Ячейка памяти является основным строительным блоком компьютерной памяти . Ячейка памяти представляет собой электронную схему , которая хранит один бит двоичной информации, и она должна быть установлена для хранения логической 1 ( высокий уровень напряжения) и сброшена для хранения логического 0 (низкий уровень напряжения). Ее значение сохраняется/хранится до тех пор, пока не будет изменено процессом установки/сброса. Доступ к значению в ячейке памяти можно получить, прочитав его.
На протяжении всей истории вычислений использовались различные архитектуры ячеек памяти, включая память на сердечниках и пузырьковую память . Сегодня [ по состоянию на? ] наиболее распространенной архитектурой ячеек памяти является МОП-память , которая состоит из ячеек памяти металл-оксид-полупроводник (МОП). Современная память с произвольным доступом (ОЗУ) использует МОП-транзисторы с полевым эффектом (МОП-транзисторы) в качестве триггеров, а также МОП-конденсаторы для определенных типов ОЗУ.
Ячейка памяти SRAM ( статическая RAM ) представляет собой тип триггерной схемы, обычно реализуемой с использованием МОП-транзисторов. Им требуется очень мало энергии для сохранения сохраненного значения, когда к ним не осуществляется доступ. Второй тип, DRAM ( динамическая RAM ), основан на МОП-конденсаторах. Зарядка и разрядка конденсатора может сохранять в ячейке либо «1», либо «0». Однако, поскольку заряд в конденсаторе медленно рассеивается, его необходимо периодически обновлять. Из-за этого процесса обновления DRAM потребляет больше энергии, но может достигать более высокой плотности хранения.
С другой стороны, большинство энергонезависимой памяти (NVM) основано на архитектурах ячеек памяти с плавающим затвором . Технологии энергонезависимой памяти, такие как EPROM , EEPROM и флэш-память , используют ячейки памяти с плавающим затвором, которые полагаются на транзисторы MOSFET с плавающим затвором .
Ячейка памяти является фундаментальным строительным блоком памяти. Она может быть реализована с использованием различных технологий, таких как биполярные , МОП и другие полупроводниковые устройства . Она также может быть построена из магнитного материала, такого как ферритовые сердечники или магнитные пузырьки. [1] Независимо от используемой технологии реализации, цель двоичной ячейки памяти всегда одна и та же. Она хранит один бит двоичной информации, доступ к которой можно получить путем чтения ячейки, и она должна быть установлена для хранения 1 и сброшена для хранения 0. [2]
Логические схемы без ячеек памяти называются комбинационными , то есть выход зависит только от текущего входа. Но память является ключевым элементом цифровых систем . В компьютерах она позволяет хранить как программы, так и данные, а ячейки памяти также используются для временного хранения выходных данных комбинационных схем для последующего использования цифровыми системами. Логические схемы, которые используют ячейки памяти, называются последовательными схемами , то есть выход зависит не только от текущего входа, но и от истории прошлых входов. Эта зависимость от истории прошлых входов делает эти схемы сохраняющими состояние , и именно ячейки памяти хранят это состояние. Для работы этих схем требуется генератор синхронизации или тактовый генератор. [3]
Компьютерная память, используемая в большинстве современных компьютерных систем , в основном состоит из ячеек DRAM; поскольку компоновка намного меньше, чем у SRAM, она может быть упакована более плотно, что дает более дешевую память с большей емкостью. Поскольку ячейка памяти DRAM хранит свое значение в виде заряда конденсатора, и существуют проблемы с утечкой тока, ее значение должно постоянно перезаписываться. Это одна из причин, по которой ячейки DRAM медленнее, чем более крупные ячейки SRAM (статическая оперативная память), в которых ее значение всегда доступно. Вот почему память SRAM используется для кэша на кристалле, включенного в современные микропроцессорные чипы. [4]
11 декабря 1946 года Фредди Уильямс подал заявку на патент на свое запоминающее устройство на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) ( трубка Уильямса ) с 128 40- битными словами. Оно было введено в эксплуатацию в 1947 году и считается первой практической реализацией оперативной памяти (ОЗУ). [5] В том же году первые патентные заявки на память на магнитных сердечниках были поданы Фредериком Вие. [6] [7] Практическая память на магнитных сердечниках была разработана Ань Ваном в 1948 году и усовершенствована Джеем Форрестером и Яном А. Райхманом в начале 1950-х годов, прежде чем была коммерциализирована с помощью компьютера Whirlwind в 1953 году. [8] Кен Олсен также внес свой вклад в ее разработку. [9]
Полупроводниковая память появилась в начале 1960-х годов с биполярными ячейками памяти, сделанными из биполярных транзисторов . Хотя она улучшила производительность, она не могла конкурировать с более низкой ценой памяти на магнитных сердечниках. [10]
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 смежными на поверхности. [11] Впоследствии группа продемонстрировала работающий МОП-транзистор в Bell Labs в 1960 году. [12] [13] Изобретение МОП-транзистора позволило на практике использовать транзисторы металл-оксид-полупроводник (МОП) в качестве элементов памяти, функцию которых ранее выполняли магнитные сердечники . [14]
Первые современные ячейки памяти были представлены в 1964 году, когда Джон Шмидт разработал первую 64-битную p-канальную МОП-память ( PMOS ) с произвольным доступом (SRAM). [15] [16]
SRAM обычно имеет ячейки с шестью транзисторами , тогда как DRAM (динамическая память с произвольным доступом) обычно имеет ячейки с одним транзистором. [17] [15] В 1965 году электронный калькулятор Toscal BC-1411 компании Toshiba использовал форму емкостной биполярной DRAM, сохраняя 180-битные данные на дискретных ячейках памяти, состоящих из германиевых биполярных транзисторов и конденсаторов. [18] [19] Технология MOS является основой для современной DRAM. В 1966 году 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. [20] В 1967 году Деннард подал патент на однотранзисторную ячейку памяти DRAM, основанную на технологии МОП. [21]
Первая коммерческая биполярная 64-битная SRAM была выпущена Intel в 1969 году с 3101 Schottky TTL . Год спустя она выпустила первую микросхему DRAM , Intel 1103 , основанную на технологии MOS. К 1972 году она побила предыдущие рекорды по продажам полупроводниковой памяти . [22] Микросхемы DRAM в начале 1970-х имели трехтранзисторные ячейки, прежде чем однотранзисторные ячейки стали стандартом с середины 1970-х годов. [17] [15]
Память CMOS была коммерциализирована компанией RCA , которая выпустила 288-битный чип памяти CMOS SRAM в 1968 году. [23] Изначально память CMOS была медленнее, чем память NMOS , которая более широко использовалась компьютерами в 1970-х годах. [24] В 1978 году компания Hitachi представила двухъярусный процесс CMOS с чипом памяти HM6147 (4 кб SRAM), изготовленным с помощью 3-мкм процесса . Чип HM6147 смог сравниться по производительности с самым быстрым чипом памяти NMOS в то время, в то время как HM6147 также потреблял значительно меньше энергии. При сопоставимой производительности и гораздо меньшем энергопотреблении двухъярусный процесс CMOS в конечном итоге обогнал NMOS как наиболее распространенный процесс производства полупроводников для компьютерной памяти в 1980-х годах. [24]
Два наиболее распространенных типа ячеек памяти DRAM с 1980-х годов — ячейки с траншейными конденсаторами и ячейки со стекированными конденсаторами. [25] Ячейки с траншейными конденсаторами — это ячейки, в которых в кремниевой подложке сделаны отверстия (траншеи), боковые стенки которых используются в качестве ячейки памяти, тогда как ячейки со стекированными конденсаторами являются самой ранней формой трехмерной памяти (3D-памяти), где ячейки памяти укладываются вертикально в трехмерную структуру ячеек. [26] Оба дебютировали в 1984 году, когда Hitachi представила память с траншейными конденсаторами, а Fujitsu — память со стекированными конденсаторами. [25]
Плавающий затвор MOSFET ( FGMOS) был изобретен Давоном Кангом и Саймоном Сзе в Bell Labs в 1967 году. [27] Они предложили концепцию ячеек памяти с плавающим затвором, используя транзисторы FGMOS, которые могли быть использованы для создания перепрограммируемого ПЗУ (постоянного запоминающего устройства). [28] Ячейки памяти с плавающим затвором позже стали основой для технологий энергонезависимой памяти (NVM), включая EPROM (стираемое программируемое ПЗУ), EEPROM (электрически стираемое программируемое ПЗУ) и флэш-память . [29]
Флэш-память была изобретена Фудзио Масуокой в Toshiba в 1980 году. [30] [31] Масуока и его коллеги представили изобретение NOR-флэш-памяти в 1984 году, [32] а затем NAND-флэш-память в 1987 году. [33] Многоуровневая ячейка (MLC) флэш-памяти была представлена компанией NEC , которая продемонстрировала четырехуровневые ячейки в 64- мегабайтном флэш-чипе, хранящем 2 бита на ячейку, в 1996 году. [25] 3D V-NAND , где ячейки флэш-памяти уложены вертикально с использованием технологии 3D- зарядной ловушки флэш-памяти (CTP), была впервые анонсирована Toshiba в 2007 году, [34] и впервые произведена в коммерческих целях компанией Samsung Electronics в 2013 году. [35] [36]
На следующих схемах подробно описаны три наиболее часто используемые реализации ячеек памяти:
Триггер имеет множество различных реализаций, его элементом хранения обычно является защелка, состоящая из петли вентиля NAND или петли вентиля NOR с дополнительными вентилями, используемыми для реализации тактирования. Его значение всегда доступно для чтения в качестве выходного сигнала. Значение сохраняется до тех пор, пока не будет изменено посредством процесса установки или сброса. Триггеры обычно реализуются с использованием МОП-транзисторов .
Ячейки памяти с плавающим затвором , основанные на МОП-транзисторах с плавающим затвором , используются для большинства технологий энергонезависимой памяти (NVM), включая EPROM , EEPROM и флэш-память . [29] По словам Р. Беза и А. Пировано:
Ячейка памяти с плавающим затвором в основном представляет собой МОП- транзистор с затвором, полностью окруженным диэлектриками (рис. 1.2), плавающим затвором (FG), и электрически управляемым емкостно-связанным управляющим затвором (CG). Будучи электрически изолированным, FG действует как электрод хранения для устройства ячейки. Заряд, инжектированный в FG, сохраняется там, позволяя модулировать «кажущееся» пороговое напряжение (т. е. VT, видимое из CG) транзистора ячейки. [29]
