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 количества M 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 которой 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
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 ( динамическая оперативная память ) — 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, поскольку имел возможность 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 место 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 ультрафиолета 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.
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 в Fairchild Semiconductor в 1963 году, [9] после чего Джон Шмидт в Fairchild разработал MOS SRAM в 1964 году. [14] SRAM стала альтернативой памяти на магнитных сердечниках, 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 отсутствие 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. [ 27] [28]
^Veendrick, Harry J. M. (2017). Nanometer CMOS ICs: From Basics to ASICs. Springer. pp. 314–5. ISBN 9783319475974.
^Lin, Wen C. (1990). CRC Handbook of Digital System Design, Second Edition. CRC Press. p. 225. ISBN 0849342724. Archived from the original on 27 October 2016. Retrieved 4 January 2016.
^ a b cDawoud, Dawoud Shenouda; R. Peplow (2010). Digital System Design - Use of Microcontroller. River Publishers. pp. 255–258. ISBN 978-8792329400. Archived from the original on 2014-07-06.
^"Annual Semiconductor Sales Increase 21.6 Percent, Top $400 Billion for First Time". Semiconductor Industry Association. 5 February 2018. Retrieved 29 July 2019.
^ a bGodse, A.P.; D.A.Godse (2008). Fundamentals of Computing and Programing. India: Technical Publications. p. 1.35. ISBN 978-8184315097. Archived from the original on 2014-07-06.
^ a bArora, Ashok (2006). Foundations of Computer Science. Laxmi Publications. pp. 39–41. ISBN 8170089719. Archived from the original on 2014-07-06.
^ a b c d e"1966: Semiconductor RAMs Serve High-speed Storage Needs". Computer History Museum. Retrieved 19 June 2019.
^ a b"Semiconductor Memory Timeline Notes" (PDF). Computer History Museum. November 8, 2006. Retrieved 2 August 2019.
^Orton, John W. (2009). Semiconductors and the Information Revolution: Magic Crystals that made IT Happen. Academic Press. p. 104. ISBN 978-0-08-096390-7.
^ a b c"Transistors – an overview". ScienceDirect. Retrieved 8 August 2019.
^"1960 – Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated". The Silicon Engine. Computer History Museum.
^ a b c d"1970: MOS Dynamic RAM Competes with Magnetic Core Memory on Price". Computer History Museum. Retrieved 29 July 2019.
^Solid State Design. Vol. 6. Horizon House. 1965.
^Wood, J.; Ball, R. (February 1965). The use of insulated-gate field-effect transistors in digital storage systems. 1965 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. Vol. VIII. pp. 82–83. doi:10.1109/ISSCC.1965.1157606.
^"1968: Silicon Gate Technology Developed for ICs". Computer History Museum. Retrieved 10 August 2019.
^Critchlow, D. L. (2007). "Recollections on MOSFET Scaling". IEEE Solid-State Circuits Society Newsletter. 12 (1): 19–22. doi:10.1109/N-SSC.2007.4785536.
^ a b"DRAM". IBM100. IBM. 9 August 2017. Retrieved 20 September 2019.
^"Spec Sheet for Toshiba "TOSCAL" BC-1411". Old Calculator Web Museum. Archived from the original on 3 July 2017. Retrieved 8 May 2018.
^Toshiba "Toscal" BC-1411 Desktop Calculator Archived 2007-05-20 at the Wayback Machine
^"1966: Semiconductor RAMs Serve High-speed Storage Needs". Computer History Museum.
^"Intel: 35 Years of Innovation (1968–2003)" (PDF). Intel. 2003. Archived from the original (PDF) on 4 November 2021. Retrieved 26 June 2019.
^The DRAM memory of Robert Dennard. history-computer.com.
^Lojek, Bo (2007). History of Semiconductor Engineering. Springer Science & Business Media. pp. 362–363. ISBN 9783540342588. The i1103 was manufactured on a 6-mask silicon-gate P-MOS process with 8 μm minimum features. The resulting product had a 2,400 µm, 2 memory cell size, a die size just under 10 mm2, and sold for around $21.
^"KM48SL2000-7 Datasheet". Samsung. August 1992. Retrieved 19 June 2019.
^"Electronic Design". Electronic Design. 41 (15–21). Hayden Publishing Company. 1993. The first commercial synchronous DRAM, the Samsung 16-Mbit KM48SL2000, employs a single-bank architecture that lets system designers easily transition from asynchronous to synchronous systems.
^Han-Way Huang (5 December 2008). Embedded System Design with C805. Cengage Learning. p. 22. ISBN 978-1-111-81079-5. Archived from the original on 27 April 2018.
^Marie-Aude Aufaure; Esteban Zimányi (17 January 2013). Business Intelligence: Second European Summer School, eBISS 2012, Brussels, Belgium, July 15–21, 2012, Tutorial Lectures. Springer. p. 136. ISBN 978-3-642-36318-4. Archived from the original on 27 April 2018.
^"1971: Reusable semiconductor ROM introduced". Computer History Museum. Retrieved 19 June 2019.
^Fulford, Benjamin (24 June 2002). "Unsung hero". Forbes. Archived from the original on 3 March 2008. Retrieved 18 March 2008.
^US 4531203 Fujio Masuoka.
^"Toshiba: Inventor of Flash Memory". Toshiba. Retrieved 20 June 2019.
^Masuoka, F.; Momodomi, M.; Iwata, Y.; Shirota, R. (1987). "New ultra high density EPROM and flash EEPROM with NAND structure cell". Electron Devices Meeting, 1987 International. IEDM 1987. IEEE. doi:10.1109/IEDM.1987.191485.
^"1987: Toshiba Launches NAND Flash". eWeek. April 11, 2012. Retrieved 20 June 2019.
^"1971: Reusable semiconductor ROM introduced". Computer History Museum. Retrieved 19 June 2019.
^ a b c d e f g hVeendrick, Harry (2000). Deep-Submicron CMOS ICs: From Basics to ASICs (PDF) (2nd ed.). Kluwer Academic Publishers. pp. 267–8. ISBN 9044001116. Archived from the original (PDF) on 2020-12-06. Retrieved 2019-11-14.
^ a b c d e f g hVeendrick, Harry J. M. (2017). Nanometer CMOS ICs: From Basics to ASICs (2nd ed.). Springer. p. 315. ISBN 9783319475974.
^Veendrick, Harry J. M. (2017). Nanometer CMOS ICs: From Basics to ASICs (2nd ed.). Springer. p. 264. ISBN 9783319475974.
^Richard Shoup (2001). "SuperPaint: An Early Frame Buffer Graphics System" (PDF). Annals of the History of Computing. IEEE. Archived from the original (PDF) on 2004-06-12.
^Goldwasser, S.M. (June 1983). Computer Architecture For Interactive Display Of Segmented Imagery. Computer Architectures for Spatially Distributed Data. Springer Science & Business Media. pp. 75–94 (81). ISBN 9783642821509.
^Windbacher, Thomas (June 2010). "Flash Memory". TU Wien. Retrieved 20 December 2019.