Какой вид памяти основан на физ принципе хранения заряда на обкладках конденсатора
Развитие оперативной памяти, пожалуй, — бесконечный процесс, целью которого является увеличение частоты работы, ширины шины, а также уменьшение времени доступа, а, в некоторых случаях, и увеличение устойчивости к воздействиям извне, например, радиации. В настоящий момент требования к памяти не изменились, но к перечисленным добавились новые, удовлетворить которые намного сложнее, чем это было ранее. Среди них одним из важнейших является энергонезависимость и возможность встраивать память огромного объема в процессоры. Движение в этом направлении начато уже достаточно давно, и его результатом стало появление таких перспективных технологий, как флэш-память, FeRAM, а также MRAM. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. Флэш-память позволяет практически бесконечно хранить записанную информацию без необходимости проведения циклов регенерации, которые необходимы для DRAM. MRAM, новый вид магниторезистивной памяти, продвигаемый на рынок фирмой Infineon Technologies AG, направлен на продвижение энергонезависимой памяти в компьютерах и мобильных устройствах. Это может принести пользователям многочисленные преимущества, вплоть до моментальной загрузки операционной системы после включения питания компьютера. Принцип действия этого вида памяти основан на зависимости сопротивления материала от приложенного магнитного поля. Все эти и многие другие преимущества вобрал в себя новый вид ферроэлектрической памяти. FeRAM умело сочетает простоту и надежность в эксплуатации DRAM, энергонезависимость MRAM и времена хранения информации флэш-памяти. Поскольку она включает практически все преимущества перечисленных видов памяти, то по праву может называться будущим современных технологий памяти, на чем, собственно, и делают акцент производители.
В нашу эру, когда космические корабли бороздят просторы вселенной, информационные технологии шагнули дальше поверхности Земли. Теперь они используются в космосе. А для того чтобы электронные компоненты могли нормально функционировать на орбите, они должны выдерживать порядочные дозы проникающей радиации и работать без сбоев в таких сложных условиях. Решение этой проблемы — нелегкая задача. FeRAM — это память не только мобильных телефонов и персональных компьютеров, это память исследователей космоса, память, которая сделает реальными далекие космические экспедиции (дальше околоземной орбиты :-). Она может нормально функционировать при воздействии порядочных доз радиации, что является импульсом для использования такого вида памяти на космических кораблях и станциях.
Как и многие другие производимые в настоящий момент информационной индустрией электронные компоненты, FeRAM является наукоемкой технологией, и без специальных научных знаний в области электромагнетизма понять ее очень сложно. На этом этапе нам не обойтись без физики и некоторых физических терминов, которые будут необходимы нам в дальнейшем.
Специальные термины
Дипольный момент — физическая величина, определяемая формулой p=Ql, где Q — это величина смещенного заряда в результате действия электрического поля, а l — это расстояние, на которое данный заряд был смещен. Дипольный момент — это векторная величина, которая имеет направление от негативного заряда к позитивному. Электрически нейтральный атом становится диполем (Рис. 1) после воздействия электрического поля на облако электронов. Электронные оболочки вытягиваются и получается, что отрицательный заряд электронного облака смещен относительно положительного заряда ядра и не компенсирует его. Вытягивание электронных оболочек вследствие воздействия электрического поля свойственно не всем атомам, а только определенному классу, называемому ферроэлектриками.
Домен — это элементарная ячейка ферромагнетика, которая состоит из диполей. В отсутствие внешнего электрического поля диполи домена ориентированы таким образом, что компенсируют воздействие друг друга. Поэтому в отсутствие внешнего электрического поля домены являются электронейтральными.
Диэлектрическое смещение — это значение электрического поля в материале. Определяется формулой:
Где — это значение диэлектрической проницаемости свободного пространства, P — значение поляризации материала. E — напряженность электрического поля.
Петля гистерезиса — это неоднозначная зависимость поляризации материала от приложенного электрического поля. Неоднозначность заключается в том, что при увеличении электрического поля значение поляризации изменяется по закону 4 -> 1 -> 2, а при уменьшении — 2 -> 3 -> 4 (Рис. 2).
Поляризация насыщенности — это значение поляризации, когда все диполи поворачиваются вдоль поля. При увеличении приложенного электрического поля поляризация начинает изменяться по линейному закону (правее точки 2 на Рис. 2). Экстраполируя этот линейный закон до пересечения с осью поляризации на петле гистерезиса, получим значение поля насыщенности P0.
Остаточная поляризация — значение амплитуды поляризации при значении электрического поля E=0. На петле гистерезиса (Рис. 2) обозначена Pr. Если после снятия электрического поля диполи не изменили своего направления, то значение остаточной поляризации Pr и значение поляризации насыщенности P0 будут равны.
Коэрцитивное поле (Ec) — это значение электрического поля, когда значение поляризации материала становится равным 0. В однодоменном кристалле это поле может быть интерпретировано значением, когда поляризация кристалла переключается из одного состояния в другое. В мультидоменном кристалле это значение электрического поля, когда половина диполей ориентирована вдоль поля, а другая — против. Это значит, что одна половина компенсирует другую, и суммарная поляризация мультидоменного кристалла равна нулю.
Усталость материала — показывает постепенное изменение поляризации в сторону уменьшения значения с увеличением количества циклов зарядки конденсатора. Так, в материале PZT значение поляризации становится меньше допустимого минимума после 1012 циклов зарядки.
Старение материала — показывает деградацию поляризационных параметров, таких как остаточная поляризация Pr и поляризация насыщенности P0 с течением времени. Согласно литературе, изменение этих параметров происходит по логарифмическому закону.
Предпочтение диэлектриком значения сигнала (imprint) — показывает предпочтение диэлектриком одного состояния другому, если он находится долго в этом состоянии.
Релаксация — это уменьшение остаточной поляризации Pr если конденсатор недоступен в течение некоторого количества циклов зарядки.
В физике материалов выделяют класс материалов, ферроэлектриков, которые имеют достаточно большую электрическую проницаемость и спонтанную поляризацию. Это значит, что без наложения электрического поля материал уже имеет некую поляризацию, которая после наложения электрического поля может менять свой знак. Эта поляризация материала при нулевом электрическом поле может иметь 2 значения Pr и -Pr, что может быть интерпретировано как "0" или "1". Для объяснения этого явления легче всего воспользоваться петлей гистерезиса (Рис. 2).
Допустим, что без наложения электрического поля материал имеет спонтанную поляризацию -Pr (точка 1). При увеличении значения электрического поля изменения поляризации происходит по закону 1 -> 1' -> 2. При этом проходится точка 1', где поляризация материала равняется 0. При определенном значении электрического поля поляризация начинает изменяться по линейному закону (правее точки 2), то есть, достигается насыщенность материала. В этом случае, все диполи в материале переориентированы в одном направлении, что, собственно, и определяет насыщенное значение поляризации материала. В случае уменьшения электрического поля, диполи поддаются тепловому хаотическому движению, а это определенным образом влияет на величину поляризации материла: поляризация уменьшается по закону 2 -> 3 -> 3'. При нулевом значении электрического поля поляризация материала не равняется 0, а равна Pr. При наложении электрического поля обратного направления можно снова достичь насыщения материала (точка 4). Это значит, что все диполи в материале перестроились в обратном к точке 2 направлении. Увеличивая электрическое поле, можно снова вернуться в точку 1. Петля гистерезиса в этом случае будет полностью пройдена. Точки 1 и 3, где нулевому электрическому полю соответствует ненулевая поляризация материала, а равная соответственно -Pr и Pr, интерпретируются, как "1" и "0" бинарного кода.
Игроки на рынке FeRAM
Процесс производства в настоящее время отличается тем, что от момента разработки технологии до момента массового выпуска продуктов проходит очень маленький период времени. Единственным и, пожалуй, главным движущим фактором в этом процессе является выпуск на рынок конкурентоспособного продукта. В этом стремлении выигрывает тот игрок, который быстрее своих конкурентов выпустит на рынок готовый продукт, удовлетворяющий требованиям потребителей по доступным ценам. FeRAM не является исключением в этой гонке. Производители ферроэлектрической памяти разделились на два конкурирующих между собой лагеря. Одна часть, возглавляемая постоянными партнерами в производстве памяти Infineon Technologies AG и Toshibа, разрабатывает технологию памяти, основанную на производственном процессе 1T/1C (1 транзистор / 1 конденсатор) для рынка мобильных устройств, персональных компьютеров и PDA. Производство основано на классе материалов PZT (Provskite lead zirconate titanate), которые были лицензированы фирмой Toshiba у фирмы Ramtron. Infineon также имеет кросслицензионные соглашения с Ramtron относительно использования разработанной этой фирмой технологии производства FeRAM. Технологию PZT у Ramtron также лицензировали фирмы Hitachi и Rohm. Второй фирмой, которая занималась разработкой ферроэлектрической памяти на основе оксида стронциума-висмута-танталум (strontium-bismuth-tantalum oxide) и оксида стронциума-висмута-ниобия (strontium-bismuth-niobium oxide), была Symetrix. Далее лицензионные соглашения были заключены между Symetrix и фирмами Matsushita, NEC, Siemens, Motorola, Hynix и Micron. Эти фирмы, главным образом, занимаются разработкой конкурентоспособных продуктов со встроенной FeRAM для рынка процессоров и микроконтроллеров. Основные игроки этой группы — это NEC и Matsushita, которые ведут разработки на основе технологического процесса 2T/2C. Это более ресурсоемкая технология производства памяти по сравнению с 1T/1C. Введение дополнительного транзистора и конденсатора в ячейку памяти обуславливает большую стабильность работы, но, в то же время, увеличивает площадь микросхемы той же конфигурации и поднимает цену продуктов, произведенных по такому процессу.
Cначала давайте рассмотрим наиболее простой процесс 1T/1C, по которому производится львиная доля современной памяти.
Процесс производства 1T/1C
Ячейка ферроэлектрической памяти похожа на 1T/1C ячейку DRAM. Единственное отличие заключается в том, что в DRAM одна из обкладок конденсатора заземлена, а в FeRAM она подключена к передающей линии (driveline).
Запись в ячейку памяти DRAM происходит следующим образом: на линию данных (bitline) выставляется значение сигнала, который следует записать в конденсатор. Для записи 1 на линию данных подается положительное напряжение питания Vdd. После этого на управляющую линию (wordline) подается сигнал, который открывает полевой транзистор. Конденсатор заряжается, и мы имеем сохраненный бит информации. В ячейке FeRAM запись 1 происходит другим образом. Для этого на передающую линию подается положительное напряжение питания, линия данных заземляется, а полевой транзистор находится в открытом состоянии. Бинарной "1" соответствует точка 1 на графике петли гистерезиса (Рис. 2).
Запись "0" происходит подобным образом. В DRAM линия данных подключается к земле, а транзистор открывается. В этом случае конденсатор полностью разряжается, что и соответствует бинарному "0". В FeRAM запись 0 (положительное значение поляризации материала, точка 3 на графике петли гистерезиса, см. Рис. 2) происходит после подачи положительного напряжения питания на линию данных. В этом случае передающая линия подключается к земле, а транзистор держится в открытом состоянии.
Подводя итог под различиями в работе ячеек DRAM и FeRAM, можно сказать, что иной принцип работы ячейки ферромагнитной памяти является результатом того, что бинарным "1" и "0" соответствуют отрицательное и положительное значения поляризации, а не нулевой и единичный заряд конденсатора, как это происходит в случае с DRAM.
Значение ячейки памяти FeRAM можно определить после подачи положительного напряжения питания Vdd на передающую линию. Если начальная поляризация ферромагнетика негативная (позитивная), то чтение ячейки возвращает маленькое (большое) значения сигнала на линии данных. Одним из негативных свойств ячейки ферромагнитной памяти является то, что, после чтения содержимого, данные в ней перестают сохраняться. То есть, после чтения ячейки, в ней необходимо обновить значение поляризации.
Производственный процесс 2T/2C
Ячейка ферромагнитной памяти, производимая по схеме 2T/2C, состоит из двух ячеек 1T/1C (Рис. 4). Также как и ячейка 1T/1C, ячейка 2T/2C имеет управляющую линию (WordLine) и передающую линию (PlateLine), но данные с конденсаторов считываются через раздельные линии данных (BitLine и Complement BitLine). За счет этого достигается большая надежность хранения информации. А становится возможным это благодаря тому, что данные, хранящиеся в двух конденсаторах всегда противоположные. При этом напряжение между шиной данных (BitLine) и комплиментарной ей (Complement BitLine) всегда будет либо V0 — V1 , либо V1 — V0, где
— напряжения на линии данных и комплиментарной ей, C0 и C1 — емкости конденсаторов, из которых состоит ячейка, CBitLine — паразитная емкость шины данных, а Vdd — положительное напряжение питания. Значения напряжения между линиями зависит от того, где хранится "1" в C0 или C1. Сигнал с конденсаторов подается на усилитель, после которого считывается значение ячейки 2T/2C. Использование усилителя, а также дополнительной ячейки 1T/1C значительно увеличивает цену такой памяти. Существенное увеличение размеров ячейки 2T/2C также играет немаловажную роль. Это приводит к тому, что в настоящий момент не может быть достигнуто высокой интеграции такой памяти. Наибольшие структуры, произведенные по такой технологии, имеют объем 1 мегабит.
С другой стороны, повышенная надежность таких систем позволяет с успехом использовать их в нечеловеческих условиях, в условиях космоса. Даже маленькому ребенку известно, что для того, чтобы система могла работать в космосе, она должна выдерживать изрядные доли радиации. FeRAM прекрасно зарекомендовала себя в таких условиях, что открывает неизведанные горизонты для использования этой технологии. Энергонезависимость, а, следовательно, и малое потребление энергии становятся серьезным козырем FeRAM в борьбе за лидерство на рынке технологий для космоса. Я не оговорился: именно на рынке космических технологий, так как сейчас мы наблюдаем процесс коммерциализации космических исследований, суть которого заключается не только в запуске коммерческих космических аппаратов, но и в участии транснациональных корпораций в национальных космических программах.
Результаты научных исследований
В конечном счете, нас, как потребителей продуктов высоких технологий, в первую очередь, интетересует реализация таких разработок в железе или кремнии (это — кому как угодно). FeRAM по праву можно назвать дважды высокой технологией. Во-первых, она разработана на основе последних научных достижений во многих областях естествознания. Сам по себе эффект гистерезиса в ферроэлектриках не нов, однако разработчики ждали появления новых материалов, которые бы имели удовлетворительные характеристики. Во-вторых, одним из применений ферроэлектрической памяти может быть использование ее на космических аппаратах, а что может находиться в наше время выше них (а это как-никак 36000 км для геостационарной орбиты :-).
Подводя итог всему вышесказанному, можно выделить то, что FeRAM имеет неоспоримые преимущества над существующими технологиями. Более того, как потомок современных технологий памяти, она взяла лучшее от своих предков. С другой стороны, память имеет ряд существенных недостатков, не рассмотренных нами в данной статье. Большинство из них (старение и усталость материала, предпочтение диэлектриком значения сигнала и релаксация) — это результат особых свойств ферромагнитных материалов, и от них в настоящий момент достаточно сложно избавиться.
Увеличившаяся сложность производства ферроэлектрической памяти объясняется, скорее, особенностью хранения информации в FeRAM в отличие от DRAM. Производственный процесс 2T/2C позволяет достичь большей надежности памяти, которая может быть применима в условиях космоса, однако в несколько раз усложняет производство памяти по такому процессу и увеличивает цену FeRAM. Проблемы увеличения плотности массива памяти — это временные проблемы. Они, несомненно, должны быть решены, так как аналитики фирмы Matsushita оценивают рост размеров рынка ферромагнитной памяти до 690 млн. долларов к 2005 году.
В настоящее время используются запоминающие устройства трёх типов: ROM (read only memory), DRAM(Dynamic Random Access Memory), S-RAM (Static RAM).
DRAM (Dynamic Random Access Memory Динамическая память с произвольным доступом) — оперативная или энергозависимая память, является рабочей областью процессора. Именно здесь во время работы хранятся активные программы и данные. Оперативная память — это временное хранилище данных и поэтому перед отключением компьютера или нажатием кнопки сброса, внесённые во время работы изменения, должны быть сохранены на устройстве постоянной памяти, как правило, это жёсткий диск. Поскольку обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависят от порядка их расположения, то устройства оперативной памяти иногда ещё называют запоминающим устройством с произвольным доступом.
Содержание
DRAM-память (мировой рынок)
«Многие поставщики включились в гонку за рыночной долей, инвестируя значительные средства в дополнительное производственное оборудование, - комментирует Нэм Хьюнг Ким (Nam Hyung Kim), директор и главный аналитик iSuppli в области систем хранения данных и чипов памяти. – Одни компании надеялись, что другие выйдут из гонки, однако этого не произошло». В результате объемы производства были наращены значительно, а спрос упал. Память DRAM используется в ОЗУ.
Структура
Физически DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, строку от 1 до 4 бит. Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей. Как запоминающее устройство, DRAM представляет собой модуль памяти различных конструктивов, состоящий из электрической платы, на которой расположены микросхемы памяти и разъёма, необходимого для подключения модуля к материнской плате.
Основной особенностью DRAM является динамическое хранение данных. Это даёт возможность многократно записывать информацию в оперативную память, но при этом возникает необходимость постоянно обновлять данные. Фактически перезапись происходит каждые 15 мкс. Существует также статическая оперативная (или кеш) память (S-RAM), не требующая постоянного обновления данных. И один и другой вид функционирует только при включённом компьютере. Оперативная память физически представляет собой набор микросхем, которые подключаются к системной плате. Поскольку характеристики этих микросхем весьма различны, то для нормальной работы они должны быть совместимы с системой.
Принцип действия
На практике существуют разные способы реализации динамической памяти. Упрощенная структурная схема одного из способов реализации приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Упрощенная структурная схема динамической оперативной памятиКак видно из рисунка, основным блоком памяти является матрица памяти, состоящая из множества ячеек, каждая из которых хранит 1 бит информации.
Каждая ячейка состоит из одного конденсатора (С) и трех транзисторов. Транзистор VT1 разрешает или запрещает запись новых данных или регенерацию ячейки. Транзистор VT3 выполняет роль ключа, удерживающего конденсатор от разряда и разрешающего или запрещающего чтение данных из ячейки памяти. Транзистор VT2 используется для считывания данных с конденсатора. Если на конденсаторе есть заряд, то транзистор VT2 открыт, и ток пойдет по линии AB, соответственно, на выходе Q1 тока не будет, что означает – ячейка хранит бит информации с нулевым значением. Если заряда на конденсаторе нет, то конденсатор VT2 закрыт, а ток пойдет по линии AE, соответственно, на выходе Q1 ток будет, что означает – ячейка хранит бит информации со значением “единица”.
Заряд в конденсаторе, используемый для поддержания транзистора VT2 в открытом состоянии, во время прохождения по нему тока, быстро расходуется, поэтому при чтении данных из ячейки необходимо проводить регенерацию заряда конденсатора.
Для работы динамической памяти на матрицу должно всегда поступать напряжение, на схеме оно обозначено, как Uп. С помощью резисторов R напряжение питания Uп равномерно распределяется между всеми столбцами матрицы.
Также в состав памяти входит контроллер шины памяти, который получает команды, адрес и данные от внешних устройств и ретранслирует их во внутренние блоки памяти.
Команды передаются в блок управления, который организует работу остальных блоков и периодическую регенерацию ячеек памяти.
Адрес преобразуется в две составляющие – адрес строки и адрес столбца, и передается в соответствующие дешифраторы.
Дешифратор адреса строки определяет, с какой строки надо провести чтение или запись, и выдает на эту строку напряжение.
Дешифратор адреса столбца при чтении данных определяет, какие из считанных бит данных были запрошены и должны быть выданы в шину памяти. При записи данных дешифратор определяет, в какие столбцы надо подать команды записи.
Блок работы с данными определяет, какие данные, в какую ячейку памяти требуется записать, и выдает соответствующие биты данных для записи в эти ячейки.
Блоки регенерации определяют:
- когда происходит чтение данных и надо провести регенерацию ячейки, из которой данные были считаны;
- когда происходит запись данных, а, следовательно, регенерацию ячейки производить не надо.
Буфер данных сохраняет всю считанную строку матрицы, так как при чтении всегда считывается вся строка целиком, и позволяет потом выбрать из считанной строки требуемые биты данных.
Рассмотрим принцип работы динамической памяти на примере структурной схемы, приведенной на рисунке 1. Рассматривать будем работу с первой ячейкой (M11). Работа остальных ячеек памяти полностью идентична.
Работа динамической памяти в состоянии покоя
И так, первое что мы рассмотрим – этот состояние покоя, когда к памяти отсутствуют обращения, и она не в стадии регенерации данных.
DRAM – память энергозависимая, поэтому работа с ней возможна только при подаче питания. На схеме подаваемое на плату питание обозначено, как Uп. Подаваемое питание распределяется между всеми столбцами матрицы памяти с помощью транзисторов R.
Если память бездействует (от контроллера шины памяти не приходит никаких команд), то от дешифратора адреса строки не выдается сигнал ни на одну линию строк (S1-Sn) матрицы памяти. Соответственно, транзисторы VT1 и VT3 ячейки памяти M11 закрыты, также как и аналогичные транзисторы всех остальных ячеек памяти.
Следовательно, ток от подаваемого питания проходит по линии AE для первого столбца и аналогично для всех остальных столбцов матрицы памяти. Далее попадает на выходы Q1-Qm, на которых устанавливается «высокий» уровень напряжения, соответствующий значению логической «1». Но так как никаких команд от блока управления нет, то «Буфер данных» игнорирует получаемые сигналы.
Тут становится понятно, зачем нужен транзистор VT3. Он защищает конденсатор от разряда, когда к данной ячейки памяти нет обращения.
Ток по линии AE также попадает на «Блок регенерации 1», а именно, на нижний вход элемента L3 (логическое «И»), то есть на нижний вход элемента L3 подается логическая единица.
Рассмотрим, как в этом случае будет работать блок регенерации.
Так как от контроллера памяти нет никаких сигналов, то на входе элемента L1 (логическое «НЕ») будет логический ноль, а, соответственно, на выходе – логическая «1». Таким образом, на верхнем входе элемента L3 (логическое «И») будет логическая единица.
Имея на входах элемента L3 (логическое «И») две логические единицы, на выходе получим так же логическую единицу.
На выходе элемента L2 (логическое «И») будет логический ноль, так как на обоих его входах напряжение отсутствует, так как от контроллера памяти нет никаких команд и данных.
В результате, на входах элемента L4 (логическое «ИЛИ-НЕ») будет логический ноль и логическая единица, а, соответственно, на его выходе будет логический ноль, то есть напряжение будет отсутствовать. Так как напряжение отсутствует, то ни один конденсатор первого столбца матрицы памяти подзаряжен не будет. Хотя, даже если бы напряжение и присутствовало, все равно подзарядка была бы невозможна, так как транзисторы подзарядки (доля ячейки М11 – это VT1) были бы закрыты, ведь ни на одну строку матрицы памяти (S1-Sn) напряжение не подается.
Точно такая же ситуация будет со всеми столбцами матрицы памяти.
Таким образом, при бездействии памяти конденсаторы не подзаряжаются и хранят тот заряд (а, соответственно, и тот бит данных), который у них был с момента последней подзарядки. Однако долго это продолжаться не может, так как из-за саморазрядки конденсатор, через несколько десятков миллисекунд, разрядится, и данные будут утеряны. Поэтому необходимо постоянно проводить регенерацию памяти.
Работа динамической памяти при чтении данных и регенерации
Будем рассматривать принцип чтения данных из динамической памяти на примере считывания данных из ячейки памяти М11:
- Процессор запрашивает порцию данных (размер зависит от разрядности процессора, для 32-разрядного процессора минимальной единицей обмена, обычно, являются 32 бита) и выдает их адрес.
- Контроллер шины памяти преобразует адрес в номер строки и номер столбца и выдает номер строки в дешифратор адреса строки. Дешифратор адреса строки выдает сигнал в соответствующую строку матриц памяти. Мы договорились, что в примере данные будем читать из первой ячейки памяти. Поэтому дешифратор адреса строки подаст напряжение на первую строку (S1).
- Напряжение, поданное на строку S1, откроет транзисторы VT1 и VT3 первой ячейки памяти и соответствующие транзисторы всех остальных ячеек первой строки.
- Дальнейшая работа памяти зависит от наличия или отсутствия заряда на конденсаторе. Рассмотрим отдельно два случая, когда на конденсаторе ячейки М11 есть заряд, и когда нет.
- В начале рассмотрим случай, когда заряд в конденсаторе есть (ячейка памяти содержит бит со значением ноль):
Так как на конденсаторе С ячейки памяти М11 есть заряд, то транзистор VT2 будет открыт, а, соответственно, ток, создаваемый входным напряжением Uп, пойдет по линии AB. В результате, на выходе Q1 первого столбца тока не будет. А это означает, что с ячейки памяти М11 считан ноль. Соответствующая информация о считанном бите с первого столбца будет записана в «Буфер данных».
Для поддержания транзистора VT2 в открытом состоянии и протекания тока по линии AB расходуется заряд конденсатора С. В результате, конденсатор очень быстро разрядится, если не провести его регенерацию.
Так как на выходе Q1 тока нет, то он не будет поступать и в «Блок регенерации 1», а, соответственно, на нижнем входе элемента L3 (логическое «И») будет логический ноль.
Так как мы рассматриваем случай чтения данных, то сигнал записи V1 и данные для записи D1 в «Блок регенерации 1» подаваться не будут. В остальные блоки регенерации соответствующие сигналы D1-Dm и V1-Vm также подаваться не будут.
В результате, на входе элемента L1 (логическое «НЕ») будет логический «0», а на выходе – логическая «1», поэтому на входах элемента L3 (логическое «И») будет логический «0» и логическая «1». Это значит, что на выходе этого элемента будет логический «0».
На выходе логического элемента L2 (логическое «И») будет логический ноль, так как на обоих его входах напряжение отсутствует, так как от контроллера шины памяти отсутствуют команды на запись и данные для записи.
Имея на обоих входах элемента L4 (логическое «ИЛИ-НЕ») логический «0», на его выходе будем иметь логическую «1», то есть с блока регенерации пойдет ток подзарядки конденсатора С. Так как транзистор подзарядки VT1 ячейки памяти М11 открыт, то ток подзарядки беспрепятственно пройдет в конденсатор С. Остальные ячейки памяти первого столбца имеют закрытый конденсатор подзарядки, а, следовательно, подзарядка их конденсаторов происходить не будет. - Теперь рассмотрим случай, когда в конденсаторе нет заряда (ячейка памяти хранит бит со значением «1»):
Ток, создаваемый входным напряжением Uп, пойдет по линии AЕ, так как транзистор VT2 будет закрыт. Следовательно, на входе Q1 «Буфера данных» будет ток, что означает – с ячейки памяти считана единица. Информация о считанном бите с первого столбца будет записана в «Буфер данных».
Так как в конденсаторе заряда не было, то и подзаряжать его надобности нет. Следовательно, с блока регенерации ток пойти не должен.
Так как на выходе Q1 ток есть, то он поступает и в «Блок регенерации». Следовательно, на нижний вход элемента L3 (логическое «И») подается логическая единица.
Так как мы рассматриваем случай чтения данных, то сигнала записи V1 и данных для записи D1 в «Блок регенерации 1» подаваться не будет. Так же в остальные блоки регенерации, соответствующие сигналы D1-Dm и V1-Vm так же подаваться не будут.
Следовательно, на входе элемента L1 (логическое «НЕ») будет логический ноль, а на выходе – логическая «1». Таким образом, на входах элемента L3 (логическое «И») будут две логические единицы. В результате, на выходе получим так же логическую единицу.
На выходе логического элемента L2 (логическое «И») будет логический ноль, так как на обоих его входах напряжение отсутствует, так как от контроллера памяти нет команд на запись и данных для записи.
В результате, на входах элемента L4 (логическое «ИЛИ-НЕ») будет логический ноль и логическая единица, а, соответственно, на его выходе будет логический ноль, то есть напряжение будет отсутствовать. Так как напряжение отсутствует, то ни один из конденсаторов первого столбца матрицы памяти подзаряжаться не будет.
При чтении данных одновременно происходит и их регенерация. Однако не все данные ОЗУ постоянно нужны для работы, поэтому обращение к некоторым ячейкам памяти может быть очень редким. Для того чтобы данные в таких ячейках не были утеряны, их приходится считывать принудительно, не дожидаясь пока они потребуются процессору. Поэтому «Блок управления» с определенной частотой, в моменты простоя памяти или между обращением к памяти процессора (или других устройств), регенерирует данные во всех ячейках памяти.
Работа динамической памяти при записи данных
Будем рассматривать принцип записи данных в динамическую память на примере записи данных в ячейку памяти М11:
- Контроллер шины памяти получает команду на запись данных, данные и адрес, куда необходимо записать эти данные.
- Контроллер шины памяти преобразует адрес на две составляющие – номер строки и номера столбцов, и передает полученные составляющие в «Дешифратор адреса строки» и в «Дешифратор адреса столбцов». А данные передает в «Блок работы с данными».
- Дешифратор адреса строки выдает сигнал в соответствующую строку матрицы памяти. Мы договорились, что в примере данные будем записывать в первую ячейку памяти. Поэтому дешифратор адреса строки подаст напряжение на первую строку (S1).
- Одновременно с «Дешифратора адреса столбцов» выдаются сигналы V в столбцы, соответствующие полученному адресу. В эти же столбцы подаются сигналы D с «Блока работы с данными», уровень которых определяется значением битов записываемого слова.
- Напряжение, поданное на строку S1, откроет конденсаторы VT1 и VT3 первой ячейки памяти и соответствующие конденсаторы всех остальных ячеек первой строки.
- Если в ячейке М11 хранится бит со значением «0» (в конденсаторе есть заряд), то ток, создаваемый входным напряжением Uп, пойдет по линии AB, иначе – по линии AE. Но нам это не важно, так как в ячейку М11 производится запись данных, а не их чтение, поэтому буфер данных будет игнорировать считанное с ячейки значение. А с выхода элемента L3 «Блока регенерации 1» будет всегда идти логический ноль, так как с дешифратора столбцов приходит сигнал (V1) на запись данных в первый столбец.
В результате, на входе элемента L1 будет логическая единица, а на выходе – логический ноль. Соответственно, на верхнем входе элемента L3 мы всегда имеем логический ноль, что означает – независимо от значений на нижнем входе, на выходе элемента L3 будет логический ноль.
На нижнем входе элемента L2 будет логическая единица, так как с дешифратора адреса столбцов выдается сигнал V1, а на верхнем входе будет либо ноль, либо единица, в зависимости от того, какое значение имеет бит записываемой информации.
Если бит имеет значение «1», то на верхнем входе элемента L2 будет «1». Имея две единицы на входе, мы получим на выходе так же логическую единицу. Соответственно, на входах элемента L4 будет получена логическая «1» и логический «0». В результате, на выходе будет логический «0», то есть ток будет отсутствовать, а, соответственно, зарядка конденсатора C идти не будет. Если до этого конденсатор С содержал заряд, то через несколько микросекунд он разрядится, пропуская ток по линии АВ. Таким образом в конденсатор С будет записан бит данных «1», соответствующий разряженному состоянию конденсатора.
Если бит имеет значение «0», то на верхнем входе элемента L2 будет «0». Имея на верхнем входе логический ноль, а на нижнем – логическую единицу, на выходе элемента L2 получим логический ноль. В результате, на верхнем и нижнем входах элемента L4 имеем логические нули, что означает – на выходе элемента L4 будет логическая единица, то есть пойдет ток зарядки конденсатора. Таким образом в конденсатор С будет записан бит данных «0», соответствующий заряженному состоянию конденсатора.
Аналогичным образом будут записаны данные в другие столбцы матрицы памяти. В тех столбцах, в которых запись данных не требуется, будет произведено чтение данных из ячейки памяти и ее регенерация. При этом данные в буфер памяти записаны не будут.
Запись данных во все требуемые ячейки строки матрицы памяти и чтение с регенерацией из оставшихся ячеек строки производятся параллельно.
Приведенная на рисунке 1 структурная схема памяти и описанный принцип работы соответствуют одной из самых простых организаций динамической памяти. На практике такую память уже давно не используют. Со временем, она претерпела ряд изменений, позволивших ей работать гораздо быстрее. Давайте рассмотрим эти улучшения.
Физически DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, строку от 1 до 4 бит. Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.
Как запоминающее устройство, DRAM представляет собой модуль памяти различных конструктивов, состоящий из электрической платы, на которой расположены микросхемы памяти и разъёма, необходимого для подключения модуля к материнской плате.
Содержание
Принцип действия
![]()
Принцип действия чтения DRAM для простого массива 4×4![]()
![]()
Принцип действия записи DRAM для простого массива 4×4![]()
Физически DRAM-память представляет собой набор запоминающих ячеек, которые состоят из конденсаторов и транзисторов, расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти. [1]
При отсутствии подачи электроэнергии к памяти этого типа происходит разряд конденсаторов, и память опустошается (обнуляется). Для поддержания необходимого напряжения на обкладках конденсаторов ячеек и сохранения их содержимого, их необходимо периодически подзаряжать, прилагая к ним напряжения через коммутирующие транзисторные ключи. Такое динамическое поддержание заряда конденсатора является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM. Конденсаторы заряжают в случае, когда в «ячейку» записывается единичный бит, и разряжают в случае, когда в «ячейку» необходимо записать нулевой бит.
Регенерация
Характеристики памяти DRAM
Основными характеристиками DRAM являются рабочая частота и тайминги.
При обращении к ячейке памяти контроллер памяти задаёт номер банка, номер страницы в нём, номер строки и номер столбца и на все эти запросы тратится время, помимо этого довольно большой период уходит на открытие и закрытие банка после самой операции. На каждое действие требуется время, называемое таймингом.
Типы DRAM
На протяжении долгого времени разработчиками создавались различные типы памяти. Они обладали разными характеристиками, в них были использованы разные технические решения. Основной движущей силой развития памяти было развитие компьютеров и центральных процессоров. Постоянно требовалось увеличение быстродействия и объёма оперативной памяти.
Страничная память
Быстрая страничная память
С этим типом памяти применялась технология Virtual Channel Memory (VCM). VCM использует архитектуру виртуального канала, позволяющую более гибко и эффективно передавать данные с использованием каналов регистра на чипе. Данная архитектура интегрирована в SDRAM. VCM, помимо высокой скорости передачи данных, была совместима с существующими SDRAM, что позволяло делать апгрейд системы без значительных затрат и модификаций. Это решение нашло поддержку у некоторых производителей чипсетов.
Enhanced SDRAM (ESDRAM)
Для преодоления некоторых проблем с задержкой сигнала, присущих стандартной DRAM-памяти, было решено встроить небольшое количество SRAM в чип, то есть создать на чипе кеш.
Одним из таких решений являлась ESDRAM от Ramtron International Corporation.
Пакетная EDO RAM
Video RAM
DDR SDRAM
У всех предыдущих DRAM были разделены линии адреса, данных и управления, которые накладывают ограничения на скорость работы устройств. Для преодоления этого ограничения в некоторых технологических решениях все сигналы стали выполняться на одной шине. Двумя из таких решений являются технологии DRDRAM и SLDRAM. Они получили наибольшую популярность и заслуживают внимания. Стандарт SLDRAM является открытым и, подобно предыдущей технологии, SLDRAM использует оба перепада тактового сигнала. Что касается интерфейса, то SLDRAM перенимает протокол, названный SynchLink Interface и стремится работать на частоте 400 МГц.
Так как частота синхронизации лежит в пределах от 100 до 200 МГц, а данные передаются по 2 бита на один синхроимпульс, как по фронту, так и по срезу тактового импульса, то эффективная частота передачи данных лежит в пределах от 200 до 400 МГц. Такие модули памяти обозначаются DDR200, DDR266, DDR333, DDR400.
Direct RDRAM или Direct Rambus DRAM
DDR2 SDRAM
DDR3 SDRAM
![]()
DRAM (Dynamic Random Access Memory) — оперативная или энергозависимая память, является рабочей областью процессора. Именно здесь во время работы хранятся активные программы и данные. Оперативная память — это временное хранилище данных и поэтому перед отключением компьютера или нажатием кнопки сброса, внесённые во время работы изменения, должны быть сохранены на устройстве постоянной памяти, как правило, это жёсткий диск. Поскольку обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависят от порядка их расположения, то устройства оперативной памяти иногда ещё называют запоминающим устройством с произвольным доступом.
Содержание
![]()
Мировой рынок DRAM
Структура
Основной особенностью DRAM является динамическое хранение данных. Это даёт возможность многократно записывать информацию в оперативную память, но при этом возникает необходимость постоянно обновлять данные. Фактически перезапись происходит каждые 15 мкс. Существует также статическая оперативная (или кеш) память (S-RAM), не требующая постоянного обновления данных. И один и другой вид функционирует только при включённом компьютере. Оперативная память физически представляет собой набор микросхем, которые подключаются к системной плате. Поскольку характеристики этих микросхем весьма различны, то для нормальной работы они должны быть совместимы с системой.
В настоящее время используются запоминающие устройства трёх типов: ROM (read only memory), DRAM (Dynamic Random Access Memory), S-RAM (Static RAM).
В настоящее время DRAM используется в большинстве современных компьютеров. Главное преимущество этого типа памяти заключается в чрезвычайно плотной упаковке ячеек, что позволяет создавать память большой ёмкости, при этом само устройство занимает очень мало места. Каждая ячейка это микро конденсатор, который удерживает заряды (наличием или отсутствием зарядов и кодируются биты информации). Главная проблема такой памяти это необходимость постоянно регенерировать заряд иначе конденсатор «стечёт», что приведёт к потере данных. За обновление которых и, следовательно, сохранность отвечает встроенный контролёр с частотой регенерации 15 мкс. В современных компьютерах, работающих на сверхвысоких частотах, процесс регенерации отнимает не более 1 % времени работы процессора. Поэтому нет смысла увеличивать время между циклами — на работу процессора это существенно не повлияет, и к тому же может примести к разрядке конденсатора и, как следствие, к потере данных.
Особенности DRAM
Тайминги
![]()
![]()
Типы памяти
Оперативная память типа EDO (Extended Data Out) учитывает перекрытие синхронизации между очередными операциями доступа. Это позволяет совместить следующий цикл с предыдущим и сэкономить 10 нс. в каждом цикле. Следующим шагом в ускорении DRAM стала память Burst EDO (Burst Extended-Data-Out Dynamic Random Access Memory). По сути это та же EDO, но с еще более быстрой передачей данных. Сегодня этот тип памяти не производится, поскольку был полностью вытеснен новым форматом SDRAM. SDRAM (Synchronous DRAM) передает информацию в высокоскоростных пакетах, использующих высокоскоростной синхронизированный интерфейс. Работа этого типа DRAM синхронизируется с шиной памяти, что позволяет избежать многих циклов ожидания. Ещё более усовершенствованным стандартом оперативной памяти является DDR (Double Data Rate — двойная скорость передачи данных). Удвоение скорости происходит за счёт того, что за один цикл данные передаются два раза — в начале и конце цикла. Принципиально новый тип оперативной памяти RDRAM (Rambus DRAM) используется в высокопроизводительных персональных компьютерах. Существуют двух- и четырёхканальные RDRAM, которые позволяют увеличить скорость передачи данных до 3,2 и 6,4 Гбайт\сек соответственно. Контролёр памяти RDRAM позволяет установить до трёх модулей RIMM. Со временем предполагается выпускать модули RIMM с объёмом 1 Гб (сейчас 256 Мб) с большим количеством разъёмов RIMM. А для портативных компьютеров предлагается портативная версия SO-RIMM (Small Outline RIMM).
Изначально оперативная память представляла собой микросхемы с двухрядным расположением выводов (Dual Inline Package — DIP). Системные платы содержали до 36 разъёмов для подключения этих микросхем. Чтобы облегчить процесс подключения их стали монтировать на отдельные платы которые подключались в разъёмы шины. Существует два подобных модуля памяти. SIMМ (Single Inline Memory Module), с однорядным расположением выводов и DIMM (Dual Inline Memory Modulе) с двухрядным расположением выводов или, в качестве альтернативы отдельным микросхемам памяти, модули RIMM. Подключаются они в разъёмы системных плат или плат расширения. Существует два основных типа модулей SIMM: 30-контактный (8 бит плюс 1 дополнительный бит контроля четности) и 72-контактный (32 бит плюс 4 дополнительных бита контроля четности).
Модули памяти DIMM обычно содержат стандартные микросхемы SDRAM или DDR SDRAM и отличаются друг от друга физическими характеристиками. Стандартный модуль DIMM имеет 168 выводов, по одному радиусному пазу с каждой стороны и два паза в области контакта. Модули DDR DIMM имеют 184 вывода, по два паза с каждой стороны и один паз в области контакта. Ширина тракта данных модулей DIMM равняется 64 разрядам (без контроля четности) или 72 разрядам (с контролем четности или поддержкой кода коррекции ошибок ЕСС). На каждой стороне платы DIMM расположены различные выводы сигнала. Именно поэтому они называются модулями памяти с двухрядным расположением выводов. Модуль памяти RIMM также двухсторонний. На сегодняшний день существует только один 184-контактный модуль, имеющий по одному радиусному пазу с каждой стороны и два паза, расположенных в центральной части области контакта. Микросхемы динамической памяти (DRAM), установленные в модулях разных типов (SIMM, DIMM или RIMM), имеют разные характеристики. Быстродействие модулей SIMM варьируется в пределах от 50 до 120 нс на частотах 66, 100 и 133 МГц. Модули памяти DDR DIMM имеют частоту 1600 и 2100 Мбайт/с. Для передачи параметров синхронизации и скорости в модули памяти DIMM и RIMM встраивают ПЗУ (ROM). Из-за этого рабочая частота контроллера памяти и шины памяти в большинстве систем соответствует наименьшей частоте установленных модулей. В модулях DIMM и DDR DIMM используются микросхемы SDRAM. В DIMM передача данных происходит в виде высокоскоростных пакетов, а в DDR дважды в течение одного такта. Микросхемы памяти SDRAM поддерживают частоту шины до 133 МГц, в то время как модули памяти DR DIMM — до 266 МГц. Модули DIMM различаются также наличием или отсутствием буфера и разным напряжением питания. Для нормальной работы всей системы нужно учитывать эти характеристики при замене деталей.
Контроль четности и ECC
Хотя технология DRAM уже долгое время является самым популярным типом оперативной памяти, эксперты предрекают ей скорую кончину. Главная причина это невозможность до бесконечности уменьшать размер ячейки. Среди наиболее вероятных преемников DRAM называют «память с плавающим телом» (FBM), главной особенностью которой является отсутствие конденсатора в ячейке памяти.
Читайте также:
- В начале рассмотрим случай, когда заряд в конденсаторе есть (ячейка памяти содержит бит со значением ноль):
