Динамічна пам’ять (ОЗП) на параелектриках (DRAM)

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Вступ

Пристрої пам'яті призначені для того, щоб зберігати дані впродовж більш менш тривалого періоду часу. Вражаючі технологічні досягнення, що дозволили, в першу чергу, значно скоротити витрати на виробництво запам'ятовуючих пристроїв та понизити роздрібну ціну на них, забезпечили умови для їх тріумфального ходу на ринку електроніки. Сьогодні вони, так або інакше, застосовуються практично в усіх сферах повсякденного життя.

Існує чотири основні області, в яких використовуються різні типи запам'ятовуючих пристроїв :

процесори (в деяких випадках з внутрішньою кеш пам'яттю)

зовнішня кеш пам'ять (SRAM, зазвичай її об'єм складає декілька Кбайт);

основна пам'ять (DRAM, зазвичай її об'єм вимірюється в мегабайтах)

жорсткий диск (зазвичай його інформаційна місткість вимірюється в гігабайтах)

1. Напівпровідникові пристрої зберігання даних

Ця назва об'єднує як різні пристрої, призначені для довготривалого зберігання інформації (постійні запам'ятовуючи пристрої або ПЗП), так і різні види програмованої або перезаписуваної напівпровідникової пам'яті.Остання буває як енергонезалежною, так і енергозалежною, і робиться в різних варіантах (DRAM, SRAM, EPROM, флеш пам'ять).

Основними перевагами напівпровідникової пам'яті є малий, а для деяких типів пам'яті і гранично малий час доступу до даних, мініатюрність мікросхем пам'яті і невелике енергоспоживання. Важливою перевагою є і висока стійкість до дії зовнішніх чинників : напівпровідникові мікросхеми пам'яті практично не схильні до зносу, оскільки не містять частин, що рухаються, і можуть витримувати значні прискорення і вібрації без втрати працездатності. Основним недоліком подібних пристроїв є відносно висока питома вартість інформації, що зберігається.

1.1 Принцип роботи і сфера застосування DRAM

Причина використання DRAM в комп'ютерній техніці полягає у відносно низькій, в порівнянні з напівпровідниковою пам'яттю інших типів, питомою вартістю зберігання біта даних мініатюрності корпусу і високої швидкості доступу до елементів пам'яті.

Єдиним їх конкурентом з точки зору питомої вартості зберігання даних і об'єму інформації, що зберігається, є жорсткі диски. Проте жорсткі диски містять механічні частини, що рухаються, томувони значно поступаються мікросхемам пам'яті DRAM за швидкістю доступу до даних. З цієї причини жорсткі диски в основному застосовуються в якості пристроїв довготривалого зберігання програм і даних.

Мікросхеми статичної пам'яті (SRAM) забезпечують більш високу швидкодію, ніж DRAM. Проте виробництво пристроїв SRAM вимагає великих витрат, що збільшує питому вартість зберігання біта даних; крім того, інформаційна місткість мікросхем SRAM виявляється нижче, тому для отримання того ж об'єму пам'яті, що і у мікросхем DRAM, доводиться використати корпуси великих розмірів. По інформаційній місткості пристрої SRAM завжди відстають від DRAM, як мінімум, на одне покоління. Тому за об'ємом доступної пам'яті сучасні мікросхеми DRAM значно перевершують найбільш швидкодіючі мікросхеми SRAM. Проте пам'ять SRAM як і раніше широко використовується, в першу чергу, в якості кеш пам'яті (швидкодіючого буфера) між процесором і основною пам'яттю DRAM.

DRAM - це динамічна пам'ять. Термін " динамічна" характеризує спосіб зберігання даних в елементі такої пам'яті. У DRAM для зберігання даних використовується конденсатор, який характеризується певною величиною витоку заряду. Період часу, впродовж якого комірка DRAM може зберігати дані, зазвичай не перевищує однієї секунди. Для того, щоб не втратити дані, їх слід періодично відновлювати (регенерувати). Незважаючи на наявність складного механізму регенерації даних, геометричні розміри мікросхеми DRAM менше, ніж розміри мікросхеми SRAM, оскільки матриця DRAM складається з дуже маленьких одонтранзисторних елементів пам'яті. Таким чином, габарити мікросхем DRAM і їх вартість виявляються нижче, а сфера застосування - ширше, ніж у мікросхем SRAM.

Звернення до елементу пам'яті в мікросхемах DRAM здійснюється в два етапи: спочатку вибирається рядок матриці комірок, а потім стовпець. Адреса рядка і адреса стовпця поступають на адресну шину мікросхеми послідовно за часом, тобто здійснюється їх тимчасове мультиплексування. Тому при однаковому об'ємі пам'яті мікросхеми DRAM використовують в два рази менше адресних ліній, чим мікросхеми SRAM (у яких вибір адреси рядка і адреси стовпця робиться одночасно).

1.2 Опис роботи DRAM

Мікросхеми DRAM мають три основні режими роботи :

запис елементу даних в комірку (write - запис)

зчитування цих даних з комірки (read - зчитування)

оновлення (регенерація) вмісту елементів пам'яті (refresh - оновлення).

Крім того, існує ряд додаткових режимів енергозбереження і режим початкової ініціалізації мікросхеми. Робота в кожному з трьох вказаних режимів виконується в два етапи:

адресація (вибір) елементу пам'яті;

операції з вибраним елементом пам'яті (читання, запис, оновлення).

Рис. 1 - Цикл зчитування DRAM

Цикл зчитування

Команда Activate ініціює читання адреси рядка і запуск внутрішнього процесу зчитування даних з комірок цього рядка (рис. 1). По команді Read робиться зчитування адреси стовпця. Ця адреса визначає вибір конкретноїкомірки в адресованому раніше рядку. Через деякий час після встановлення сигналу, рівний двом або трьом періодам тактового сигналу, інформація, що міститься у вибраному елементі пам'яті, з'являється на виходах даних. Цей інтервал часу називається часом затримки, або часом вибірки сигналу CAS (CAS latency). Команда Precharge завершує цикл звернення до рядка комірок пам'яті.

Рис.2 - Цикл записуDRAM

Цикл запису

Цикл звернення до пам'яті для запису даних дуже схожий на цикл звернення до пам'яті для зчитування (рис.2). Проте сигнал дозволу запису WE (write enable) повинен знаходитися в активному стані (якому відповідає рівень логічного нуля). По фронту тактового імпульсу, наступного після команди дозволу запису, дані записуються у вибраний осередок. Той випадок, коли дані в циклах зчитуваннята запису можуть бути такт за тактом масковані сигналом DQM, тут не розглядається.Крім того, між командами Activate і відповідною командою Precharge допустиме виконання декількох команд зчитуваннята запису. Проте слід звернути особливу увагу на ті випадки, коли напрям передачі даних змінюється, оскільки контроллер управління пам'яттю не може передавати дані в обох напрямах одночасно.

Рис.3 - Цикл оновлення DRAM

Цикл оновлення

Будь-яка динамічна пам'ять влаштована таким чином, що дані в комірках гарантовано зберігаються лише впродовж дуже короткого часу (32 або 64 мс). Тому в процесі звернення до елементу пам'яті робиться оновлення даних з періодом, рівним цьому інтервалу часу (рис. 3). Команда Auto Refresh запускає цикл оновлення рядка елементів пам'яті в кожному з банків мікросхемиDRAM. Під час циклу оновлення адреса рядка визначається станом внутрішнього лічильника. Оскільки оновлення виконується одночасно в усіх банках пам'яті, необхідно, щоб на момент початку виконання цієї команди ні до одного з цих банків не робилося звернення. Наступна зовнішня команда може бути оброблена мікросхемою пам'яті лише після закінчення циклу оновлення. Альтернативним рішенням при оновленні даних рядка може бути використання команд Activate і Precharge, оскільки кожного разу, коли рядок активується (тобто до неї робиться звернення), вміст усіх її осередків прочитується, а після виконання команди Precharge - повністю оновлюється. Проте в цьому випадку потрібно виконання двох команд для кожного банку пам'яті, тоді як команда Auto Refresh використовується відразу для усіх банків.

Рис.4 - Цикл ініціалізаціїDRAM

Цикл ініціалізації

Перш ніж мікросхему SDRAM можна буде використати для зберігання даних, необхідно виконати процедуру її ініціалізації (рис. 4). Першим етапом цієї процедури є закриття усіх банків командою Precharge All. При цьому усі банки пам'яті переводяться в режим очікування, чим забезпечується коректна обробка команд Auto Refresh, що йдуть за нею.Цикл ініціалізації включає, як мінімум, дві такі команди. Після цього командою програмування параметрів системного регістра (Mode Register Set) задаються довжина пакету даних, час вибірки сигналу CAS і тип пакетної передачі. Останній параметр визначає, яким чином змінюється стан внутрішнього лічильника при пакетній передачі даних у тому випадку, коли адреса стартовоїкомірки пакету не є самою меншою адресою серед комірок, що відповідають цьому пакету.

1.3 Внутрішня структура і принципи роботи DRAM

Мікросхема DRAM організована як матриця. У масиві зберігання даних (сторінці) рядки відповідають словам даних, а стовпці - бітам.

Однією з головних причин розробки DRAM було прагнення забезпечити малі розміри корпусу мікросхеми при відносно великих об'ємах даних, що зберігалися. Тому перші такі мікросхеми мали не лише меншу, в порівнянні з мікросхемами статичної пам'яті, кількість адресних ліній, але і тільки один вхід і один вихід даних.

Починаючи з об'єму пам'яті 64 Кбіт, в DRAM була реалізована ідея розділення усієї доступної пам'яті на чотири області (сегменти), при цьому кожен з вказаних сегментів мав свій вхід/вихід даних. Поява модулів з великою кількістю входів/виходівполегшила створення систем з меншою кількістю компонентів і, отже, з меншим енергоспоживанням. Проте плата за більшу кількість виходів мікросхеми полягала у збільшенні габаритів її корпусу або в підвищених витратах на нову і дорогу технологію установки кристалів в корпус з меншим кроком виходів. У наш час в мікросхемах пам'яті прийнято використати поєднані лінії введення/виведення даних. Це не створює проблем при їх використанні, оскільки процесорна шина організована аналогічним чином.

Комірка пам'яті динамічний пам'ять напівпровідниковий зчитування

Комірка пам'яті складається з конденсатора та керуючого транзистора. Конденсатор являє собою створений в кристалі струмопровідний шар, ізольований шаром діелектрика (оксиду кремнію) від підкладки (загальною для усіх комірок). Він може знаходитися в одному з двох станів ("заряджений" або "розряджений"), що відповідають логічній одиниці і логічному нулю. Місткість конденсатора тим більше, чим більше площапровідного поверхневого шару і чим менше товщина ізолюючого оксидного шару. Значення місткості конденсатора повинне дозволяти упевнено відрізняти логічну 1 від логічного 0 при зчитуванні вмісту комірки.

Поки об'єм пам'яті мікросхем не перевищував 1Мбіт, конденсатори елементів пам'яті розташовувалися безпосередньо на поверхні кремнієвого кристала паралельно підкладці. Але вже починаючи з покоління мікросхем з об'ємом пам'яті 4Мбіт від використання планарних комірок довелося відмовитися, навіть незважаючи на вдосконалення технологій створеннянадтонких діелектричних шарів. До ужитку ввійшли тривимірні структури - так звані канавки. Як випливає з їх назви, канавки - це виїмки або спеціальним чином протравлені поглиблення в кремнієвій пластині. Поверхня такої канавки використовується як обкладка конденсатора, чим забезпечується висока місткість при обмеженій площі конденсатора.

Оскільки управляти процесом створення таких канавок досить складно, ряд виробників напівпровідникових компонентів розробили так звані стекові елементи пам'яті. По суті, стековакомірка - це варіант комірки з тривимірною структурою, коли замість канавок для збільшення місткості на поверхні напівпровідника створюються виступи.

Зчитування даних

Значною проблемою з точки зору розробки і функціонування DRAM є питання організації зчитування даних з елементу пам'яті. Річ у тому, що дані зберігаються у вигляді заряду на конденсаторі дуже малої місткості (приблизно 25...30 фФ), до того ж ця місткість може знижуватися під впливом різних чинників. Отже, для забезпечення упевненого розпізнавання даних необхідно використати підсилювач заряду. Конденсатор кожноїкомірки підключений або, як іноді говорять, "підвішений" до комутуючого транзистора, через який проходить струм його заряду або розряду.Цей транзистор керується (відкривається або закривається) сигналом вибору рядка (wordline). Дані зчитуються або записуються в комірку через відповідну лінію стовпця (bitline), до якої підключений комутуючий транзистор. При записі не виникає жодних проблем, оскільки необхідний для зміни стану комірки заряд поступає від джерела живлення. При зчитуванні даних з комірки її конденсатор підключається до лінії (шині) стовпця. Заряд конденсатора змінюється, ця зміна впливає на чутливий підсилювач (так званий підсилювач зчитування) і посилюється, завдяки чому можна упевнено визначити, чи відповідає це значення логічному 0 або логічні 1.

Оновлення пам'яті

Оскільки основою елементу пам'яті DRAM є конденсатор дуже маленької місткості, з часом, внаслідок різного роду витоків, неминуча втрата заряду, що зберігається в ній. Однією з головних причин витоків є підвищення температури, яке надає носіям заряду велику енергію і дозволяє їм легше долати ізолюючий бар'єр. Часовий інтервал з моменту запису даних в комірку до моменту, коли дані з комірки починають зчитуватися некоректно через втрати частини заряду на конденсаторі, називається часом оновлення, або часом зберігання даних. Тривалість цього інтервалу залежить від значення сигналу даних, що зберігається в комірці. Наприклад, якщо в елементі пам'ятізберігається логічний 0 і підкладка, що оточує комірку, має нульовий потенціал, то немає ніякої причини для виникнення струму витоку, який міг би змінити потенціал комірки (тобто час оновлення збільшується). При точнішій оцінці часу оновлення необхідно враховувати, що навколо цієї комірки розташовуються інші рядки і стовпці елементів пам'яті, в яких цілком можуть міститися логічні 1. Проте, якщо комірки була виготовлена оптимальним чином і не має випадкових дефектів, граничний час оновлення даних є цілком адекватною величиною.

Щоб унеможливити втрату даних в елементах пам'яті, ці дані повинні через певні інтервали часу оновлюватися, тобто прочитуватися, посилюватися і записуватися назад в комірки. Цей процес здійснюється кожного разу при зверненні до рядка матриці DRAM. Сигнал вибору рядка управляє відкриванням комутуючих транзисторів в елементах пам'яті. Транзистори, у свою чергу, підключають запам'ятовуючі конденсатори до входів підсилювачів зчитування відповідних стовпців. В процесі зчитування даних, як вказувалося вище, відбувається витік заряду з елементів пам'яті. Тому після завершення вказаного процесу посилена напруга, що відповідає початковим логічним рівням сигналів, поступає назад на конденсатори елементів пам'яті, відновлюючи їх заряд. Як правило, для того, щоб прискорити процес оновлення даних, використовується метод одночасної адресації декількох рядків.

Так, наприклад, у мікросхем SDRAM при виконанні команди Auto Refresh відбувається одночасне звернення до рядків завдовжки 8 Кбит в кожному з банків пам'яті, і дані з усіх комірок в цих рядках зчитуються і записуються назад.

Висновки

Отже технологія DRAM найчастіше використовуюється в якості основної пам'яті (оперативної пам'яті). Основніпереваги використання такої напівпровідникової пам'яті є малий, а для деяких типів пам'яті і гранично малий час доступу до даних, мініатюрність мікросхем пам'яті і невелике енергоспоживання. Один з факторів який виділяє самеDRAMсеред інших типів напівпровідникової пам'яті_ ценизька питома вартість зберігання біта даних.Єдиним конкурентом DRAM з точки зору питомої вартості зберігання даних і об'єму зберігаємої інформації є жорсткі диски. Проте жорсткі диски містять механічні рухливі частини тому вони значно поступаються мікросхемам пам'яті DRAM за швидкістю доступу до даних. З іншого боку мікросхеми статичної пам'яті (SRAM) забезпечують більш високу швидкодію, ніж DRAM. Проте виробництво SRAM вимагає великих витрат, що збільшує питому вартість зберігання біта даних; крім того, інформаційна місткість мікросхем SRAM виявляється нижче, тому для отримання того ж об'єму пам'яті, що і у мікросхем DRAM, доводиться використати корпуси великих розмірів.По інформаційній місткості SRAM завжди відстають від DRAM, як мінімум, на одне покоління.Структура комірок DRAM відрізняється простотою, що дозволяє розміщувати на кристалі велику кількість таких комірок. Завдяки цьому мікросхеми цього типу дуже зручно використати при перевірці і впровадженні нових напівпровідникових технологій.

Перелік посилань

1. Copeland B. ColossusJ.“The Secrets of Bletchley Park's Codebreaking Computers” / Copeland B. ColossusJ._ Oxford University Press, 2006.

2. Касперский К. “Эффективное использование памяти” / Касперский К. - Москва, 2003.

3. Muzaffer A. Siddiqi“Dynamic RAM: Technology Advancements” / Muzaffer A. Siddiqi - Informa Business, 2013.

Размещено на Allbest.ru