stringtranslate.com

Полупроводниковая память

Полупроводниковая память — это цифровое электронное полупроводниковое устройство , используемое для хранения цифровых данных , например компьютерная память . Обычно это относится к устройствам, в которых данные хранятся в ячейках памяти металл-оксид-полупроводник (МОП) на кремниевой микросхеме памяти с интегральной схемой . [1] [2] [3] Существует множество различных типов, в которых используются разные полупроводниковые технологии. Двумя основными типами оперативной памяти (ОЗУ) являются статическая ОЗУ (SRAM), в которой используется несколько транзисторов на ячейку памяти, и динамическая ОЗУ (DRAM), в которой на ячейку используется транзистор и МОП-конденсатор . Энергонезависимая память (такая как EPROM , EEPROM и флэш-память ) использует ячейки памяти с плавающим затвором , которые состоят из одного транзистора с плавающим затвором на ячейку.

Большинство типов полупроводниковой памяти обладают свойством произвольного доступа , [4] что означает, что для доступа к любой ячейке памяти требуется одинаковое количество времени, поэтому к данным можно эффективно получить доступ в любом случайном порядке. [5] Это контрастирует с носителями данных, такими как компакт-диски , которые считывают и записывают данные последовательно, и поэтому доступ к данным можно получить только в той же последовательности, в которой они были записаны. Полупроводниковая память также имеет гораздо более быстрое время доступа , чем другие типы хранения данных; байт данных может быть записан или прочитан из полупроводниковой памяти в течение нескольких наносекунд , тогда как время доступа к вращающимся хранилищам, таким как жесткие диски, находится в диапазоне миллисекунд. По этим причинам он используется в качестве основного хранилища для хранения программ и данных, над которыми в данный момент работает компьютер, а также для других целей.

По состоянию на 2017 год продажи полупроводниковых чипов памяти составляют $124 млрд в год, что составляет 30% полупроводниковой промышленности . [6] Регистры сдвига , регистры процессора , буферы данных и другие небольшие цифровые регистры, которые не имеют механизма декодирования адреса памяти, обычно не называются памятью , хотя они также хранят цифровые данные.

Описание

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 чипа. 1-битные ячейки памяти сгруппированы в небольшие единицы, называемые словами , доступ к которым осуществляется вместе как по одному адресу памяти. Память изготавливается с длиной слова , которая обычно равна степени двойки, обычно N = 1, 2, 4 или 8 бит.

Доступ к данным осуществляется посредством двоичного числа, называемого адресом памяти , нанесенного на адресные контакты микросхемы и указывающего, к какому слову в микросхеме необходимо получить доступ. Если адрес памяти состоит из M бит, количество адресов на чипе равно 2 M , каждый из которых содержит N- битное слово. Следовательно, объем данных, хранящихся в каждом чипе, составляет N 2 M бит. [5] Емкость памяти для M количества адресных строк равна 2 M , которая обычно имеет степень двойки: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 и 512 и измеряется в килобитах , мегабитах . , гигабиты или терабиты и т. д. По состоянию на 2014 год крупнейшие микросхемы полупроводниковой памяти содержат несколько гигабит данных, но постоянно разрабатывается память большей емкости. Объединив несколько интегральных схем, память можно организовать в слово и/или адресное пространство большей длины, чем то, что предлагает каждый чип, часто, но не обязательно, в степени двойки . [5]

Двумя основными операциями, выполняемыми микросхемой памяти, являются « чтение », при котором содержимое слова памяти считывается (неразрушающим образом), и « запись », при котором данные сохраняются в слове памяти, заменяя любые данные, которые были ранее сохранены. хранится там. Чтобы увеличить скорость передачи данных, в некоторых новейших типах микросхем памяти, таких как DDR SDRAM, при каждой операции чтения или записи осуществляется доступ к нескольким словам.

Помимо отдельных микросхем памяти, блоки полупроводниковой памяти являются неотъемлемой частью многих интегральных схем компьютеров и обработки данных. Например, микропроцессоры , на которых работают компьютеры, содержат кэш-память для хранения инструкций, ожидающих выполнения.

Типы

Энергозависимая память

Чипы оперативной памяти для компьютеров обычно поставляются в виде таких съемных модулей памяти . Дополнительную память можно добавить в компьютер, подключив дополнительные модули.

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

ОЗУ ( оперативное запоминающее устройство ) — это стало общим термином для любой полупроводниковой памяти, в которую можно записывать и читать, в отличие от ПЗУ (ниже) , которое можно только читать. Вся полупроводниковая память, а не только оперативная память, обладает свойством произвольного доступа .

Энергонезависимая память

Энергонезависимая память (NVM) сохраняет хранящиеся в ней данные в периоды отключения питания чипа. Поэтому он используется для памяти в портативных устройствах, у которых нет дисков, а также для съемных карт памяти, среди прочего. Основные типы: [7] [8]

История

Ранняя компьютерная память состояла из памяти с магнитным сердечником , поскольку ранние твердотельные электронные полупроводники , включая транзисторы , такие как биполярный переходной транзистор (BJT), были непрактичны для использования в качестве цифровых запоминающих элементов ( ячейок памяти ). Самая ранняя полупроводниковая память появилась в начале 1960-х годов и представляла собой биполярную память, в которой использовались биполярные транзисторы. [9] Биполярная полупроводниковая память , изготовленная из дискретных устройств, была впервые отправлена ​​компанией Texas Instruments в ВВС США в 1961 году. В том же году концепция твердотельной памяти на интегральной схеме (ИС) была предложена инженером по прикладным технологиям Бобом. Норман из Fairchild Semiconductor . [10] Первой однокристальной микросхемой памяти была 16-битная BJT IBM SP95, изготовленная в декабре 1965 года и разработанная Полом Каструччи. [9] [10] Хотя биполярная память обеспечивала более высокую производительность по сравнению с памятью на магнитном сердечнике, она не могла конкурировать с более дешевой памятью на магнитном сердечнике, которая оставалась доминирующей до конца 1960-х годов. [9] Биполярная память не смогла заменить память на магнитном сердечнике, поскольку биполярные триггерные схемы были слишком большими и дорогими. [11]

МОП-память

Появление полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET), [12] изобретенного Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году, [13] позволило практическое использование транзистора металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор) ) транзисторы в качестве запоминающих элементов ячеек памяти - функция, ранее выполнявшаяся магнитными сердечниками в компьютерной памяти . [12] МОП-память была разработана Джоном Шмидтом из Fairchild Semiconductor в 1964 году. [14] [15] Помимо более высокой производительности, МОП-память была дешевле и потребляла меньше энергии, чем память с магнитным сердечником. [14] Это привело к тому, что МОП-транзисторы в конечном итоге заменили магнитные сердечники в качестве стандартных запоминающих элементов в компьютерной памяти. [12]

В 1965 году Дж. Вуд и Р. Болл из Королевского радиолокационного учреждения предложили цифровые системы хранения данных, в которых используются ячейки памяти КМОП (дополнительные МОП-транзисторы), в дополнение к силовым устройствам МОП-транзисторы для подачи питания , коммутируемой перекрестной связи, переключателям и линиям задержки. хранилище . [16] Разработка Федерико Фаггином в компании Fairchild в 1968 году технологии МОП-интегральных микросхем с кремниевым затвором (МОП-ИС) позволила начать производство микросхем МОП-памяти . [17] Память NMOS была коммерциализирована компанией IBM в начале 1970-х годов. [18] МОП-память обогнала память на магнитных сердечниках и стала доминирующей технологией памяти в начале 1970-х годов. [14]

Термин «память» при использовании в отношении компьютеров чаще всего относится к энергозависимой оперативной памяти (ОЗУ). Двумя основными типами энергозависимой оперативной памяти являются статическая оперативная память (SRAM) и динамическая оперативная память (DRAM). Биполярная SRAM была изобретена Робертом Норманом из Fairchild Semiconductor в 1963 году, [9] после чего Джон Шмидт из Fairchild в 1964 году разработал MOS SRAM. [14] SRAM стала альтернативой памяти с магнитным сердечником, но для ее создания требовалось 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 . Память. [22] Технология MOS является основой современной DRAM. В 1966 году доктор Роберт Х. Деннард из Исследовательского центра IBM Томаса Дж. Уотсона работал над MOS-памятью. Изучая характеристики МОП-технологии, он обнаружил, что она способна создавать конденсаторы , и что сохранение заряда или отсутствия заряда на МОП-конденсаторе может представлять собой 1 и 0 бита, в то время как МОП-транзистор может контролировать запись заряда в конденсатор. Это привело к разработке однотранзисторной ячейки памяти DRAM. [19] В 1967 году Деннард подал патент IBM на однотранзисторную ячейку памяти DRAM, основанную на технологии MOS. [23] Это привело к созданию первого коммерческого чипа DRAM IC, Intel 1103 , в октябре 1970 года. [24] [25] [26] Синхронная динамическая память с произвольным доступом (SDRAM) позже дебютировала с чипом Samsung KM48SL2000 в 1992 году . [ 23] 27] [28]

Термин «память» также часто используется для обозначения энергонезависимой памяти , в частности флэш-памяти . Он берет свое начало в постоянной памяти (ПЗУ). Программируемое постоянное запоминающее устройство (PROM) было изобретено Вэнь Цин Чоу в 1956 году, когда он работал в подразделении Arma американской корпорации Bosch Arma. [29] [30] В 1967 году Давон Кан и Саймон Се из Bell Labs предложили использовать плавающий затвор полупроводникового МОП -устройства в качестве ячейки перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), что привело к Дову Фроману из Intel изобретает EPROM (стираемое PROM) в 1971 году. [31] EEPROM (электрически стираемое PROM) было разработано Ясуо Таруи, Ютакой Хаяси и Киёко Нагой в электротехнической лаборатории Министерства международной торговли и промышленности Японии (MITI) в 1972 году. [32] Flash Память была изобретена Фудзио Масуокой в ​​Toshiba в начале 1980-х годов. [33] [34] Масуока и его коллеги представили изобретение флэш-памяти NOR в 1984 году, [35] , а затем флэш-памяти NAND в 1987 году. [36] Toshiba коммерциализировала флэш-память NAND в 1987 году. [37] [38]

Приложения

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Рынок MOS-памяти» (PDF) . Корпорация по разработке интегральных схем . Смитсоновский институт . 1997 год . Проверено 16 октября 2019 г.
  2. ^ «Тенденции рынка MOS-памяти» (PDF) . Корпорация по разработке интегральных схем . Смитсоновский институт . 1998 год . Проверено 16 октября 2019 г.
  3. ^ Вендрик, Гарри Дж. М. (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ к ASIC. Спрингер. стр. 314–5. ISBN 9783319475974.
  4. ^ Линь, Вэнь К. (1990). Справочник CRC по проектированию цифровых систем, второе издание. ЦРК Пресс. п. 225. ИСБН 0849342724. Архивировано из оригинала 27 октября 2016 года . Проверено 4 января 2016 г.
  5. ^ abc Давуд, Давуд Шенуда; Р. Пеплоу (2010). Проектирование цифровой системы — использование микроконтроллера. Речное издательство. стр. 255–258. ISBN 978-8792329400. Архивировано из оригинала 6 июля 2014 г.
  6. ^ «Годовой объем продаж полупроводников увеличился на 21,6 процента, впервые достигнув 400 миллиардов долларов» . Ассоциация полупроводниковой промышленности . 5 февраля 2018 года . Проверено 29 июля 2019 г.
  7. ^ аб Годзе, AP; Д.А.Годзе (2008). Основы вычислений и программирования. Индия: Технические публикации. п. 1.35. ISBN 978-8184315097. Архивировано из оригинала 6 июля 2014 г.
  8. ^ аб Арора, Ашок (2006). Основы информатики. Публикации Лакшми. стр. 39–41. ISBN 8170089719. Архивировано из оригинала 6 июля 2014 г.
  9. ^ abcde «1966: Полупроводниковые ОЗУ удовлетворяют потребности в высокоскоростных хранилищах». Музей истории компьютеров . Проверено 19 июня 2019 г.
  10. ^ ab «Примечания к временной шкале полупроводниковой памяти» (PDF) . Музей истории компьютеров . 8 ноября 2006 года . Проверено 2 августа 2019 г.
  11. ^ Ортон, Джон В. (2009). Полупроводники и информационная революция: волшебные кристаллы, которые сделали это возможным. Академическая пресса . п. 104. ИСБН 978-0-08-096390-7.
  12. ^ abc «Транзисторы – обзор». НаукаДирект . Проверено 8 августа 2019 г.
  13. ^ «1960 - Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
  14. ^ abcd «1970: Динамическая оперативная память MOS конкурирует с памятью с магнитным сердечником по цене». Музей истории компьютеров . Проверено 29 июля 2019 г.
  15. ^ Твердотельный дизайн. Том. 6. Дом Горизонт. 1965.
  16. ^ Вуд, Дж.; Болл, Р. (февраль 1965 г.). Использование полевых транзисторов с изолированным затвором в цифровых системах хранения данных . 1965 Международная конференция IEEE по твердотельным схемам. Сборник технических статей. Том. VIII. стр. 82–83. дои : 10.1109/ISSCC.1965.1157606.
  17. ^ «1968: Разработана технология кремниевых затворов для микросхем» . Музей истории компьютеров . Проверено 10 августа 2019 г. .
  18. ^ Кричлоу, DL (2007). «Воспоминания о масштабировании MOSFET». Информационный бюллетень Общества твердотельных схем IEEE . 12 (1): 19–22. дои : 10.1109/N-SSC.2007.4785536 .
  19. ^ ab "ДРАМ". IBM100 . ИБМ . 9 августа 2017 года . Проверено 20 сентября 2019 г.
  20. ^ "Спецификация Toshiba "TOSCAL" BC-1411" . Веб-музей старого калькулятора . Архивировано из оригинала 3 июля 2017 года . Проверено 8 мая 2018 г.
  21. ^ Настольный калькулятор Toshiba "Toscal" BC-1411. Архивировано 20 мая 2007 г. на Wayback Machine.
  22. ^ «1966: Полупроводниковые ОЗУ удовлетворяют потребности в высокоскоростных хранилищах» . Музей истории компьютеров .
  23. ^ "Роберт Деннард". Британская энциклопедия . Проверено 8 июля 2019 г.
  24. ^ «Intel: 35 лет инноваций (1968–2003)» (PDF) . Интел. 2003. Архивировано из оригинала (PDF) 4 ноября 2021 года . Проверено 26 июня 2019 г.
  25. ^ Память DRAM Роберта Деннарда. история-компьютер.com.
  26. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media . стр. 362–363. ISBN 9783540342588. i1103 был изготовлен по 6-масковой технологии P-MOS с кремниевым затвором и минимальной толщиной 8 мкм. Полученный продукт имел размер 2400 мкм, 2 ячейки памяти, размер кристалла чуть менее 10 мм 2 и продавался примерно за 21 доллар.
  27. ^ "Техническое описание KM48SL2000-7" . Samsung . Август 1992 года . Проверено 19 июня 2019 г.
  28. ^ «Электронный дизайн». Электронный дизайн . Издательская компания Хайден. 41 (15–21). 1993. Первая коммерческая синхронная память DRAM, 16-Мбит KM48SL2000 от Samsung, использует однобанковую архитектуру, которая позволяет разработчикам систем легко переходить от асинхронных к синхронным системам.
  29. ^ Хан-Вэй Хуан (5 декабря 2008 г.). Проектирование встроенной системы с C805. Cengage Обучение. п. 22. ISBN 978-1-111-81079-5. Архивировано из оригинала 27 апреля 2018 года.
  30. ^ Мари-Од Офор; Эстебан Зиманьи (17 января 2013 г.). Бизнес-аналитика: Вторая европейская летняя школа, eBISS 2012, Брюссель, Бельгия, 15–21 июля 2012 г., учебные лекции. Спрингер. п. 136. ИСБН 978-3-642-36318-4. Архивировано из оригинала 27 апреля 2018 года.
  31. ^ «1971: Представлено многоразовое полупроводниковое ПЗУ» . Музей истории компьютеров . Проверено 19 июня 2019 г.
  32. ^ Таруи, Ю.; Хаяши, Ю.; Нагай, К. (1972). «Электрически перепрограммируемая энергонезависимая полупроводниковая память». Журнал IEEE твердотельных схем . 7 (5): 369–375. Бибкод : 1972IJSSC...7..369T. дои : 10.1109/JSSC.1972.1052895. ISSN  0018-9200.
  33. Фулфорд, Бенджамин (24 июня 2002 г.). "Невоспетый герой". Форбс . Архивировано из оригинала 3 марта 2008 года . Проверено 18 марта 2008 г.
  34. ^ США 4531203  Фудзио Масуока.
  35. ^ «Toshiba: изобретатель флэш-памяти» . Тошиба . Проверено 20 июня 2019 г.
  36. ^ Масуока, Ф.; Момодоми, М.; Ивата, Ю.; Широта, Р. (1987). «Новая СППЗУ сверхвысокой плотности и флэш-ЭСППЗУ с ячейкой структуры NAND». Встреча электронных устройств, Международная конференция 1987 г. IEDM 1987. IEEE . doi :10.1109/IEDM.1987.191485.
  37. ^ «1987: Toshiba выпускает флэш-память NAND» . электронная неделя . 11 апреля 2012 года . Проверено 20 июня 2019 г.
  38. ^ «1971: Представлено многоразовое полупроводниковое ПЗУ» . Музей истории компьютеров . Проверено 19 июня 2019 г.
  39. ^ abcdefgh Вендрик, Гарри (2000). Глубоко-субмикронные КМОП-ИС: от основ к ASIC (PDF) (2-е изд.). Академическое издательство Kluwer . стр. 267–8. ISBN 9044001116. Архивировано из оригинала (PDF) 6 декабря 2020 г. Проверено 14 ноября 2019 г.
  40. ^ abcdefgh Вендрик, Гарри Дж. М. (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ к ASIC (2-е изд.). Спрингер. п. 315. ИСБН 9783319475974.
  41. ^ Вендрик, Гарри Дж. М. (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ к ASIC (2-е изд.). Спрингер. п. 264. ИСБН 9783319475974.
  42. ^ Ричард Шуп (2001). «SuperPaint: ранняя графическая система с кадровым буфером» (PDF) . Анналы истории вычислительной техники . IEEE. Архивировано из оригинала (PDF) 12 июня 2004 г.
  43. ^ Гольдвассер, С.М. (июнь 1983 г.). Компьютерная архитектура для интерактивного отображения сегментированных изображений. Компьютерные архитектуры для пространственно распределенных данных. Springer Science & Business Media . стр. 75–94 (81). ISBN 9783642821509.
  44. ^ Виндбахер, Томас (июнь 2010 г.). "Флэш-память". ТУ Вена . Проверено 20 декабря 2019 г.