamięci komputera . Komórka pamięci jest obwodem elektronicznym, który przechowuje jeden bit informacji binarnych i musi być ustawiony do przechowywania logicznego 1 (wysoki poziom napięcia) i zresetowany do przechowywania logicznego 0 (niski poziom 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.

Komórka pamięci SRAM ( statyczna pamięć RAM ) jest rodzajem układu typu flip-flop , zwykle realizowanego przy użyciu tranzystorów MOSFET. Wymagają one bardzo małej mocy, aby zachować przechowywaną wartość, gdy nie są dostępne. Drugi typ, DRAM ( dynamic RAM ), oparty jest na kondensatorach MOS. Ładowanie i rozładowywanie kondensatora może przechowywać w ogniwie „1” lub „0”. 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 nieulotnych (NVM) jest oparta na architekturach komórek pamięci z ruchomymi bramkami . Technologie pamięci nieulotnej, w tym EPROM , EEPROM i pamięć flash, wykorzystują komórki pamięci z pływającą bramką, które są oparte na tranzystorach MOSFET z pływającą bramką .

Opis

Komórka pamięci jest podstawowym budulcem pamięci. Może być realizowany przy użyciu różnych technologii, takich jak bipolarne , MOS i inne urządzenia półprzewodnikowe . Może być również zbudowany z materiału magnetycznego , takiego jak rdzenie ferrytowe lub bąbelki magnetyczne. Niezależnie od zastosowanej technologii implementacji, cel binarnej komórki pamięci jest zawsze taki sam. Przechowuje jeden bit informacji binarnych, do których można uzyskać dostęp poprzez odczytanie komórki i musi być ustawiony na przechowywanie 1 i zresetowany, aby przechowywać 0.

Znaczenie

Kwadratowa tablica odczytywanych komórek pamięci DRAM

Układy logiczne bez komórek pamięci lub ścieżek sprzężenia zwrotnego nazywane są kombinowanymi , ich wartości wyjściowe zależą tylko od bieżącej wartości ich wartości wejściowych. Nie mają pamięci. Ale 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 korzystające z komórek pamięci nazywane są obwodami sekwencyjnymi . Jego wyjście zależy nie tylko od aktualnej wartości jego wejść, ale także od poprzedniego stanu obwodów, określonego przez wartości zapisane w jego komórkach pamięci. Obwody te wymagają do działania generatora taktowania lub zegara.

Pamięć komputerowa używana w większości współczesnych systemów komputerowych zbudowana jest głównie z komórek DRAM; ponieważ układ jest znacznie mniejszy niż SRAM, może być gęściej upakowany, co daje 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), które mają zawsze dostępną wartość. To jest powód, dla którego pamięć SRAM jest wykorzystywana jako pamięć podręczna typu on- chip zawarta w nowoczesnych układach mikroprocesorowych .

Historia

Płaszczyzna pamięci 32x32 rdzenia przechowująca 1024 bity danych. 

11 grudnia 1946 Freddie Williams złożył wniosek o patent na swoje urządzenie do przechowywania lamp katodowych (CRT) ( lampa Williamsa ) ze 128 40- bitowymi słowami. Działał w 1947 roku i jest uważany za pierwszą praktyczną implementację pamięci o dostępie swobodnym (RAM). W tym samym roku pierwsze wnioski patentowe dotyczące pamięci z rdzeniem magnetycznym złożył Frederick Viehe. Praktyczna pamięć z rdzeniem magnetycznym została opracowana przez An Wanga w 1948 roku i ulepszona przez Jaya Forrestera i Jana A. Rajchmana na początku lat pięćdziesiątych, zanim została skomercjalizowana z komputerem Whirlwind w 1953 roku. Ken Olsen również przyczynił się do jej rozwoju.

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

Komórki pamięci MOS

Intel 1103 , 1970 metal-tlenek-półprzewodnik (MOS), pamięć dynamiczna o dostępie bezpośrednim (DRAM) wiórów .

Wynalezienie tranzystora MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect tranzystor), znanego również jako tranzystor MOS, przez Mohameda M. Atallę i Dawona Kahnga w Bell Labs w 1959 roku, umożliwiło praktyczne zastosowanie półprzewodnika z tlenkiem metalu (MOS). ) tranzystory jako elementy pamięci komórki pamięci, funkcję pełnioną wcześniej przez rdzenie magnetyczne . Pierwsze nowoczesne komórki pamięci wprowadzono w 1964 roku, kiedy John Schmidt zaprojektowany pierwszego 64-bitowego kanału P MOS ( PMO ) statycznej pamięci o dostępie swobodnym (SRAM).

SRAM ma zazwyczaj sześcio- tranzystor komórek, podczas gdy pamięć DRAM (pamięć dynamiczna o dostępie swobodnym) typowo posiadają komórki pojedynczego tranzystora. W 1965 roku elektroniczny kalkulator Toscal BC-1411 firmy Toshiba wykorzystywał formę pojemnościowej bipolarnej pamięci DRAM, przechowując 180-bitowe dane na dyskretnych komórkach pamięci, składających się z germanowych tranzystorów bipolarnych i kondensatorów. Technologia MOS to podstawa nowoczesnej pamięci DRAM. W 1966 roku dr Robert H. Dennard z IBM Thomas J. Watson Research Center pracował nad pamięcią MOS. Badając charakterystykę technologii MOS, odkrył, że jest ona zdolna do budowania kondensatorów i że przechowywanie ładunku lub brak ładunku na kondensatorze MOS może reprezentować 1 i 0 bitu, podczas gdy tranzystor MOS może sterować zapisem ładunku do kondensator. Doprowadziło to do opracowania przez niego jednotranzystorowej komórki pamięci DRAM. W 1967 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 z 3101 Schottky TTL . Rok później wypuściła pierwszy układ scalony DRAM , Intel 1103 , oparty na technologii MOS. W 1972 roku pobił poprzednie rekordy sprzedaży pamięci półprzewodnikowych . Chipy DRAM we wczesnych latach 70. miały komórki z trzema tranzystorami, zanim od połowy lat 70. standardem stały się ogniwa z jednym tranzystorem.

Pamięć CMOS została skomercjalizowana przez firmę RCA , która wprowadziła 288-bitowy układ pamięci CMOS SRAM w 1968 roku. Pamięć CMOS była początkowo wolniejsza niż pamięć NMOS , która była szerzej wykorzystywana przez komputery w latach 70. XX wieku. W 1978 roku firma Hitachi wprowadziła proces CMOS z dwoma dołkami, z  chipem pamięci HM6147 (4 kb SRAM), wyprodukowanym w procesie 3 µm . Układ HM6147 był w stanie dorównać wydajnością najszybszego układu pamięci NMOS w tamtym czasie, podczas gdy HM6147 zużywał znacznie mniej energii. Przy porównywalnej wydajności i znacznie mniejszym zużyciu energii proces CMOS z dwoma dołkami ostatecznie wyprzedził NMOS jako najpopularniejszy proces produkcji półprzewodników do pamięci komputerowych w latach 80. XX wieku.

Dwa najczęstsze typy komórek pamięci DRAM od lat 80. to ogniwa z kondensatorami rowkowymi i ogniwa z kondensatorami ułożonymi w stos. Ogniwa z kondensatorami okopowymi to miejsca, w których wykonuje się otwory (wykopy) w podłożu krzemowym, których ścianki boczne są wykorzystywane jako komórka pamięci, podczas gdy ogniwa z kondensatorami stosowymi są najwcześniejszą formą pamięci trójwymiarowej (pamięć 3D), w której znajdują się komórki pamięci. ułożone pionowo w trójwymiarowej strukturze komórkowej. Oba zadebiutowały w 1984 roku, kiedy firma Hitachi wprowadziła pamięć typu trench-capacitor, a Fujitsu wprowadziła pamięć typu stacked-capacitor.

Komórki pamięci MOS z pływającą bramką

Zmiennoprzecinkowych brama MOSFET (FGMOS) został wynaleziony przez Dawon Kahng i Simon Sze w Bell Labs w 1967 Zaproponowano koncepcję komórek pamięciowych floating-brama, za pomocą tranzystorów FGMOS, które mogłyby zostać wykorzystane do produkcji programowalnej pamięci ROM (pamięć tylko do odczytu ). Komórki pamięci z pływającą bramką stały się później podstawą technologii pamięci nieulotnej (NVM), w tym EPROM (programowalna pamięć ROM z możliwością kasowania), EEPROM (programowalna pamięć ROM z możliwością wymazania elektrycznie) i pamięci flash .

Pamięć flash wynalazł Fujio Masuoki w Toshiba 1980. Masuoki i jego współpracownicy przedstawili wynalazek NOR w 1984 roku, a następnie NAND flash na 1987 komórek wielopoziomowego (MLC), pamięci flash wprowadził NEC , który wykazał Quad poziom komórek w 64 Mb pamięci flash przechowywania 2-bitowym w jednej komórce 1996 3D V NAND , gdzie komórki pamięci flash, są ułożone w pionie za pomocą 3D pułapka ładowania lampy technologii (CTP), po raz pierwszy ogłoszono Toshiba 2007 oraz pierwszy komercyjnie wyprodukowany przez Samsung Electronics w 2013 roku.  

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)
• Japonki takie jak J/K pokazane poniżej.

Ogniwo DRAM (1 tranzystor i jeden kondensator)

Ogniwo SRAM (6 tranzystorów)

Taktowany przerzutnik J/K

Operacja

Komórka pamięci DRAM

Umiera z MT4C1024 (1994) włączającego jedno- mebibit z DRAM komórek pamięci.

Składowanie

Elementem pamięciowym komórki pamięci DRAM jest kondensator oznaczony (4) na powyższym schemacie. Ładunek zmagazynowany w kondensatorze z czasem ulega degradacji, dlatego jego wartość musi być okresowo odświeżana (odczytywana i ponownie zapisywana). NMOS tranzystora (3) działa jako brama w celu umożliwienia odczytu lub zapisu w stanie otwartym lub przechowywania po zamknięciu.

Czytanie

W celu odczytania linii słowa (2) wprowadza logikę 1 (wysokie napięcie) do bramki tranzystora nMOS (3), co sprawia, że ​​przewodzi, a ładunek zmagazynowany w kondensatorze (4) jest następnie przenoszony do linii bitów (1) . Linia bitów będzie miała pasożytniczą pojemność (5), która odprowadzi część ładunku i spowolni proces odczytu. Pojemność linii bitowej określi potrzebny rozmiar kondensatora magazynującego (4). To kompromis. Jeśli kondensator magazynujący jest zbyt mały, napięcie linii bitowej zajęłoby zbyt dużo czasu, aby podnieść lub nawet nie wzrosnąć powyżej progu wymaganego przez wzmacniacze na końcu linii bitowej. Ponieważ proces odczytu degraduje ładunek w kondensatorze (4), jego wartość jest ponownie zapisywana po każdym odczycie.

Pismo

Proces zapisu jest najłatwiejszy, pożądana wartość logiczna 1 (wysokie napięcie) lub logiczne 0 (niskie napięcie) jest wprowadzana do linii bitowej. Linia słowa aktywuje tranzystor 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 inwertera jako bramki

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

Składowanie

Zasada działania komórki pamięci SRAM może być łatwiejsza do zrozumienia, jeśli tranzystory od M1 do M4 są rysowane jako bramki logiczne . W ten sposób jasne jest, że w swoim sercu magazyn ogniw zbudowany jest przy użyciu dwóch krzyżowo sprzężonych falowników . Ta prosta pętla tworzy obwód bistabilny. Logika 1 na wejściu pierwszego falownika zamienia się na 0 na swoim wyjściu i jest podawana do drugiego falownika, który przekształca logiczne 0 z powrotem w logiczną 1, przekazując tę ​​samą wartość na wejście pierwszego falownika. To tworzy stabilny stan, który nie zmienia się w czasie. Podobnie innym stabilnym stanem obwodu jest posiadanie logicznego 0 na wejściu pierwszego falownika. Po dwukrotnym odwróceniu zwróci również tę samą wartość.

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

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

Czytanie

Aby odczytać zawartość komórki pamięci przechowywanej w pętli, tranzystory M5 i M6 muszą być włączone. kiedy otrzymują napięcie do swoich bramek z linii słowa ( ), stają się przewodzące, a więc  wartości i   są przesyłane do linii bitowej ( ) i jej dopełnienia ( ). W końcu te wartości są wzmacniane na końcu linii bitów.${\displaystyle \scriptstyle WL}$${\displaystyle \scriptstyle Q}$${\displaystyle \scriptstyle {\overline {Q}}}$${\displaystyle \scriptstyle BL}$${\displaystyle \scriptstyle {\nadkreślenie {BL}}}$

Pismo

Proces zapisu jest podobny, różnica polega na tym, że teraz nowa wartość, która będzie przechowywana w komórce pamięci, jest wprowadzana do linii bitowej ( ), a odwrócona do jej dopełnienia ( ). Kolejne tranzystory M5 i M6 są otwierane poprzez wprowadzenie jedynki logicznej (wysokie napięcie) do linii słowa ( ). To skutecznie łączy linie bitów z pętlą inwertera według stabilnej. Możliwe są dwa przypadki: ${\displaystyle \scriptstyle BL}$${\displaystyle \scriptstyle {\nadkreślenie {BL}}}$${\displaystyle \scriptstyle WL}$

1. Jeśli wartość pętli jest taka sama, jak nowa wartość sterowana, nie ma zmiany.
2. Jeśli wartość pętli różni się od nowej wartości sterowanej, występują 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 wzmacnia tę pośrednią wartość do pełnej szyny.

Japonki

Przerzutnik ma wiele różnych implementacji, jego element przechowujący jest najczęściej zasuwa składa się z bramki NAND pętli lub bramki NOR pętli dodatkowe bramy wykorzystywane do realizacji taktowania. Jego wartość jest zawsze dostępna do odczytu jako wyjście. Wartość pozostaje zachowana, dopóki nie zostanie zmieniona w procesie ustawiania lub resetowania. Przerzutniki są zazwyczaj realizowane przy użyciu tranzystorów MOSFET .

Pływająca brama

Komórka pamięci flash

Komórki pamięci z pływającą bramką , oparte na tranzystorach MOSFET z pływającą bramką , są wykorzystywane w większości technologii pamięci nieulotnych (NVM), w tym w pamięciach EPROM , EEPROM i flash . Według R. Beza i A. Pirovano:

Komórka pamięci z pływającą bramką jest w zasadzie tranzystorem MOS z bramką całkowicie otoczoną dielektrykami (ryc. 1.2), bramką pływającą (FG) i elektrycznie sterowaną bramką sterującą o sprzężeniu pojemnościowym (CG). Będąc elektrycznie izolowanym, FG działa jako elektroda przechowująca dla urządzenia ogniwa. Ładunek wprowadzony do FG jest tam utrzymywany, umożliwiając modulację „pozornego” napięcia progowego (tj. VT widzianego z CG) tranzystora ogniwa.

Zobacz też

• Dynamiczna pamięć o dostępie swobodnym
• Flip-flop (elektronika)
• Młot rzędowy
• Statyczna pamięć o dostępie swobodnym

Bibliografia