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 интегральной микросхеме памяти . [1] [2] [3] Существует множество различных типов, использующих различные полупроводниковые технологии. Два основных типа оперативной памяти (ОЗУ) — это статическая ОЗУ (SRAM), которая использует несколько транзисторов на ячейку памяти, и динамическая ОЗУ (DRAM), которая использует транзистор и МОП-конденсатор на ячейку. Энергонезависимая память (например, 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 доступ к данным может быть эффективным 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 возможен 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 считан из полупроводниковой памяти в течение нескольких наносекунд , в то время как время доступа для вращающегося хранилища, такого как жесткие диски, находится в диапазоне миллисекунд. По этим причинам она используется в качестве первичного хранилища , для хранения программы и данных, над которыми в данный момент работает компьютер, среди прочего.

По состоянию на 2017 год объем продаж полупроводниковых микросхем памяти составил 124 миллиарда долларов в год, что составляет 30% полупроводниковой промышленности . [6] Сдвиговые регистры , процессорные регистры , 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 в прямоугольных массивах на поверхности микросхемы. 1-битные ячейки памяти сгруппированы в небольшие единицы, называемые словами , доступ к которым осуществляется вместе как к одному адресу памяти. Память изготавливается с длиной слова , которая обычно является степенью двойки, как правило, N = 1, 2, 4 или 8 бит.

Доступ к данным осуществляется с помощью двоичного числа, называемого адресом памяти , применяемого к адресным контактам чипа, который определяет, к какому слову в чипе необходимо получить доступ. Если адрес памяти состоит из M бит, количество адресов на чипе составляет 2 M , каждый из которых содержит N- битное слово. Следовательно, количество данных, хранящихся в каждом чипе, составляет N 2 M бит. [5] Емкость памяти для M адресных линий определяется как 2 M , что обычно является степенью двойки: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 и 512 и измеряется в килобитах , мегабитах , гигабитах или терабитах и ​​т. д. По состоянию на 2014 год самые большие полупроводниковые чипы памяти хранят несколько гигабит данных, но постоянно разрабатываются более емкие запоминающие устройства. Объединив несколько интегральных схем, можно организовать память в большую длину слова и/или адресное пространство, чем то, что предлагает каждая микросхема, часто, но не обязательно, в степени двойки . [5]

Две основные операции, выполняемые микросхемой памяти, это « чтение », при котором содержимое слова памяти считывается (неразрушающим образом), и « запись », при которой данные сохраняются в слове памяти, заменяя любые ранее сохраненные там данные. Для увеличения скорости передачи данных в некоторых из последних типов микросхем памяти, таких как DDR SDRAM, при каждой операции чтения или записи осуществляется доступ к нескольким словам.

В дополнение к отдельным микросхемам памяти, блоки полупроводниковой памяти являются неотъемлемой частью многих интегральных схем компьютеров и обработки данных. Например, микросхемы микропроцессоров , которые управляют компьютерами, содержат кэш-память для хранения инструкций, ожидающих выполнения.

Типы

Энергозависимая память

Чипы оперативной памяти для компьютеров обычно поставляются на съемных модулях памяти, таких как эти. Дополнительную память можно добавить к компьютеру, подключив дополнительные модули.

Энергозависимая память теряет сохраненные данные при отключении питания чипа памяти. Однако она может быть быстрее и дешевле энергонезависимой памяти. Этот тип используется в качестве основной памяти в большинстве компьютеров, поскольку данные хранятся на жестком диске , когда компьютер выключен. Основные типы: [7] [8]

RAM ( оперативная память ) – это стало общим термином для любой полупроводниковой памяти, в которую можно записывать, а также считывать данные, в отличие от ROM (ниже) , которую можно только считывать. Вся полупроводниковая память, а не только RAM, имеет свойство произвольного доступа .

Энергонезависимая память

Энергонезависимая память (NVM) сохраняет данные, хранящиеся в ней, в периоды, когда питание чипа отключено. Поэтому она используется для памяти в портативных устройствах, которые не имеют дисков, и для сменных карт памяти среди других применений. Основные типы: [7] [8]

История

Ранняя компьютерная память состояла из памяти на магнитном сердечнике , поскольку ранние твердотельные электронные полупроводники , включая транзисторы, такие как биполярный транзистор (BJT), были непрактичны для использования в качестве цифровых элементов хранения ( ячеек памяти ). Самая ранняя полупроводниковая память датируется началом 1960-х годов, с биполярной памятью, которая использовала биполярные транзисторы. [9] Биполярная полупроводниковая память, изготовленная из дискретных устройств, была впервые отправлена ​​Texas Instruments в ВВС США в 1961 году. В том же году концепция твердотельной памяти на кристалле интегральной схемы (ИС) была предложена инженером по приложениям Бобом Норманом в Fairchild Semiconductor . [10] Первой однокристальной ИС памяти была 16-битная BJT IBM SP95, изготовленная в декабре 1965 года, спроектированная Полом Каструччи. [9] [10] Хотя биполярная память предлагала улучшенную производительность по сравнению с памятью на магнитном сердечнике, она не могла конкурировать с более низкой ценой памяти на магнитном сердечнике, которая оставалась доминирующей вплоть до конца 1960-х годов. [9] Биполярная память не смогла заменить память на магнитных сердечниках, поскольку биполярные триггерные схемы были слишком большими и дорогими. [11]

МОП-память

В 1957 году Фрош и Дерик смогли изготовить первые полевые транзисторы на основе диоксида кремния в Bell Labs, первые транзисторы, в которых сток и исток были расположены рядом на поверхности, [12] После этого в Bell Labs был создан работающий МОП-транзистор. [13] [14]

Память MOS была разработана Джоном Шмидтом в Fairchild Semiconductor в 1964 году. [15] [16] Помимо более высокой производительности, память MOS была дешевле и потребляла меньше энергии, чем память на магнитных сердечниках. [15] Это привело к тому, что в конечном итоге MOSFET заменили магнитные сердечники в качестве стандартных элементов хранения в компьютерной памяти. [17]

В 1965 году Дж. Вуд и Р. Болл из Королевского радиолокационного института предложили цифровые системы хранения данных, которые используют ячейки памяти КМОП (комплементарные МОП), в дополнение к силовым устройствам МОП-транзисторов для источника питания , коммутируемым перекрестным связям, переключателям и запоминающим устройствам с линией задержки . [18] Разработка технологии интегральных схем МОП с кремниевым затвором (ИС МОП) Федерико Фаггином в Fairchild в 1968 году позволила производить микросхемы памяти МОП . [19] Память NMOS была коммерциализирована IBM в начале 1970-х годов. [20] Память МОП обогнала память на магнитных сердечниках в качестве доминирующей технологии памяти в начале 1970-х годов. [15]

Термин «память» при использовании по отношению к компьютерам чаще всего относится к энергозависимой памяти с произвольным доступом (RAM). Два основных типа энергозависимой памяти с произвольным доступом — это статическая память с произвольным доступом (SRAM) и динамическая память с произвольным доступом (DRAM). Биполярная SRAM была изобретена Робертом Норманом в Fairchild Semiconductor в 1963 году, [9] за ней последовала разработка MOS SRAM Джоном Шмидтом в Fairchild в 1964 году. [15] SRAM стала альтернативой памяти на магнитных сердечниках, но требовала шести MOS-транзисторов для каждого бита данных. [21] 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. [22] [23] Хотя она предлагала улучшенную производительность по сравнению с памятью на магнитном сердечнике, биполярная DRAM не могла конкурировать с более низкой ценой доминирующей тогда памяти на магнитном сердечнике. [24] Технология MOS является основой для современной DRAM. В 1966 году доктор Роберт Х. Деннард в исследовательском центре IBM Thomas J. Watson работал над памятью MOS. Изучая характеристики технологии MOS, он обнаружил, что она способна создавать конденсаторы , и что сохранение заряда или его отсутствие на конденсаторе MOS может представлять 1 и 0 бита, в то время как транзистор MOS может управлять записью заряда на конденсатор. Это привело к разработке им ячейки памяти DRAM с одним транзистором. [21] В 1967 году Деннард подал патент в IBM на ячейку памяти DRAM с одним транзистором, основанную на технологии MOS. [25] Это привело к появлению первой коммерческой микросхемы DRAM, Intel 1103 , в октябре 1970 года. [26] [27] [28] Синхронная динамическая память с произвольным доступом (SDRAM) позже дебютировала с микросхемой Samsung KM48SL2000 в 1992 году. [29] [30]

Термин «память» также часто используется для обозначения энергонезависимой памяти , в частности флэш-памяти . Он берет свое начало в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) было изобретено Вэнь Цин Чжоу в 1956 году, когда он работал в Arma Division американской корпорации Bosch Arma. [31] [32] В 1967 году Давон Канг и Саймон Сзе из Bell Labs предположили, что плавающий затвор полупроводникового устройства МОП может быть использован для ячейки перепрограммируемой постоянной памяти (ПЗУ), что привело к тому, что Дов Фроман из Intel изобрел EPROM (стираемое ПЗУ) в 1971 году. [33] EEPROM (электрически стираемое ПЗУ) было разработано Ясуо Таруи, Ютакой Хаяси и Киёко Нага в Электротехнической лаборатории Министерства международной торговли и промышленности Японии (MITI) в 1972 году. [34] Флэш-память была изобретена Фудзио Масуокой в ​​Toshiba в начале 1980-х годов. [35] [36] Масуока и его коллеги представили изобретение флэш-памяти NOR в 1984 году, [37] а затем флэш-памяти NAND в 1987 году. [38] Toshiba вывела флэш-память NAND на рынок в 1987 году. [39] [40]

Приложения

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "The MOS Memory Market" (PDF) . Integrated Circuit Engineering Corporation . Smithsonian Institution . 1997 . Получено 16 октября 2019 .
  2. ^ "MOS Memory Market Trends" (PDF) . Integrated Circuit Engineering Corporation . Smithsonian Institution . 1998 . Получено 16 октября 2019 .
  3. ^ Veendrick, Harry JM (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ до ASIC. Springer. стр. 314–5. ISBN 9783319475974.
  4. ^ Лин, Вэнь С. (1990). Справочник CRC по проектированию цифровых систем, второе издание. CRC Press. стр. 225. ISBN 0849342724. Архивировано из оригинала 27 октября 2016 . Получено 4 января 2016 .
  5. ^ abc Давуд, Давуд Шенуда; Р. Пеплоу (2010). Проектирование цифровых систем — использование микроконтроллера. River Publishers. стр. 255–258. ISBN 978-8792329400. Архивировано из оригинала 2014-07-06.
  6. ^ "Годовой объем продаж полупроводников увеличился на 21,6 процента, впервые превысив 400 миллиардов долларов". Ассоциация полупроводниковой промышленности . 5 февраля 2018 г. Получено 29 июля 2019 г.
  7. ^ ab Godse, AP; D.A.Godse (2008). Основы вычислений и программирования. Индия: Технические публикации. стр. 1.35. ISBN 978-8184315097. Архивировано из оригинала 2014-07-06.
  8. ^ ab Arora, Ashok (2006). Основы компьютерной науки. Laxmi Publications. стр. 39–41. ISBN 8170089719. Архивировано из оригинала 2014-07-06.
  9. ^ abcde "1966: Полупроводниковые ОЗУ удовлетворяют потребности в высокоскоростном хранении". Музей истории компьютеров . Получено 19 июня 2019 г.
  10. ^ ab "Semiconductor Memory Timeline Notes" (PDF) . Computer History Museum . 8 ноября 2006 г. . Получено 2 августа 2019 г. .
  11. ^ Ортон, Джон В. (2009). Полупроводники и информационная революция: Волшебные кристаллы, которые сделали ИТ возможным. Academic Press . стр. 104. ISBN 978-0-08-096390-7.
  12. ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). «Защита поверхности и селективная маскировка во время диффузии в кремнии». Журнал электрохимического общества . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  13. ^ KAHNG, D. (1961). «Устройство на основе поверхности кремния-диоксида кремния». Технический меморандум Bell Laboratories : 583–596. doi :10.1142/9789814503464_0076. ISBN 978-981-02-0209-5.
  14. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. стр. 321. ISBN 978-3-540-34258-8.
  15. ^ abcd "1970: MOS Dynamic RAM конкурирует с памятью на магнитных сердечниках по цене". Computer History Museum . Получено 29 июля 2019 г. .
  16. ^ Проектирование твердотельных устройств. Том 6. Horizon House. 1965.
  17. ^ "Транзисторы – обзор". ScienceDirect . Получено 8 августа 2019 .
  18. ^ Вуд, Дж.; Болл, Р. (февраль 1965 г.). Использование полевых транзисторов с изолированным затвором в цифровых системах хранения данных . Международная конференция IEEE по твердотельным схемам 1965 г. Сборник технических документов. Том VIII. С. 82–83. doi :10.1109/ISSCC.1965.1157606.
  19. ^ "1968: Разработана технология кремниевых затворов для микросхем". Музей истории компьютеров . Получено 10 августа 2019 г.
  20. ^ Critchlow, DL (2007). «Воспоминания о масштабировании MOSFET». Информационный бюллетень IEEE Solid-State Circuits Society . 12 (1): 19–22. doi : 10.1109/N-SSC.2007.4785536 .
  21. ^ ab "DRAM". IBM100 . IBM . 9 августа 2017 . Получено 20 сентября 2019 .
  22. ^ "Spec Sheet for Toshiba "TOSCAL" BC-1411". Old Calculator Web Museum . Архивировано из оригинала 3 июля 2017 года . Получено 8 мая 2018 года .
  23. ^ Настольный калькулятор Toshiba "Toscal" BC-1411. Архивировано 20 мая 2007 г. на Wayback Machine.
  24. ^ «1966: Полупроводниковые ОЗУ удовлетворяют потребности в высокоскоростном хранении». Музей истории компьютеров .
  25. ^ "Роберт Деннард". Encyclopedia Britannica . Получено 8 июля 2019 г.
  26. ^ "Intel: 35 лет инноваций (1968–2003)" (PDF) . Intel. 2003. Архивировано из оригинала (PDF) 4 ноября 2021 г. . Получено 26 июня 2019 г. .
  27. ^ Память DRAM Роберта Деннарда. history-computer.com.
  28. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии. Springer Science & Business Media . С. 362–363. ISBN 9783540342588. i1103 был изготовлен по технологии P-MOS с 6 масками на кремниевом затворе и минимальными характеристиками 8 мкм. Полученный продукт имел размер 2400 мкм, 2 ячейки памяти, размер кристалла чуть меньше 10 мм 2 и продавался по цене около 21 доллара.
  29. ^ "KM48SL2000-7 Datasheet". Samsung . Август 1992. Получено 19 июня 2019 .
  30. ^ "Electronic Design". Electronic Design . 41 (15–21). Hayden Publishing Company. 1993. Первая коммерческая синхронная DRAM, Samsung 16-Mbit KM48SL2000, использует однобанковую архитектуру, которая позволяет разработчикам систем легко переходить от асинхронных к синхронным системам.
  31. ^ Хан-Вэй Хуан (5 декабря 2008 г.). Проектирование встроенных систем с использованием C805. Cengage Learning. стр. 22. ISBN 978-1-111-81079-5. Архивировано из оригинала 27 апреля 2018 года.
  32. ^ Мари-Од Офор; Эстебан Зимани (17 января 2013 г.). Бизнес-аналитика: Вторая европейская летняя школа, eBISS 2012, Брюссель, Бельгия, 15–21 июля 2012 г., Учебные лекции. Springer. стр. 136. ISBN 978-3-642-36318-4. Архивировано из оригинала 27 апреля 2018 года.
  33. ^ "1971: Представлено повторно используемое полупроводниковое ПЗУ". Computer History Museum . Получено 19 июня 2019 .
  34. ^ Tarui, Y.; Hayashi, Y.; Nagai, K. (1972). «Электрически перепрограммируемая энергонезависимая полупроводниковая память». IEEE Journal of Solid-State Circuits . 7 (5): 369–375. Bibcode : 1972IJSSC...7..369T. doi : 10.1109/JSSC.1972.1052895. ISSN  0018-9200.
  35. Фулфорд, Бенджамин (24 июня 2002 г.). «Невоспетый герой». Forbes . Архивировано из оригинала 3 марта 2008 г. Получено 18 марта 2008 г.
  36. ^ США 4531203  Фудзио Масуока.
  37. ^ "Toshiba: Изобретатель флэш-памяти". Toshiba . Получено 20 июня 2019 .
  38. ^ Масуока, Ф.; Момодоми, М.; Ивата, И.; Широта, Р. (1987). «Новые сверхвысокоплотные EPROM и флэш-EEPROM с ячейкой структуры NAND». Electron Devices Meeting, 1987 International . IEDM 1987. IEEE . doi :10.1109/IEDM.1987.191485.
  39. ^ "1987: Toshiba запускает NAND Flash". eWeek . 11 апреля 2012 г. Получено 20 июня 2019 г.
  40. ^ "1971: Представлено повторно используемое полупроводниковое ПЗУ". Computer History Museum . Получено 19 июня 2019 .
  41. ^ abcdefgh Виндрик, Гарри (2000). Глубоко-субмикронные КМОП-ИС: от основ до ASIC (PDF) (2-е изд.). Kluwer Academic Publishers . стр. 267–8. ISBN 9044001116. Архивировано из оригинала (PDF) 2020-12-06 . Получено 2019-11-14 .
  42. ^ abcdefgh Veendrick, Harry JM (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ до ASIC (2-е изд.). Springer. стр. 315. ISBN 9783319475974.
  43. ^ Veendrick, Harry JM (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ до ASIC (2-е изд.). Springer. стр. 264. ISBN 9783319475974.
  44. ^ Ричард Шоуп (2001). "SuperPaint: ранняя графическая система кадрового буфера" (PDF) . Анналы истории вычислений . IEEE. Архивировано из оригинала (PDF) 2004-06-12.
  45. ^ Goldwasser, SM (июнь 1983). Архитектура компьютера для интерактивного отображения сегментированных изображений. Архитектура компьютера для пространственно распределенных данных. Springer Science & Business Media . стр. 75–94 (81). ISBN 9783642821509.
  46. ^ Виндбахер, Томас (июнь 2010 г.). «Флэш-память». TU Wien . Получено 20 декабря 2019 г.