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.
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 [update]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 .
DRAM ( динамическое оперативное запоминающее устройство ). Для хранения каждого бита используются ячейки памяти , состоящие из одного МОП-транзистора (полевого МОП-транзистора) и одного МОП-конденсатора . Этот тип оперативной памяти является самым дешевым и имеет самую высокую плотность, поэтому его используют в качестве основной памяти в компьютерах. Однако электрический заряд , хранящий данные в ячейках памяти, медленно утекает, поэтому ячейки памяти необходимо периодически обновлять (перезаписывать), что требует дополнительных схем. Процесс обновления выполняется внутри компьютера и прозрачен для пользователя.
FPM DRAM ( DRAM с быстрым страничным режимом ) — более старый тип асинхронной DRAM, улучшенный по сравнению с предыдущими типами, позволяющий выполнять повторный доступ к одной «странице» памяти с большей скоростью. Использовался в середине 1990-х годов.
EDO DRAM ( DRAM с расширенным выводом данных ) — более старый тип асинхронной DRAM, который имел более быстрое время доступа, чем более ранние типы, благодаря возможности инициировать новый доступ к памяти, в то время как данные из предыдущего доступа все еще передавались. Использовался во второй половине 1990-х годов.
DDR SDRAM ( SDRAM с двойной скоростью передачи данных ) — позволяет передавать вдвое больше данных (два последовательных слова) за каждый такт посредством двойной накачки (передача данных как по нарастающему, так и по спадающему фронту тактового импульса). Расширением этой идеи является текущий (2012 г.) метод, используемый для увеличения скорости и пропускной способности доступа к памяти. Поскольку дальнейшее увеличение внутренней тактовой частоты микросхем памяти оказывается затруднительным, эти микросхемы увеличивают скорость передачи за счет передачи большего количества слов данных за каждый такт.
DDR2 SDRAM – передает 4 последовательных слова за внутренний такт.
DDR3 SDRAM – передает 8 последовательных слов за внутренний такт.
DDR4 SDRAM – передает 16 последовательных слов за внутренний такт.
RDRAM ( Rambus DRAM ) — альтернативный стандарт памяти с двойной скоростью передачи данных, который использовался в некоторых системах Intel, но в конечном итоге уступил DDR SDRAM.
XDR DRAM ( DRAM с экстремальной скоростью передачи данных )
SGRAM ( синхронная графическая память ) — специализированный тип SDRAM, предназначенный для графических адаптеров (видеокарт). Он может выполнять операции, связанные с графикой, такие как маскирование битов и запись блоков, а также может открывать две страницы памяти одновременно.
HBM ( High Bandwidth Memory ) — разработка SDRAM, используемая в видеокартах, которая может передавать данные с более высокой скоростью. Он состоит из нескольких микросхем памяти, расположенных друг над другом, с более широкой шиной данных.
PSRAM ( псевдостатическое ОЗУ ) — это DRAM, в котором есть схема для обновления памяти на кристалле, поэтому она действует как SRAM, позволяя отключать внешний контроллер памяти для экономии энергии. Он используется в некоторых игровых консолях , таких как Wii .
SRAM ( статическая оперативная память ) – хранит каждый бит данных в схеме, называемой триггером , состоящей из 4–6 транзисторов. SRAM менее плотна и дороже за бит, чем DRAM, но быстрее и не требует обновления памяти . Он используется для кэш-памяти меньшего размера в компьютерах.
CAM ( память с адресацией по содержимому ). Это специализированный тип, в котором вместо доступа к данным с использованием адреса применяется слово данных, и память возвращает местоположение, если слово хранится в памяти. Чаще всего он встроен в другие микросхемы, например микропроцессоры , где используется в качестве кэш-памяти .
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]
ПЗУ ( постоянная память ) — предназначено для хранения постоянных данных и при нормальной работе только считывается, а не записывается. Хотя запись возможна во многие типы, процесс записи медленный, и обычно все данные в чипе приходится перезаписывать сразу. Обычно он используется для хранения системного программного обеспечения , которое должно быть немедленно доступно компьютеру, например, программы BIOS , запускающей компьютер, и программного обеспечения ( микрокода ) для портативных устройств и встроенных компьютеров, таких как микроконтроллеры .
MROM ( ПЗУ, программируемое по маске или ПЗУ по маске ). В этом типе данные программируются в чип при его изготовлении, поэтому он используется только для крупных производственных циклов. Его нельзя переписать новыми данными.
PROM ( программируемое постоянное запоминающее устройство ). В этом типе данные записываются в существующую микросхему PROM до ее установки в схему, но запись может быть произведена только один раз. Данные записываются путем подключения чипа к устройству, называемому программатором PROM.
EPROM ( стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство или UVEPROM). В этом типе данные в нем можно перезаписать, удалив микросхему из печатной платы, подвергнув ее воздействию ультрафиолетового света для стирания существующих данных и подключив ее к программатору PROM. . Корпус микросхемы имеет небольшое прозрачное «окно» сверху для пропускания ультрафиолетового света. Он часто используется для прототипов и небольших серийных устройств, где программу в нем, возможно, придется изменить на заводе.4M EPROM с прозрачным окном, используемым для стирания чипа.
EEPROM ( электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство ) – в этом типе данные могут быть перезаписаны электрически, пока микросхема находится на плате, но процесс записи происходит медленно. Этот тип используется для хранения встроенного ПО , микрокода низкого уровня, который запускает аппаратные устройства, такие как программа BIOS на большинстве компьютеров, чтобы его можно было обновить.
Флэш-память . В этом типе процесс записи занимает промежуточное положение по скорости между EEPROMS и RAM-памятью; в нее можно записывать, но она недостаточно быстрая, чтобы служить основной памятью. Его часто используют как полупроводниковую версию жесткого диска для хранения файлов. Он используется в портативных устройствах, таких как КПК, USB-накопителях и съемных картах памяти , используемых в цифровых камерах и мобильных телефонах .
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]
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]
^ «Рынок MOS-памяти» (PDF) . Корпорация по разработке интегральных схем . Смитсоновский институт . 1997 год . Проверено 16 октября 2019 г.
^ «Тенденции рынка MOS-памяти» (PDF) . Корпорация по разработке интегральных схем . Смитсоновский институт . 1998 год . Проверено 16 октября 2019 г.
^ Вендрик, Гарри Дж. М. (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ к ASIC. Спрингер. стр. 314–5. ISBN9783319475974.
^ Линь, Вэнь К. (1990). Справочник CRC по проектированию цифровых систем, второе издание. ЦРК Пресс. п. 225. ИСБН0849342724. Архивировано из оригинала 27 октября 2016 года . Проверено 4 января 2016 г.
^ abc Давуд, Давуд Шенуда; Р. Пеплоу (2010). Проектирование цифровой системы — использование микроконтроллера. Речное издательство. стр. 255–258. ISBN978-8792329400. Архивировано из оригинала 6 июля 2014 г.
^ «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.
^ аб Годзе, AP; Д.А.Годзе (2008). Основы вычислений и программирования. Индия: Технические публикации. п. 1.35. ISBN978-8184315097. Архивировано из оригинала 6 июля 2014 г.
^ аб Арора, Ашок (2006). Основы информатики. Публикации Лакшми. стр. 39–41. ISBN8170089719. Архивировано из оригинала 6 июля 2014 г.
^ abcde «1966: Полупроводниковые ОЗУ удовлетворяют потребности в высокоскоростных хранилищах». Музей истории компьютеров . Проверено 19 июня 2019 г.
^ ab «Примечания к временной шкале полупроводниковой памяти» (PDF) . Музей истории компьютеров . 8 ноября 2006 года . Проверено 2 августа 2019 г.
^ Ортон, Джон В. (2009). Полупроводники и информационная революция: волшебные кристаллы, которые сделали это возможным. Академическая пресса . п. 104. ИСБН978-0-08-096390-7.
^ abc «Транзисторы – обзор». НаукаДирект . Проверено 8 августа 2019 г.
^ «1960 - Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
^ abcd «1970: Динамическая оперативная память MOS конкурирует с памятью с магнитным сердечником по цене». Музей истории компьютеров . Проверено 29 июля 2019 г.
^ Твердотельный дизайн. Том. 6. Дом Горизонт. 1965.
^ 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.
^ «1968: Разработана технология кремниевых затворов для микросхем» . Музей истории компьютеров . Проверено 10 августа 2019 г. .
^ «Intel: 35 лет инноваций (1968–2003)» (PDF) . Интел. 2003. Архивировано из оригинала (PDF) 4 ноября 2021 года . Проверено 26 июня 2019 г.
^ Память DRAM Роберта Деннарда. история-компьютер.com.
^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media . стр. 362–363. ISBN9783540342588. 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.
^ "Техническое описание KM48SL2000-7" . Samsung . Август 1992 года . Проверено 19 июня 2019 г.
^ «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.
^ Хан-Вэй Хуан (5 декабря 2008 г.). Проектирование встроенной системы с C805. Cengage Обучение. п. 22. ISBN978-1-111-81079-5. Архивировано из оригинала 27 апреля 2018 года.
^ 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. ИСБН978-3-642-36318-4. Архивировано из оригинала 27 апреля 2018 года.
^ «1971: Представлено многоразовое полупроводниковое ПЗУ» . Музей истории компьютеров . Проверено 19 июня 2019 г.
↑ Фулфорд, Бенджамин (24 июня 2002 г.). "Невоспетый герой". Форбс . Архивировано из оригинала 3 марта 2008 года . Проверено 18 марта 2008 г.
^ США 4531203 Фудзио Масуока.
^ «Toshiba: изобретатель флэш-памяти» . Тошиба . Проверено 20 июня 2019 г.
^ 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.
^ «1987: Toshiba выпускает флэш-память NAND» . электронная неделя . 11 апреля 2012 года . Проверено 20 июня 2019 г.
^ «1971: Представлено многоразовое полупроводниковое ПЗУ» . Музей истории компьютеров . Проверено 19 июня 2019 г.
^ abcdefgh Вендрик, Гарри (2000). Глубоко-субмикронные КМОП-ИС: от основ к ASIC (PDF) (2-е изд.). Академическое издательство Kluwer . стр. 267–8. ISBN9044001116. Архивировано из оригинала (PDF) 6 декабря 2020 г. Проверено 14 ноября 2019 г.
^ abcdefgh Вендрик, Гарри Дж. М. (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ к ASIC (2-е изд.). Спрингер. п. 315. ИСБН9783319475974.
^ Вендрик, Гарри Дж. М. (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ к ASIC (2-е изд.). Спрингер. п. 264. ИСБН9783319475974.
^ Ричард Шуп (2001). «SuperPaint: ранняя графическая система с кадровым буфером» (PDF) . Анналы истории вычислительной техники . IEEE. Архивировано из оригинала (PDF) 12 июня 2004 г.
^ 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). ISBN9783642821509.
^ Виндбахер, Томас (июнь 2010 г.). "Флэш-память". ТУ Вена . Проверено 20 декабря 2019 г.