Memória technológiak*

Memória technológiák

A memória nélkülözhetetlen komponens bármilyen számítógéprendszerben. Feladata a programok és a hozzájuk tartozó adatok tárolása.

A memóriatechnológiák a következőképpen osztályozhatók:

Read Write Memory (RWM) - olvasható, írható memória

Random Access Memory (RAM) - a hozzáférési idő nem függ az adatok memóriában való elhelyezésétől.

Static RAM (SRAM) - gyors, viszonylag kis kapacitású memória típus.

Dynamic RAM (DRAM) - lassúbb, nagy kapacitású memória típus.

Non - RAM: Serial Access Memory - FIFO, LIFO; - változó hozzáférési idő.

Content Access Memory (CAM) - tartalomfüggő kiválasztó rendszerű memória.

Non - volatile Read Write Memory (NVRWM): EPROM, EEPROM, FLASH - nem illékony, olvasható, írható memória típusok; a beírási idő jóval nagyobb, mint az olvasásé.

Read Only Memory (ROM) - gyártási maszk által programozott, csak olvasható memória.

Programmable ROM (PROM) - felhasználó által csak egyszer beírható, többször olvasható memória.

Static vs. dynamic - a sztatikus memória megőrzi a tartalmát, amíg tápláló feszültséget kap; a dinamikus memória tartalmát időnként fel kell frissíteni.

Synchronous vs. asynchronous - a szinkron memóriák egy órajel élen veszik át vagy adják ki az adatokat; az aszinkron memóriák felismerhetik a címváltozást, és ennek alapján indíthatnak be ciklusokat.

Forrás: James F. Plusquellic https://www.cs.umbc.edu/~plusquel/vlsi/slides/chap8_2.html

Memória architektúra

Egy tipikus memória áramkör belső felépítése a következő:

Row decoder - Sorkiválasztó áramkör.
- Column decoder - Oszlopkiválasztó áramkör.
- Sense amplifier - Olvasó erősítő.
- Write buffer - Beíró erősítő.
- Column multiplexer - A kiválasztott oszlopot a ki/bemenethez kapcsoló áramkör.

A fentebb ábrázolt egy modulos modell kis kapacitású memóriák esetében (256kbit) használható.

Nagy kapacitású memóriák több modulos (P block) architektúrát használnak.

Az ábra szerint egy 4Mbites memória címszerkezete a következő:

Block-5bit, Sor-10bit, Oszlop-7bit, összesen 22bit.

ROM memória

A ROM cellák tartalma változhatatlan. Több fizikai megoldás használható.

A következő ábrán dióda, réteg és MOS tranzisztor alapú cellák láthatók, logikai 1-es és 0 állapotban.

A dióda és a réteg tranzisztor pozitív jelet továbbít a kimenő bitvonalra (BL), ha a megfelelő kiválasztó szóvonal (WL) aktív. A diódás megoldás a WL feszültségét adja át a kimenetre, a tranzisztor pedig a kollektor tápfeszültségét, a megfelelő feszültségesések figyelembevételével és/vagy kimenő erősítőkön keresztül.

A MOS tranzisztoros változat esetében minden BL-t egy-egy pMOS tart 1-es szinten. Ha 0-t kell generálni, egy, a megfelelő bit helyzetre beépített nMOS lehúzza a pMOS által tartott BL-t, alacsony feszültségre. Hogy a pMOS, nMOS feszültségosztó jól működjön, az nMOS ellenállása legalább négyszer kisebb kell legyen mint a pMOS-é.

Nem illó olvasható, írható memóriák

A memória felépítése hasonlít a ROM memória szerkezetéhez. A tranzisztorok szelektív be/kikapcsolása a küszöbfeszültség módosításával történik. A küszöbfeszültséget egy lebegő elektróda feltöltésével/kisütésével változtatják.

Beíró (magas, 15-20V) feszültség alkalmazása a source (forrás) és drain (csapolás) között erős elektromos mezőt hoz létre és lavina -(forró elektron)- belövést okoz a lebegő elektródába, a normális feszültséggel táplált kiválasztó elektróda alatt.

A forró (nagy sebességű) elektronok áthatolnak az első oxidrétegen, és negatív töltést tárolnak a lebegő elektródán, megnövelve a küszöbfeszültséget kb. 7V-ra.

A kitörlési metódus határozza meg a különböző újraprogramozható nem illékony memóriák típusát.

EPROM: Erasable Programmable ROM - Törölhető, programozható ROM

ultraibolya (UV) fény hatására a lebegő elektródon tárolt elektronok egy része eltávozik, csökken a küszöbfeszültség, ez a törölt állapot. Az összes memória cellát egyszerre törlik, egy átlátszó ablakon keresztül.

A törlés lassú, percek alatt megy végbe.

A programozás is lassú, 5-10 mikroszekundum szavanként.

A programozási ciklusok száma véges, kb. 100-1000.

Jó helykihasználás, egy tranzisztor cellánként.

EEPROM- Electrical Erasable PROM ‑ Elektromosan törölhető PROM

Nagyon vékony oxid rétegen keresztül, a Fowler-Nordheim alagúthatás alapján töltődik fel beíráskor és sül ki törléskor a lebegő elektród.

Törléskor a beíráshoz képest fordított feszültséget alkalmaznak.

Érzékeny a küszöbfeszültség értékére, különálló kiválasztó tranzisztort kapcsolnak minden tároló tranzisztorhoz.

Flash EEPROM

A Flash technológia az EPROM és EEPROM kombinációja. Programozáskor forró-elektron-injektálást, törléskor Fowler-Nordheim alagúthatást használnak.

Törléskor a hardver ellenőrzi a küszöbfeszültség értékét, biztosítva, hogy a kitörölt tranzisztor működőképes marad.

Programozáskor a source (forrás) földpotenciálon, a gate (kapú) és a drain (csapolás) 12V-feszültségen van.

Törléskor a kapu földpotenciálon, a forrás 12V-on van, a csapolás táplálása meg van szakítva.

SRAM Sztatikus RAM

A sztatikus RAM hat tranzisztort tartalmaz. A cella alapja egy 4 tranzisztorból álló billenő áramkör. A szókiválasztó vonal által vezérelt 2 tranzisztor kapcsolja a cellát a bitvonalakhoz. Olvasáskor a cella tartalma határozza meg a bitvonalak potenciálját. Beíráskor a bitvonalak határozzák meg a cella állapotát.

Olvasó műveletnél a bit és ­/bit vonalakat előtöltik 5V-ra, mielőtt aktiválnák a szókiválasztó vonalat.       

Előtöltés után a címzett cella vezető nMOS tranzisztora lehúzza "0" szintre a megfelelő bit vagy /bit vonalat, meghatározva ezáltal a kiolvasott jel értékét. Az előtöltést azért alkalmazzák, hogy az olvasás pillanatában a kiválasztott cella képes legyen beállítani a bitvonalak logikai szintjét, és külső tápfeszültségek ne befolyásolják a cella tartalmát a két kiválasztó tranzisztoron keresztül.

Az előtöltést meg kell szakítani a kiválasztó vonalak aktiválása előtt. Ellenkező esetben a kiválasztott cellák parazitán billenhetnek az "1"-es szintre beállított bitvonalak hatására.

SRAM: Read Operation - Olvasási művelet

A beírás pillanatában a bitvonalakat megfelelően méretezett tranzisztorok révén hajtják meg, amelyek a beírandó adatbit szerint vezérlik a cella tranzisztorait a kiválasztó tranzisztorokon keresztül.

A beírási ábrán az N5, N6-os tranzisztorok a tápforráshoz kötött ellenállások szerepét töltik be.

N1, N2 a beíró, N3, N4 a kiválasztó tranzisztorok.

Az ábra egy "0" tartalmú cella "1"-be való átírását illusztrálja.

SRAM: Write Operation ‑ Beírási művelet.

Register files ‑ Regiszter blokk

A következő ábra egy-író, két-olvasó hozzáférésű regiszterblokkot mutat be.

A tranzisztorok melletti számok a tranzisztorok geometriáját és ezáltal a belső ellenállásukat jellemzik. Minél nagyobb a tört szám értéke, annál kisebb a tranzisztor ellenállása, nagyobb teljesítményt tud vezérelni, és meghatározza az áramkör magatartását.

A regiszter alapcellája egy 4 tranzisztoros billenő áramkör. A cella egy fordító áramkörön keresztül kapcsolódik az olvasó vonalakhoz. Teljesítménynövelés mellett a fordító áramkör a cella szigetelését is biztosítja, az olvasó bitvonalakon keresztül nem lehet parazitán beírni a cellába.

Register file: két olvasás, egy írás hozzáféréssel.

DRAM : Dynamic Random Access Memory - Dinamikus RAM

A DRAM cella általában egy félvezető kondenzátoron tárolja az információt.

Mivelhogy, akármilyen jó is a szigetelés, egy bizonyos idő múlva a kondenzátor kisül, a cellát periodikusan újra kell tölteni (írni), ezért nevezik dinamikusnak a cella működését. Az újratöltés ugyanazzal az információval történik, amely be volt írva a cellába, ezért ezt a műveletet frissítésnek ("refresh") nevezik. A frissítés tehát egy olvasás, amelyet a kiolvasott érték automatikus visszaírása követ. Mivel minden cellát fel kell frissíteni msec nagyságrendű periódussal, ez bizonyos időveszteséget okoz a memória működésében.

3T DRAM

Háromtranzisztoros dinamikus memória cella.

A frissítést meg lehet valósítani a bit2 vonal olvasásával, és a fordított érték visszaírásával a bit1 vonalon keresztül.

A bit2-es vonalat előtöltik olvasáskor, hogy ne legyen állandó nyugalmi áram.

Ezt a memória felépítést néha ASIC áramkörökben használják, mivel egyszerű a tervezése és a működése is.

A tároló kondenzátor szerepét az X-el jelölt vezérlő kapu elektród parazita kapacitása tölti be. A baloldali beíró tranzisztor, amikor ki van választva, feltölti vagy kisüti az X kondenzátort, a bit1 vonal által meghatározott értékre. Olvasás előtt feltöltik a bit2 vonalat a tápfeszültség értékére. A kiválasztott cella határozza meg olvasáskor a bit2 vonal potenciálját. Ha az X kondenzátor fel volt töltve, az olvasó tranzisztor kisüti a bit2 vonalat a kiválasztó tranzisztoron keresztül. Ha nem volt feltöltve, a zárt olvasó tranzisztor nem süti ki a bit2 vonalat. A cella inversor (fordító), ha magas szintű feszültséggel írtak be a bit1 vonalon, olvasáskor alacsony feszültség jelenik meg a bit2-őn, és fordítva.

1T DRAM

Egy tranzisztoros dinamikus memória cella.

Ez a leggyakrabban használt memória cella. Cx egy különleges felépítésű kondenzátor, a cella tároló eleme. Cx értéke kb. 30 fF. Beíráskor a szókiválasztó vonal kinyitja a kiválasztó tranzisztort és a bit vonal által meghatározott értékre töltődik fel vagy sül ki a cella tároló kondenzátora.

Olvasáskor töltés átrendezés történik a Cx és a Cbit között. Cbit a beíró/kiolvasó vonal parazita kapacitása. Cx tipikusan 1 vagy 2 nagyságrenddel kisebb mint Cbit, így a potenciálkülönbség (delta-V) értéke kb. 250 mV.

Hogy az 1T cella működőképes legyen, az olvasáskor megjelenő delta-V-t fel kell erősíteni egy olvasó erősítővel (sense amplifier). Az egy bit vonalra kapcsolt cellák egy közös olvasó erősítőt használnak. A kiolvasó művelet a töltésátrendezéssel befolyásolja a cella tartalmát. Ezért minden olvasást ugyanabban a memóriaciklusban visszaírás követ. A visszaírás az olvasó erősítőben tárolt kiolvasott értékkel történik.

Az olvasó erősítő jelét az alábbi ábra illusztrálja.

Content Access Memory (CAM) ‑ Tartalom-hozzáférésű memória

A CAM egy 6 tranzisztoros SRAM memória cellára épül.

Egyszerre összehasonlít egy bemenő adat-szót az összes tárolt adat-szóval.

Például címátalakító memóriák építésénél használják.

Beíráskor a szóvonallal kiválasztott cellákba a bit vonalakon keresztül tárolják a megfelelő adatokat.

Olvasáskor a szókiválasztó vonalakat nem használják. A bit vonalakra ráviszik a keresett adatot és a cell, /cell tranzisztorok összehasonlítják a cella tartalmát a bit vonalakkal. Egyenlőség esetén a match (egyenlő) vonal magas logikai szintre áll be.

Tartalom hozzáférésű memória.