Halbleitergedächtnis

Halbleitergedächtnis ist ein Digital Electronic Halbleitervorrichtung benutzt für Digitale Datenspeicherung, wie zum Beispiel Computerspeicher. Es bezieht sich normalerweise auf MOS -Speicher, wo Daten innerhalb gespeichert werden Metal -Oxid -Jemonductor (Mos) Gedächtniszellen auf einen Silizium Integrierter Schaltkreis Speicherkarte.[1][2][3] Es gibt zahlreiche verschiedene Typen mit verschiedenen Halbleitertechnologien. Die beiden Hauptarten von Arbeitsspeicher (RAM) sind statischer Widder (SRAM), das mehrere verwendet MOS -Transistoren pro Speicherzelle und Dynamischer RAM (DRAM), der einen MOS -Transistor und A verwendet MOS -Kondensator pro Zelle. Nichtflüchtiger Gedächtnis (wie zum Beispiel Eprom, Eeprom und Flash-Speicher) Verwendet schwebendes Gebiet Gedächtniszellen, die aus einem einzigen bestehen schwimmender Gate MOS-Transistor pro Zelle.

Die meisten Arten des Halbleiterspeichers haben die Eigenschaft von Zufallszugriff,[4] Dies bedeutet, dass der Zugriff auf jeden Speicherort die gleiche Zeit dauert, sodass in jeder zufälligen Reihenfolge auf Daten effizient zugegriffen werden können.[5] Dies steht im Gegensatz zu Datenspeichermedien wie z. Festplatten und CDs Auf die Daten nacheinander und daher können auf die Daten nur in derselben Sequenz zugegriffen werden, die geschrieben wurde. Der Halbleitergedächtnis hat auch viel schneller Zugangszeiten als andere Arten von Datenspeicher; a Byte Daten können in wenigen wenigen in wenigen Semiconductor -Speicher geschrieben oder gelesen werden NanosekundenWährend der Zugriffszeit für die rotierende Lagerung wie Festplatten liegt im Bereich von Millisekunden. Aus diesen Gründen wird es für verwendet HauptspeicherUm das Programm und die Daten zu halten, arbeitet der Computer derzeit unter anderem.

Ab 2017Semiconductor Memory Chips verkaufen 124 Milliarden US -Dollar jährlich 30% der 30% der Halbleiterindustrie.[6] Schichtregister, Prozessorregister, Datenpuffer und andere kleine digitale Register, die keine haben Speicheradresse Decodierungsmechanismus werden normalerweise nicht als als bezeichnet Erinnerung obwohl sie auch digitale Daten speichern.

Beschreibung

Siehe auch: Computerspeicher

In einem Halbleiter -Speicherchip jeweils bisschen von Binärdaten wird in einer winzigen Schaltung namens a gespeichert Speicherzelle bestehend aus einem zu mehreren Transistoren. Die Gedächtniszellen werden in rechteckigen Arrays auf der Oberfläche des Chips angelegt. Die 1-Bit-Gedächtniszellen sind in kleinen Einheiten gruppiert, die genannt werden Wörter auf die gemeinsam als einzelne Speicheradresse zugegriffen werden. Speicher wird in Wortlänge Das ist normalerweise eine Kraft von zwei, normalerweise N= 1, 2, 4 oder 8 Bit.

Daten werden mittels einer binären Nummer zugegriffen, die als a genannt wird Speicheradresse Angewendet auf die Adressstifte des Chips, die angeben, auf welches Wort im Chip zugegriffen werden soll. Wenn die Speicheradresse aus besteht M Bits, die Anzahl der Adressen auf dem Chip beträgt 2M, jeweils ein N Bitwort. Folglich ist die in jedem Chip gespeicherte Datenmenge N2M Bits.[5] Die Speicherspeicherkapazität für M Anzahl von Adresslinien wird durch 2 gegebenM, die normalerweise mit zwei zwei: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 und 512 und gemessen wird Kilobits, Megabits, Gigabits oder Terabitsusw. ab 2014 Die größten Halbleiter -Speicherchips enthalten einige Gigabits von Daten, aber es wird ständig ein höheres Kapazitätsgedächtnis entwickelt. Durch die Kombination mehrerer integrierter Schaltungen kann das Speicher in eine größere Wortlänge und/oder der Adressraum angeordnet werden als von jedem Chip, oft, aber nicht unbedingt ein Kraft von zwei.[5]

Die beiden grundlegenden Operationen, die von einem Speicherchip ausgeführt werden, sind "lesen", in dem der Dateninhalt eines Speicherworts (unbestreitig) vorgelesen wird und"schreiben"In den Daten werden in einem Speicherwort gespeichert, das alle dort gespeicherten Daten ersetzt. Um die Datenrate zu erhöhen, in einigen der neuesten Arten von Speicherchips wie z. DDR SDRAM Mit jeder Lese- oder Schreiboperation werden auf mehrere Wörter zugegriffen.

Zusätzlich zu eigenständigen Speicherchips sind Blöcke des Halbleiterspeichers integrale Teile vieler integrierter Schaltkreise für Computer- und Datenverarbeitung. Zum Beispiel die Mikroprozessor Chips, die Computer ausführen, enthalten Cache-Speicher Anweisungen zu speichern, die auf die Ausführung warten.

Typen

Flüchtiger Speicher

RAM Chips für Computer werden normalerweise abnehmbar Speichermodule wie diese. Der Computer kann zusätzlicher Speicher hinzugefügt werden, indem zusätzliche Module angeschlossen werden.

Flüchtiger Speicher verliert seine gespeicherten Daten, wenn die Leistung des Speicherchips ausgeschaltet ist. Es kann jedoch schneller und kostengünstiger sein als nichtflüchtiges Gedächtnis. Dieser Typ wird für den Hauptspeicher in den meisten Computern verwendet, da Daten auf dem gespeichert werden Festplatte während der Computer ausgeschaltet ist. Haupttypen sind:[7][8]

RAM (Arbeitsspeicher) - Dies ist zu einem generischen Begriff für jeden Halbleitergedächtnis geworden, der im Gegensatz zu ROM geschrieben und aus gelesen werden kann (unter), was nur gelesen werden kann. Alle Halbleiterspeicher, nicht nur RAM, hat die Eigenschaft von Zufallszugriff.

  • Dram (Dynamischer Direktzugriffsspeicher) - Dies verwendet Metal -Oxid -Jemonductor (Mos) Gedächtniszellen bestehend aus einem Mosfet (MOS-Feldeffekttransistor) und einer MOS -Kondensator jedes Stück aufbewahren. Diese Art von RAM ist die billigste und höchste Dichte, daher wird er für den Hauptspeicher in Computern verwendet. Allerdings die elektrische Ladung Das speichert die Daten in den Speicherzellen langsam aus, sodass die Speicherzellen regelmäßig sein müssen erfrischt (neu geschrieben), was zusätzliche Schaltkreise erfordert. Der Aktualisierungsprozess wird intern vom Computer behandelt und ist für seinen Benutzer transparent.
    • FPM Dram (Schneller Seitenmodus Dram) - Eine ältere Art von asynchronem Dram, die sich an früheren Typen verbesserte, indem wiederholte Zugriffe auf eine einzelne "Seite" des Speichers schneller auftreten können. Verwendet Mitte der neunziger Jahre.
    • Edo Dram (Erweiterte Daten dram aus) - Eine ältere Art von asynchronem DRAM, das eine schnellere Zugriffszeit aufwies als frühere Typen, indem sie einen neuen Speicherzugriff initiieren konnten, während Daten aus dem vorherigen Zugriff noch übertragen wurden. Verwendet im späteren Teil der 1990er Jahre.
    • Vram (Video -Zufallszugriffsspeicher) - eine ältere Art von Dual-portiert Speicher einmal für die verwendet Rahmenpuffer von Videoadapter (Grafikkarten).
    • Sdram (Synchroner dynamischer Zufallszugriffsspeicher) - Dieser Schaltkreis zum DRAM -Chip, der alle Vorgänge mit einem Taktsignal synchronisiert, dem Computer hinzugefügt wurde Speicherbus. Dadurch konnte der Chip mehrere Speicheranforderungen gleichzeitig verwendet Pipelining, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Die Daten auf dem Chip sind ebenfalls unterteilt in Banken welches jeweils gleichzeitig an einem Speichervorgang funktionieren kann. Dies wurde bis zum Jahr 2000 zum dominierenden Computerspeicher.
      • DDR SDRAM (Doppeldatenrate SDRAM) - Dies könnte die doppelten Daten (zwei aufeinanderfolgende Wörter) in jedem Taktzyklus von übertragen Doppelpumpen (Übertragen von Daten sowohl an den steigenden als auch an fallenden Kanten des Taktpulses). Erweiterungen dieser Idee sind die aktuelle (2012) -Technik, die zur Erhöhung der Speicherzugriffsrate und des Durchsatzes verwendet wird. Da es sich als schwierig erweist, die interne Taktreite von Speicherchips weiter zu erhöhen, erhöhen diese Chips die Übertragungsrate, indem sie mehr Datenträger in jedem Taktzyklus übertragen
        • DDR2 SDRAM - Übertragung 4 aufeinanderfolgende Wörter pro internem Taktzyklus
        • DDR3 SDRAM - Übertragung 8 aufeinanderfolgende Wörter pro internem Taktzyklus.
        • DDR4 SDRAM - Übertragen Sie 16 aufeinanderfolgende Wörter pro internem Taktzyklus.
      • Rdram (Rambus Dram) - Ein alternativer Doppeldatenrate -Speicherstandard, der für einige Intel -Systeme verwendet wurde, aber letztendlich an DDR SDRAM verloren wurde.
      • Sgram (Synchroner Grafik -RAM) - eine spezialisierte Art von Sdram für Grafikadapter (Grafikkarten). Es kann Grafikoperationen wie z. Bitmaskierung und blockieren und zwei Seiten Speicher gleichzeitig öffnen.
      • HBM (Hohe Bandbreitengedächtnis) - Eine Entwicklung von SDRAM, die in Grafikkarten verwendet wird, die Daten schneller übertragen können. Es besteht aus mehreren Speicherchips, die übereinander gestapelt sind, mit einem breiteren Datenbus.
    • Psram (Pseudostatischer Ram) - Dies ist ein Dram, der Schaltkreise zur Durchführung hat Speicherfrischung Auf dem Chip, so dass es wie SRAM wirkt, so dass der externe Speichercontroller geschlossen werden kann, um Energie zu sparen. Es wird in wenigen verwendet Spielekonsole so wie die Wii.
  • Sram (Statische Zufallszugriffsgedächtnis) - Dies speichert jeweils bisschen von Daten in einer Schaltung namens a Flip Flops, aus 4 bis 6 Transistoren. SRAM ist weniger dicht und teurer als Dram, aber schneller und erfordert nicht Speicherfrischung. Es wird für kleiner verwendet Cache -Erinnerungen in Computern.
  • NOCKEN (Inhaltsadressible Speicher) - Dies ist ein spezieller Typ, bei dem ein Datenwort angewendet wird und der Speicher den Speicherort zurückgibt, wenn das Wort im Speicher gespeichert ist. Es ist größtenteils in anderen Chips wie z. Mikroprozessoren wo es verwendet wird für Cache-Speicher.

Nichtflüchtiger Gedächtnis

Nichtflüchtiger Gedächtnis (NVM) bewahrt die darin gespeicherten Daten in Zeiten, in denen die Stromversorgung des Chips ausgeschaltet ist. Daher wird es für den Speicher in tragbaren Geräten verwendet, die keine Datenträger haben, und für abnehmbar Speicherkarten unter anderem. Haupttypen sind:[7][8]

  • Rom (Nur-Lese-Speicher) - Dies ist so konzipiert, dass dauerhafte Daten aufbewahrt werden, und wird im normalen Betrieb nur gelesen und nicht geschrieben. Obwohl viele Typen geschrieben werden können, ist der Schreibprozess langsam und normalerweise müssen alle Daten im Chip sofort umgeschrieben werden. Es wird normalerweise zum Speichern verwendet Systemsoftware die sofort für den Computer zugänglich sein müssen, wie z. BIOS Programm, das den Computer und die Software startet (Mikrocode) für tragbare Geräte und eingebettete Computer wie z. Mikrocontroller.
    • MROM (Maske programmiertes ROM oder Mask ROM) - In diesem Typ werden die Daten beim Herstellen des Chips in den Chip programmiert, sodass sie nur für große Produktionsläufe verwendet werden. Es kann nicht mit neuen Daten umgeschrieben werden.
    • ABSCHLUSSBALL (Programmierbares schreibgeschütztes Speicher) - In diesem Typ werden die Daten in einen vorhandenen PROM -Chip geschrieben, bevor sie in der Schaltung installiert ist, kann aber nur einmal geschrieben werden. Die Daten werden geschrieben, indem der Chip in ein Gerät namens PROM -Programmierer angeschlossen wird.
    • Eprom (Löschbarer programmierbarer schreibgeschützter Speicher) - In diesem Typ können die darin enthaltenen Daten umgeschrieben werden, indem der Chip von der Leiterplatte entfernt wird und sie einem ausgesetzt wird ultraviolettes Licht So löschen Sie die vorhandenen Daten und stecken Sie sie in einen PROM -Programmierer. Das IC -Paket hat oben ein kleines transparentes "Fenster", um das UV -Licht zuzugeben. Es wird häufig für Prototypen und kleine Produktionsanlagen verwendet, bei denen das Programm möglicherweise in der Fabrik geändert werden muss.
      4m EPROM, das transparentes Fenster zeigt, mit dem der Chip gelöscht wird
    • Eeprom (Elektrisch löschbare programmierbare schreibgeschützte Speicher) - In dieser Art können die Daten elektrisch neu geschrieben werden, während sich der Chip auf der Leiterplatte befindet, der Schreibvorgang ist jedoch langsam. Dieser Typ wird verwendet, um zu halten Firmware, der niedrige Microcode, der Hardware -Geräte ausführt, wie die BIOS Programm in den meisten Computern, damit es aktualisiert werden kann.
  • NVRAM (Nichtflüchtiger Zufallszugriffsgedächtnis))
  • Flash-Speicher - In diesem Typ ist der Schreibprozess zwischen Eepromen und RAM -Speicher mittelschwer; Es kann geschrieben werden, aber nicht schnell genug, um als Hauptgedächtnis zu dienen. Es wird oft als Halbleiterversion von a verwendet Festplatte, um Dateien zu speichern. Es wird in tragbaren Geräten wie PDAs verwendet. USB -Flash -Laufwerkeund abnehmbar Speicherkarten benutzt in Digitalkameras und Handys.

Geschichte

Siehe auch: Computerspeicher und Speicherzelle (Computing)

Frühzeitig Computerspeicher bestand aus Magnetkerngedächtnis, so früh Festkörper elektronisch Halbleiter, einschließlich Transistoren so wie die Bipolar -Junction -Transistor (BJT) waren für die Verwendung als digitale Speicherelemente unpraktisch (Gedächtniszellen). Der früheste Halbleitergedächtnis geht bis in die frühen 1960er Jahre mit bipolarem Gedächtnis zurück, bei dem bipolare Transistoren verwendet wurden.[9] Bipolarer Halbleitergedächtnis aus diskrete Geräte wurde zuerst von verschickt von Texas Instrumente zum Luftwaffe der Vereinigten Staaten Im Jahr 1961. Im selben Jahr das Konzept von fester Zustand Speicher auf ein Integrierter Schaltkreis (IC) Chip wurde vorgeschlagen von Anwendungsingenieur Bob Norman at Fairchild Semiconductor.[10] Der erste bipolare Semiconductor Memory IC -Chip war der SP95, der von eingeführt wurde IBM 1965.[9][10] Während das bipolare Gedächtnis eine verbesserte Leistung über das Magnetkerngedächtnis bot, konnte er nicht mit dem niedrigeren Preis für Magnetkerngedächtnis konkurrieren, der bis Ende der 1960er Jahre dominant blieb.[9] Der bipolare Gedächtnis konnte den Magnetkerngedächtnis nicht ersetzen, weil bipolar Flip Flops Schaltkreise waren zu groß und zu teuer.[11]

MOS -Speicher

Siehe auch: Mosfet

Das Aufkommen der Metal-Oxid-Jemonial-Feld-Effekt-Transistor (MOSFET),[12] erfunden von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng bei Bell Labs im Jahr 1959,[13] ermöglichte die praktische Verwendung von Metal -Oxid -Jemonductor (MOS) Transistoren als Speicherzelle Speicherelemente, eine Funktion, die zuvor von bedient wurde von Magnetkerne in Computerspeicher.[12] MOS -Gedächtnis wurde von John Schmidt bei entwickelt Fairchild Semiconductor 1964.[14][15] Zusätzlich zu einer höheren Leistung war der MOS-Speicher billiger und verbrauchte weniger Leistung als Magnet-Core-Speicher.[14] Dies führte dazu, dass MOSFETs schließlich Magnetkerne als Standardspeicherelemente im Computerspeicher ersetzten.[12]

Im Jahr 1965 J. Wood und R. Ball of the Royal Radar Establishment Vorgeschlagene digitale Speichersysteme, die verwenden CMOs (komplementäre MOS) Gedächtniszellen zusätzlich zu MOSFET Stromversorgungsgeräte für die Energieversorgung, umschaltete Kreuzkopplung, Schalter und Verzögerungsleitungsspeicher.[16] Die Entwicklung von Silizium-Gate MOS -integrierte Schaltung (MOS IC) -Technologie von Federico Faggin 1968 in Fairchild ermöglichte die Produktion von MOs Speicher Chips.[17] Nmos Das Gedächtnis wurde kommerzialisiert von IBM In den frühen 1970er Jahren.[18] Das MOS -Gedächtnis überholte das magnetische Kerngedächtnis in den frühen 1970er Jahren als dominierende Gedächtnis -Technologie.[14]

Der Begriff "Speicher", wenn es unter Bezugnahme auf Computer verwendet wird Arbeitsspeicher (RAM). Die beiden Haupttypen von flüchtigem RAM sind Statische Zufallszugriffsgedächtnis (Sram) und Dynamischer Direktzugriffsspeicher (Dram). Das bipolare SRAM wurde 1963 von Robert Norman bei Fairchild Semiconductor erfunden.[9] gefolgt von der Entwicklung von Mos Sram von John Schmidt in Fairchild im Jahr 1964.[14] SRAM wurde eine Alternative zum Magnetkerngedächtnis, benötigte jedoch jeweils sechs MOS-Transistoren bisschen von Dateien.[19] Die kommerzielle Verwendung von SRAM begann 1965, als IBM ihren SP95 SRAM -Chip für die vorstellte System/360 Modell 95.[9]

Toshiba Einführte bipolare Dram Gedächtniszellen für seinen Toscal BC-1411 elektronischer Taschenrechner 1965.[20][21] Während es eine verbesserte Leistung über das Magnetkerngedächtnis bot, konnte das bipolare Dram nicht mit dem niedrigeren Preis des damals dominanten Magnetkerngedächtnisses konkurrieren.[22] Die MOS -Technologie ist die Grundlage für moderne DRAM. 1966 Dr. Dr. Robert H. Dennard Bei der IBM Thomas J. Watson Research Center arbeitete am MOS -Speicher. Bei der Untersuchung der Eigenschaften der MOS -Technologie stellte er fest, dass es bauen konnte Kondensatorenund die Aufbewahrung einer Gebühr oder keine Gebühr für den MOS -Kondensator könnte das 1 und 0 eines Stücks darstellen, während der MOS -Transistor die Schreibweise an den Kondensator steuern könnte. Dies führte zu seiner Entwicklung einer einzeltransistorischen Dram-Speicherzelle.[19] 1967 reichte Dennard ein Patent unter IBM für eine eintransistorige Dram-Speicherzelle ein, die auf der MOS-Technologie basiert.[23] Dies führte zum ersten kommerziellen Dram -IC -Chip, der Intel 1103, im Oktober 1970.[24][25][26] Synchroner dynamischer Zufallszugriffsspeicher (SDRAM) später mit dem debütierte Samsung KM48SL2000 -Chip im Jahr 1992.[27][28]

Der Begriff "Speicher" wird häufig auch verwendet, um sich darauf zu beziehen Nichtflüchtiger Gedächtnis, speziell Flash-Speicher. Es hat Ursprung in Nur-Lese-Speicher (ROM). Programmierbares schreibgeschütztes Speicher (Abschlussball) wurde von erfunden von Wen Tsing Chow 1956 bei der Arbeit für die Arma -Division der American Bosch Arma Corporation.[29][30] Im Jahr 1967, Dawon Kahng und Simon Sze von Bell Labs schlugen vor, dass die schwimmendes Tor eines Mos Halbleitervorrichtung könnte für die Zelle eines neuprogrammierbaren verwendet werden Nur-Lese-Speicher (ROM), was zu Dov Frohman von Intel Erfindung Eprom (Erlösersabschluss) im Jahr 1971.[31] Eeprom (Elektrisch löschbarem Abschlussball) wurde von Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi und Kiyoko Naga im The entwickelt Elektrotechnisches Labor 1972.[32] Flash -Speicher wurde von erfunden von Fujio Masuoka bei Toshiba In den frühen 1980er Jahren.[33][34] Masuoka und Kollegen präsentierten die Erfindung von Noch Blitz 1984,,[35] und dann Nand Flash 1987.[36] Toshiba kommerzialisierte NAND Flash -Speicher im Jahr 1987.[37][38]

Anwendungen

Siehe auch: Liste der MOSFET -Anwendungen
MOS -Speicheranwendungen
MOS -Speichertyp Abbr. Mos Speicherzelle Anwendungen
Statische Zufallszugriffsgedächtnis Sram Mosfets Cache-Speicher, Handys, Esram, Mainframes, Multimedia -Computer, Networking, persönliche Computer, Server, Supercomputer, Telekommunikation, Arbeitsstationen,[39] DVD Scheibenpuffer,[40] Datenpuffer,[41] Nichtflüchtiger BIOS -Gedächtnis
Dynamischer Direktzugriffsspeicher Dram Mosfet, MOS -Kondensator Camcorder, eingebettete Logik, edram, Grafikkarte, Festplatte (HDD), Netzwerke, PCs, Computer, persönliche digitale Assistenten, Drucker,[39] Hauptcomputerspeicher, Desktop-Computer, Server, Solid State Drives, Videospeicher,[40] Bildspeicher, Framebuffer Erinnerung[42][43]
Ferroelektrischer Zufallszugriffsgedächtnis Fram MOSFET, MOS -Kondensator Nichtflüchtiger Gedächtnis, Radiofrequenz-Identifikation (RF -Identifizierung), Smartcards[39][40]
Nur-Lese-Speicher Rom Mosfet Zeichengeneratoren, elektronische Musikinstrumente, Laserdrucker Schriftarten, Videospiel ROM -Kartuschen, Textverarbeitungssystem Wörterbuch Daten[39][40]
Löschbarer programmierbarer schreibgeschützter Speicher Eprom Schwimmend-gate MOSFET CD-ROM-Laufwerke, eingebettet Erinnerung, Code Lagerung, Modems[39][40]
Elektrisch löschbare programmierbare schreibgeschützte Speicher Eeprom Schwimmend-gate MOSFET Anti-Lock-Bremssysteme, Airbags, Auto Radios, Handys, Unterhaltungselektronik, Schnurlose Telefone, Laufwerke, eingebetteter Gedächtnis, Flugcontroller, Militärtechnologie, Modems, Pager, Drucker, Set-Top-Box, Smartcards[39][40]
Flash-Speicher Blinken Schwimmend-gate MOSFET AN EINER Controller, batteriebetrieben Anwendungen, Telekommunikation, Codespeicher, Digitalkameras, Mp3-Player, Tragbare Medienspieler, BIOS -Speicher,[39] USB-Stick,[44] Digitales Fernsehen, E-Books, Speicherkarten, mobile Geräte, Set-Top-Box, Smartphones, Solid State Drives, Tablet -Computer[40]
Nichtflüchtiger Zufallszugriffsgedächtnis NVRAM Schwimmende Gate-MOSFETs Medizinische Ausrüstung, Raumfahrzeug[39][40]

Siehe auch

Verweise

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