Speicherzelle (Computer) - Memory cell (computing)

Layout für die Siliziumimplementierung einer SRAM-Speicherzelle mit sechs Transistoren.

Die Speicherzelle ist der grundlegende Baustein des Computerspeichers . Die Speicherzelle ist eine elektronische Schaltung , die ein Bit binärer Information speichert und die so eingestellt werden muss, dass sie eine logische 1 (hoher Spannungspegel) speichert und zurückgesetzt werden muss, um eine logische 0 (niedriger Spannungspegel) zu speichern. Sein Wert wird beibehalten/gespeichert, bis er durch den Set/Reset-Vorgang geändert wird. Auf den Wert in der Speicherzelle kann durch Lesen zugegriffen werden.

Im Laufe der Geschichte der Computertechnik wurden verschiedene Speicherzellenarchitekturen verwendet, einschließlich Kernspeicher und Blasenspeicher . Heute ist die gebräuchlichste Speicherzellenarchitektur MOS-Speicher , der aus Metall-Oxid-Halbleiter- (MOS)-Speicherzellen besteht. Moderne Direktzugriffsspeicher (RAM) verwenden MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) als Flip-Flops zusammen mit MOS-Kondensatoren für bestimmte RAM-Typen.

Die SRAM- Speicherzelle ( statischer RAM ) ist eine Art Flip-Flop- Schaltung, die typischerweise unter Verwendung von MOSFETs implementiert wird. Diese benötigen eine sehr geringe Leistung, um den gespeicherten Wert beizubehalten, wenn nicht darauf zugegriffen wird. Ein zweiter Typ, DRAM ( dynamischer RAM ), basiert auf MOS-Kondensatoren. Das Laden und Entladen eines Kondensators kann eine „1“ oder eine „0“ in der Zelle speichern. Die Ladung in diesem Kondensator entweicht jedoch langsam und muss regelmäßig aufgefrischt werden. Aufgrund dieses Auffrischprozesses verbraucht DRAM mehr Leistung. DRAM kann jedoch größere Speicherdichten erreichen.

Andererseits basieren die meisten nichtflüchtigen Speicher (NVM) auf Floating-Gate- Speicherzellenarchitekturen. Nichtflüchtige Speichertechnologien einschließlich EPROM , EEPROM und Flash-Speicher verwenden Floating-Gate-Speicherzellen, die auf Floating-Gate-MOSFET- Transistoren basieren .

Beschreibung

Die Speicherzelle ist der grundlegende Baustein des Gedächtnisses. Es kann unter Verwendung verschiedener Technologien implementiert werden, wie zum Beispiel Bipolar- , MOS- und andere Halbleiterbauelemente . Es kann auch aus magnetischem Material wie Ferritkernen oder Magnetblasen gebaut werden. Unabhängig von der verwendeten Implementierungstechnologie ist der Zweck der binären Speicherzelle immer der gleiche. Es speichert ein Bit binärer Informationen, auf das durch Lesen der Zelle zugegriffen werden kann, und es muss so eingestellt werden, dass es eine 1 speichert und zurückgesetzt wird, um eine 0 zu speichern.

Bedeutung

Quadratisches Array von DRAM-Speicherzellen, die gelesen werden

Logikschaltungen ohne Speicherzellen oder Rückkopplungspfade werden als kombinatorisch bezeichnet , ihre Ausgangswerte hängen nur vom aktuellen Wert ihrer Eingangswerte ab. Sie haben kein Gedächtnis. Aber Gedächtnis ist ein Schlüsselelement digitaler Systeme . In Computern ermöglicht es die Speicherung sowohl von Programmen als auch von Daten, und Speicherzellen werden auch zum vorübergehenden Speichern der Ausgabe von kombinatorischen Schaltungen verwendet, die später von digitalen Systemen verwendet werden. Logikschaltungen, die Speicherzellen verwenden, werden sequentielle Schaltungen genannt . Sein Ausgang hängt nicht nur vom aktuellen Wert seiner Eingänge ab, sondern auch vom vorherigen Zustand der Schaltung, der durch die in seinen Speicherzellen gespeicherten Werte bestimmt wird. Diese Schaltungen benötigen für ihren Betrieb einen Zeitgeber oder Taktgeber.

Der in den meisten zeitgenössischen Computersystemen verwendete Computerspeicher besteht hauptsächlich aus DRAM-Zellen; Da das Layout viel kleiner als bei SRAM ist, kann es dichter gepackt werden, was zu einem billigeren Speicher mit größerer Kapazität führt. Da die DRAM-Speicherzelle ihren Wert als Ladung eines Kondensators speichert und Stromleckprobleme auftreten, muss ihr Wert ständig neu geschrieben werden. Dies ist einer der Gründe dafür, dass DRAM-Zellen langsamer sind als die größeren SRAM-Zellen (statischer RAM), deren Wert immer verfügbar ist. Aus diesem Grund wird SRAM-Speicher für den On- Chip- Cache verwendet, der in modernen Mikroprozessorchips enthalten ist .

Geschichte

32x32- Kern- Speicherebene mit 1024 Datenbits . 

Am 11. Dezember 1946 meldete Freddie Williams ein Patent auf seine Kathodenstrahlröhre (CRT)-Speichervorrichtung ( Williams-Röhre ) mit 128 40- Bit- Wörtern an. Es wurde 1947 in Betrieb genommen und gilt als die erste praktische Implementierung von Random Access Memory (RAM). In diesem Jahr wurden die ersten Patentanmeldungen für Magnetkernspeicher von Frederick Viehe eingereicht. Ein praktischer Magnetkernspeicher wurde 1948 von An Wang entwickelt und Anfang der 1950er Jahre von Jay Forrester und Jan A. Rajchman verbessert , bevor er 1953 mit dem Whirlwind- Computer kommerzialisiert wurde. Ken Olsen trug ebenfalls zu seiner Entwicklung bei.

Halbleiterspeicher begannen in den frühen 1960er Jahren mit bipolaren Speicherzellen, die aus bipolaren Transistoren bestanden . Obwohl es die Leistung verbesserte, konnte es nicht mit dem niedrigeren Preis von Magnetkernspeichern mithalten.

MOS-Speicherzellen

Intel 1103 , ein 1970er Metall-Oxid-Halbleiter (MOS ) -Chip mit dynamischem Direktzugriffsspeicher (DRAM) .

Die Erfindung des MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), auch bekannt als MOS-Transistor, durch Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs im Jahr 1959 ermöglichte den praktischen Einsatz von Metall-Oxid-Halbleiter (MOS ) Transistoren als Speicherelemente für Speicherzellen, eine Funktion, die früher von Magnetkernen erfüllt wurde . Die ersten modernen Speicherzellen wurden 1964 eingeführt, als John Schmidt den ersten statischen 64-Bit-p-Kanal-MOS ( PMOS ) statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM) entwarf .

SRAM hat typischerweise Zellen mit sechs Transistoren , während DRAM (dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff) typischerweise Zellen mit einem Transistor hat. Im Jahr 1965 verwendete der elektronische Taschenrechner Toscal BC-1411 von Toshiba eine Form eines kapazitiven bipolaren DRAM, der 180-Bit-Daten auf diskreten Speicherzellen speicherte, die aus bipolaren Germaniumtransistoren und Kondensatoren bestanden. Die MOS-Technologie ist die Basis für modernes DRAM. 1966 arbeitete Dr. Robert H. Dennard am IBM Thomas J. Watson Research Center an MOS-Speicher. Bei der Untersuchung der Eigenschaften der MOS-Technologie stellte er fest, dass sie in der Lage war, Kondensatoren zu bauen , und dass das Speichern einer Ladung oder keine Ladung auf dem MOS-Kondensator die 1 und 0 eines Bits darstellen könnte, während der MOS-Transistor das Schreiben der Ladung in den MOS steuern konnte Kondensator. Dies führte zu seiner Entwicklung einer Einzeltransistor-DRAM-Speicherzelle. 1967 meldete Dennard ein Patent für eine Eintransistor-DRAM-Speicherzelle auf Basis der MOS-Technologie an.

Der erste kommerzielle bipolare 64-Bit- SRAM wurde 1969 von Intel mit dem 3101 Schottky TTL veröffentlicht . Ein Jahr später veröffentlichte es den ersten DRAM - Chip mit integrierter Schaltung , den Intel 1103 , der auf der MOS-Technologie basiert. 1972 übertraf es die bisherigen Rekorde bei den Verkäufen von Halbleiterspeichern . DRAM-Chips hatten Anfang der 70er Jahre Drei-Transistor-Zellen, bevor Einzeltransistor-Zellen seit Mitte der 70er Jahre Standard wurden.

CMOS- Speicher wurde von RCA kommerzialisiert , die 1968 einen 288-Bit-CMOS-SRAM-Speicherchip auf den Markt brachten. CMOS-Speicher war anfangs langsamer als NMOS- Speicher, der in den 1970er Jahren von Computern häufiger verwendet wurde. 1978 führte Hitachi den Twin-Well-CMOS-Prozess mit seinem HM6147 (4-  kb-SRAM) -Speicherchip ein, der im 3-µm-Verfahren hergestellt wurde . Der HM6147-Chip konnte die Leistung des damals schnellsten NMOS-Speicherchips erreichen, während der HM6147 auch deutlich weniger Strom verbrauchte. Mit vergleichbarer Leistung und viel weniger Stromverbrauch überholte der Twin-Well-CMOS-Prozess in den 1980er Jahren schließlich NMOS als gebräuchlichster Halbleiterherstellungsprozess für Computerspeicher.

Die beiden häufigsten Typen von DRAM-Speicherzellen seit den 1980er Jahren waren Grabenkondensatorzellen und Stapelkondensatorzellen. Bei Grabenkondensatorzellen werden Löcher (Gräben) in ein Siliziumsubstrat eingebracht, dessen Seitenwände als Speicherzelle verwendet werden, während Stapelkondensatorzellen die früheste Form des dreidimensionalen Speichers (3D-Speicher) sind, bei dem Speicherzellen vertikal in einer dreidimensionalen Zellstruktur gestapelt. Beide debütierten 1984, als Hitachi Trench-Capacitor-Speicher und Fujitsu Stacked-Capacitor-Speicher einführte.

Floating-Gate-MOS-Speicherzellen

Der Floating-Gate-MOSFET (FGMOS) wurde 1967 von Dawon Kahng und Simon Sze in den Bell Labs erfunden . Sie schlugen das Konzept von Floating-Gate-Speicherzellen unter Verwendung von FGMOS-Transistoren vor, die verwendet werden könnten, um reprogrammierbare ROMs (Nur-Lese-Speicher) herzustellen ). Floating-Gate-Speicherzellen wurden später die Grundlage für nichtflüchtige Speicher (NVM)-Technologien, einschließlich EPROM (löschbarer programmierbarer ROM), EEPROM (elektrisch löschbarer programmierbarer ROM) und Flash-Speicher .

Flash - Speicher durch erfunden wurde Fujio Masuoka bei Toshiba 1980. Masuoka und seine Kollegen präsentierten die Erfindung von NOR - Flash - 1984, und dann NAND - Flash - 1987 Multi-Level - Cell (MLC) -Flash - Speicher eingeführt wurde von NEC , die zeigten , Quad- Level-Zellen in einem 64- Mb- Flash-Chip, der 1996 2 Bit pro Zelle speichert. 3D- V-NAND , bei dem Flash-Speicherzellen mithilfe der 3D- Charge-Trap-Flash- Technologie (CTP) vertikal gestapelt werden, wurde erstmals 2007 von Toshiba und erstmals kommerziell angekündigt hergestellt von Samsung Electronics im Jahr 2013.  

Implementierung

Die folgenden Schemata beschreiben die drei am häufigsten verwendeten Implementierungen für Speicherzellen:

• Die dynamische Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (DRAM)
• Die statische Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (SRAM)
• Flip-Flops wie das unten gezeigte J/K.

DRAM-Zelle (1 Transistor und ein Kondensator)

SRAM-Zelle (6 Transistoren)

Getaktetes J/K-Flipflop

Betrieb

DRAM-Speicherzelle

Die der MT4C1024 (1994) ein- integrierenden mebibit von DRAM - Speicherzellen.

Lagerung

Das Speicherelement der DRAM- Speicherzelle ist der im obigen Diagramm mit (4) bezeichnete Kondensator . Die im Kondensator gespeicherte Ladung nimmt im Laufe der Zeit ab, daher muss sein Wert regelmäßig aufgefrischt (gelesen und neu geschrieben) werden. Der nMOS- Transistor (3) dient als Gate, um das Lesen oder Schreiben im geöffneten Zustand oder das Speichern im geschlossenen Zustand zu ermöglichen.

Lektüre

Zum Lesen der Wortleitung (2) wird eine logische 1 (Spannung hoch) in das Gate des nMOS- Transistors (3) getrieben , wodurch dieser leitend wird und die am Kondensator (4) gespeicherte Ladung dann auf die Bitleitung (1) übertragen wird. . Die Bitleitung hat eine parasitäre Kapazität (5), die einen Teil der Ladung entzieht und den Lesevorgang verlangsamt. Die Kapazität der Bitleitung bestimmt die erforderliche Größe des Speicherkondensators (4). Es ist ein Kompromiss. Wenn der Speicherkondensator zu klein ist, würde die Spannung der Bitleitung zu lange brauchen, um über die von den Verstärkern am Ende der Bitleitung benötigte Schwelle anzusteigen oder nicht einmal anzusteigen. Da der Lesevorgang die Ladung im Speicherkondensator (4) abbaut, wird sein Wert nach jedem Lesen neu geschrieben.

Schreiben

Der Schreibvorgang ist am einfachsten, der Sollwert logisch 1 (hohe Spannung) oder logisch 0 (niedrige Spannung) wird in die Bitleitung getrieben. Die Wortleitung aktiviert den nMOS- Transistor (3) und verbindet ihn mit dem Speicherkondensator (4). Das einzige Problem besteht darin, es genügend Zeit offen zu halten, um sicherzustellen, dass der Kondensator vollständig geladen oder entladen ist, bevor der nMOS-Transistor (3) ausgeschaltet wird.

SRAM-Speicherzelle

SRAM-Speicherzelle, die Inverter Loop als Gates darstellt

Ein animierter SR-Latch. Schwarz und Weiß bedeuten logische '1' bzw. '0'.
(A) S = 1, R = 0: setzen
(B) S = 0, R = 0: halten
(C) S = 0, R = 1: zurücksetzen
(D) S = 1, R = 1: nicht erlaubt
Übergang von der eingeschränkten Kombination (D) nach (A) führt zu einem instabilen Zustand.

Lagerung

Das Funktionsprinzip einer SRAM- Speicherzelle lässt sich leichter verstehen, wenn die Transistoren M1 bis M4 als logische Gatter gezeichnet sind . Damit ist klar, dass der Zellspeicher im Kern aus zwei kreuzgekoppelten Wechselrichtern besteht . Diese einfache Schleife erzeugt eine bistabile Schaltung. Eine logische 1 am Eingang des ersten Inverters wird an seinem Ausgang zu einer 0, und sie wird in den zweiten Inverter eingespeist, der diese logische 0 zurück in eine logische 1 umwandelt, die denselben Wert an den Eingang des ersten Inverters zurückführt. Das schafft einen stabilen Zustand, der sich im Laufe der Zeit nicht ändert. Ebenso besteht der andere stabile Zustand der Schaltung darin, eine logische 0 am Eingang des ersten Inverters zu haben. Nach zweimaliger Invertierung wird auch der gleiche Wert zurückgegeben.

Daher gibt es nur zwei stabile Zustände, in denen sich die Schaltung befinden kann:

• ${\displaystyle \scriptstyle Q}$ = 0 und   = 1${\displaystyle \scriptstyle {\overline {Q}}}$
• ${\displaystyle \scriptstyle Q}$ = 1 und   = 0${\displaystyle \scriptstyle {\overline {Q}}}$

Lektüre

Um den Inhalt der in der Schleife gespeicherten Speicherzelle zu lesen, müssen die Transistoren M5 und M6 eingeschaltet werden. wenn sie von der Wortleitung ( ) Spannung an ihre Gates erhalten , werden sie leitend und so werden die und-    Werte an die Bitleitung ( ) und an ihr Komplement ( ) übertragen. Schließlich werden diese Werte am Ende der Bitleitungen verstärkt.${\displaystyle \scriptstyle WL}$${\displaystyle \scriptstyle Q}$${\displaystyle \scriptstyle {\overline {Q}}}$${\displaystyle \scriptstyle BL}$${\displaystyle \scriptstyle {\overline {BL}}}$

Schreiben

Der Schreibvorgang ist ähnlich, der Unterschied besteht darin, dass nun der neue Wert, der in der Speicherzelle gespeichert wird, in die Bitleitung ( ) und der invertierte in sein Komplement ( ) getrieben wird . Als nächstes werden die Transistoren M5 und M6 geöffnet, indem eine logische Eins (Spannung hoch) in die Wortleitung ( ) getrieben wird. Dadurch werden die Bitleitungen effektiv mit der By-Stable-Inverterschleife verbunden. Es gibt zwei mögliche Fälle: ${\displaystyle \scriptstyle BL}$${\displaystyle \scriptstyle {\overline {BL}}}$${\displaystyle \scriptstyle WL}$

1. Wenn der Wert der Schleife mit dem neuen gesteuerten Wert übereinstimmt, gibt es keine Änderung.
2. Wenn sich der Wert der Schleife vom neuen angesteuerten Wert unterscheidet, gibt es zwei widersprüchliche Werte. Damit die Spannung in den Bitleitungen den Ausgang der Inverter überschreiben kann, muss die Größe der M5- und M6-Transistoren größer sein als die von die M1-M4-Transistoren. Dadurch kann mehr Strom durch die ersten fließen und kippt daher die Spannung in Richtung des neuen Wertes, irgendwann verstärkt die Schleife dann diesen Zwischenwert auf Full Rail.

Flip Flops

Das Flip-Flop hat viele verschiedene Implementierungen, sein Speicherelement ist normalerweise ein Latch, das aus einer NAND-Gate- Schleife oder einer NOR-Gate- Schleife mit zusätzlichen Gattern besteht, die verwendet werden, um die Taktung zu implementieren. Sein Wert steht als Ausgang immer zum Auslesen zur Verfügung. Der Wert bleibt gespeichert, bis er durch den Set- oder Reset-Vorgang geändert wird. Flip-Flops werden typischerweise unter Verwendung von MOSFET- Transistoren implementiert .

Schwimmendes Tor

Eine Flash-Speicherzelle

Floating-Gate- Speicherzellen, basierend auf Floating-Gate-MOSFET- Transistoren, werden für die meisten nichtflüchtigen Speicher (NVM)-Technologien verwendet, einschließlich EPROM , EEPROM und Flash-Speicher . Laut R. Bez und A. Pirovano:

Eine Floating-Gate-Speicherzelle ist im Grunde ein MOS- Transistor mit einem Gate, das vollständig von Dielektrika umgeben ist (Abb. 1.2), dem Floating-Gate (FG) und elektrisch von einem kapazitiv gekoppelten Control-Gate (CG) gesteuert wird. Da der FG elektrisch isoliert ist, fungiert er als Speicherelektrode für die Zellvorrichtung. In den FG injizierte Ladung wird dort aufrechterhalten, was eine Modulation der "scheinbaren" Schwellenspannung (dh VT vom CG aus gesehen) des Zellentransistors ermöglicht.

Siehe auch

• Dynamischer Direktzugriffsspeicher
• Flipflop (Elektronik)
• Reihenhammer
• Statischer Direktzugriffsspeicher

Verweise