Разное

Ячейка оперативной памяти это: ячейка оперативной памяти — это… Что такое ячейка оперативной памяти?

Содержание

ячейка оперативной памяти - это... Что такое ячейка оперативной памяти?

ячейка оперативной памяти

Engineering: main-memory location

Универсальный русско-английский словарь. Академик.ру. 2011.

  • ячейка общества
  • ячейка организации

Смотреть что такое "ячейка оперативной памяти" в других словарях:

  • Ячейка памяти ЭВМ — Запрос «ОЗУ» перенаправляется сюда. Cм. также другие значения. Простейшая схема взаимодействия оперативной памяти с ЦП Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ)  в информатике  память, часть системы памяти ЭВМ, в которую …   Википедия

  • рабочая ячейка — Ячейка оперативной памяти, используемая в программе для хранения промежуточных результатов …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • ОЗУ — Запрос «ОЗУ» перенаправляется сюда. Cм. также другие значения. Простейшая схема взаимодействия оперативной памяти с ЦП Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ)  в информатике  память, часть системы памяти ЭВМ, в которую …   Википедия

  • Оперативное запоминающее устройство — Запрос «ОЗУ» перенаправляется сюда. Cм. также другие значения. Простейшая схема взаимодействия оперативной памяти с ЦП Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ)  в информатике  память, часть системы памяти ЭВМ, в которую …   Википедия

  • Материнская плата — стандарта ATX (модель MSI K7T266 Pro2) …   Википедия

  • Триггер — У этого термина существуют и другие значения, см. Триггер (значения). Триггер (триггерная система)  класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под… …   Википедия

  • Оперативная память — Запрос «ОЗУ» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Модули ОЗУ для ПК …   Википедия

  • Магниторезистивная оперативная память — Типы компьютерной памяти Энергозависимая DRAM (в том числе DDR SDRAM) SRAM Перспективные T RAM Z RAM TTRAM Из истории Память на линиях задержки Запоминающая электронстатическая трубка Запоминающая ЭЛТ Энергонезависимая …   Википедия

  • Носители компьютерной информации — НЖМД объёмом 45 Мб 1980 х годов выпуска, и 2000 х годов выпуска Модуль оперативной памяти, вставленный в материнскую плату Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство)  часть вычислительной машины, физическое… …   Википедия

  • Память (компьютер) — НЖМД объёмом 45 Мб 1980 х годов выпуска, и 2000 х годов выпуска Модуль оперативной памяти, вставленный в материнскую плату Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство)  часть вычислительной машины, физическое… …   Википедия

  • Память (компьютерная) — НЖМД объёмом 45 Мб 1980 х годов выпуска, и 2000 х годов выпуска Модуль оперативной памяти, вставленный в материнскую плату Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство)  часть вычислительной машины, физическое… …   Википедия

В ячейке оперативной памяти содержится информации

Внутренняя память – один из важнейших элементов компьютера, позволяющий ему корректно работать. В ней содержится информация, к которой обращается компьютер в процессе работы.

Внутренняя память компьютера состоит из нескольких частей

  1. Оперативная память
  2. Кэш-память
  3. Специальная память

Оперативная память напрямую связана с процессором, в ней сохраняются программы и данные, необходимые для реализации этих программ. Процессор компьютера может работать только с данными, которые содержатся в оперативной памяти.

Она состоит из группы кристаллических ячеек, в которых хранится информация. Минимальный объем информации – бит. Это объем информации в один двоичный знак (0 или 1). И соответственно в каждой ячейке оперативной памяти сохраняется один бит информации. Свойство памяти, помогающее распределять информацию по ячейкам, разделять ее на мелкие составные части называют дискретностью. 8 бит составляют один байт. А каждый байт информации имеет в памяти компьютера свой адрес. Процессор отыскивает нужные ему данные во внутренней памяти именно по адресу. Еще более крупная единица хранения информации – машинное слово. Оно состоит из нескольких байтов, которые процессор обрабатывает в ходе одной операции. Объем оперативной памяти в современных компьютерах постоянно растет и достигает уже нескольких Гигабайт.

С точки зрения действия различают два вида оперативной памяти: статическую и динамическую. Статическая память проще в использовании, но дороже, и она в состоянии хранить меньший объем информации. Триггер динамической памяти более быстрый, но значительно сложнее и дороже. В современных компьютерах применяются оба вида памяти.

И статическая и динамическая память сохраняет информацию, которая кодируется с помощью электрического сигнала. Поэтому при выключении электричества происходит потеря информации. Таким образом понятно, что оперативная память нужна для временного хранения данных.

Оперативная память – это набор микросхем, которые располагаются на плате компьютера. Части (или модули) оперативной памяти могут отличаться количеством контактов (SIMM или DIMM), быстродействием, объемом размещенной на них информации.

Другой важной характеристикой памяти является быстродействие, которое определяется максимальным числом операций, которые может выполнять устройство за единицу времени. Чтобы компьютер работал эффективно и быстро, необходимо, чтобы быстродействие компьютера соответствовало этой характеристики памяти.

Кэш-память обеспечивает согласованную работу различных устройств компьютера, компенсируя разницу в быстродействии процессора и оперативной памяти. Этим видом памяти управляет контроллер, который прогнозирует команды используемые в данный момент процессором и своевременно подкачивает их из всего объема оперативной памяти.

В специальную память компьютера входят следующие виды памяти:

  1. Постоянная память
  2. Перепрограммируемая память
  3. Видеопамять
  4. Память CMOS RAM

На них записана информация, которую не может изменить пользователь компьютера: данные о конфигурации устройств, о составе оборудования и режимах его работы.

Знания о видах внутренней памяти помогают пользователю грамотно и безопасно эксплуатировать компьютер, максимально используя его возможности.

Внутренняя память компьютера

Популярные доклады

Название гортензии означает бочка с водой, что подразумевает её любвеобильность к воде, однако если переусердствовать, то растение начинает гнить с корней от избытка влажности в почве.

Скелет человека состоит из 210 различных костей, сгруппированных в осевой и дополнительный скелет. Осевой скелет обеспечивает центральную опору тела и включает в себя позвоночник, грудь и череп. Дополнительный скелет

Камбала – это рыба, которая относится к семейству камбаловых. Камбала обитает на дне. Днем она зарывается в песок, чтобы спрятаться от врагов.

Яче́йка па́мяти — минимальный адресуемый элемент запоминающего устройства ЭВМ.

Основные сведения [ править | править код ]

Ячейки памяти могут иметь разную ёмкость (число разрядов, длину). Современные запоминающие устройства обычно имеют размер ячейки памяти равным одной из степеней двойки: 8 бит, 16 бит, 32 бита, 64 бита.

В ранних ЭВМ использовались и более экзотические размерности, например 39 (БЭСМ-1) или 48 (БЭСМ-6). В общем случае длина ячеек памяти может не совпадать с машинным словом, тогда данные записываются в две или четыре соседние ячейки памяти.

Ячейки памяти имеют адрес (порядковый номер, число) по которому к ним могут обращаться команды процессора. Существует несколько различных систем адресации памяти.

Ячейки памяти, построенные на полупроводниковых технологиях, могут быть статическими (SRAM), то есть не требующими регулярного обновления, и динамическими (DRAM), требующими периодической перезаписи для сохранения данных. Как правило, при помощи статических ячеек организуются кэши, при помощи динамических — ОЗУ.

Оперативная память (ОЗУ, RAM), самая известная из всех рассмотренных ранее форм компьютерной памяти. Эту память называют памятью «произвольного доступа» («random access»), поскольку вы можете получить доступ к любой ее ячейке непосредственно. Для этого достаточно знать строку и столбец, на пересечении которых находится нужная ячейка. Известны два основных вида оперативной памяти: динамическая и статическая. Сегодня мы подробно рассмотрим принцип «дырявого ведра», на котором основана динамическая память. Некоторое внимание будет уделено и статической памяти, быстрой, но дорогой.

Ячейка памяти подобна дырявому ведру


Совсем иначе работает память с последовательным доступом (SAM). Как и следует из ее названия, доступ к ячейкам этой памяти осуществляется последовательно. Этим она напоминает пленку в магнитофонной кассете. Когда данные ищутся в такой памяти, проверяется каждая ячейка до тех пор, пока не будет найдена нужная информация. Память этого типа используется для реализации буферов, в частности буфера текстур видеокарт. То есть SAM имеет смысл применять в тех случаях, когда данные будут расположены в том порядке, в котором их предполагается использовать.

Подобно подробно рассмотренному ранее микропроцессору, чип памяти является интегральной микросхемой (ИС, IC), собранной из миллионов транзисторов и конденсаторов. Одним из наиболее распространенных видов памяти произвольного доступа является DRAM (динамическая память произвольного доступа, dynamic random access memory). В ней транзистор и конденсатор спарены и именно они образуют ячейку, содержащую один бит информации. Конденсатор содержит один бит информации, то есть «0» или «1». Транзистор же играет в этой паре роль переключателя (свитча), позволяющего управляющей схеме чипа памяти считывать или менять состояние конденсатора.

Конденсатор можно представить себе в виде небольшого дырявого «ведерка», которое при необходимости заполняется электронами. Если оно заполнено электронами, его состояние равно единице. Если опустошено, то нулю. Проблемой конденсатора является утечка. За считанные миллисекунды (тысячные доли секунды) полный конденсатор становится пустым. А это значит, что или центральный процессор, или контроллер памяти вынужден постоянно подзаряжать каждый из конденсаторов, поддерживая его в наполненном состоянии. Подзарядку следует осуществлять до того, как конденсатор разрядится. С этой целью контроллер памяти осуществляет чтение памяти, а затем вновь записывает в нее данные. Это действие обновления состояния памяти осуществляется автоматически тысячи раз за одну только секунду.

Конденсатор динамической оперативной памяти можно сравнить с протекающим ведром. Если его не заполнять электронами снова и снова, его состояние станет нулевым. Именно эта операция обновления и внесла в название данного вида памяти слово «динамическая». Такая память или обновляется динамически, или «забывает» все, что она «помнила». Есть у этой памяти существенный недостаток: необходимость постоянно обновлять ее требует времени и замедляет работу памяти.

Устройство ячейки динамической оперативной памяти (DRAM)


Структуру памяти можно представить себе в виде трехмерной сетки. Еще проще: в виде листка из школьной тетради в клеточку. Каждая клеточка содержит один бит данных. Сначала определяется столбец, затем данные записываются в определенные строки посредством передачи сигнала по данному столбцу.

Итак, представим себе тетрадный лист. Некоторые клеточки закрашены красным фломастером, а некоторые остались белыми. Красные клеточки это ячейки, состояние которых «1», а белые — «0».

Только вместо листа из тетради в оперативной памяти используется кремниевая пластина, в которую «впечатаны» столбцы (разрядные линии, bitlines) и строки (словарные шины, wordlines). Пересечение столбца и строки является адресом ячейки оперативной памяти.

Динамическая оперативная память передает заряд по определенному столбцу. Этот заряд называют стробом адреса столбца (CAS, Column Adress Strobe) или просто сигналом CAS. Этот сигнал может активировать транзистор любого бита столбца. Управляющий сигнал строки именуется стробом адреса строки (RAS, Row Adress Strobe). Для указания адреса ячейки следует задать оба управляющих сигнала. В процессе записи конденсатор готов принять в себя заряд. В процессе чтения усилитель считывания (sense-amplifier) определяет уровень заряда конденсатора. Если он выше 50 %, бит читается, как «1»; в остальных случаях, как «0».

Осуществляется также обновление заряда ячеек. За порядком обновления следит счетчик. Время, которое требуется на все эти операции, измеряется в наносекундах (миллиардных долях секунды). Если чип памяти 70-наносекундный, это значит, полное чтение и перезарядка всех его ячеек займет 70 наносекунд.

Сами по себе ячейки были бы бесполезны, если бы не существовало способа записать в них информацию и считать ее оттуда. Соответственно, помимо самих ячеек, чип памяти содержит целый набор дополнительных микросхем. Эти микросхемы выполняют следующие функции:

  • Идентификации строк и столбцов (выбор адреса строки и адреса ячейки)
  • Отслеживание порядка обновления (счетчик)
  • Чтение и возобновление сигнала ячейки (усилитель)
  • Донесение до ячейки сведений о том, следует ли ей удерживать заряд или нет (активация записи)

У контроллера памяти есть и другие функции. Он выполняет набор обслуживающих задач, среди которых следует отметить идентификацию типа, скорости и объема памяти, а также проверку ее на ошибки.

Статическая оперативная память


Хотя статическая оперативная память (подобно динамической) является памятью произвольного доступа, она основана на принципиально иной технологии. Триггерная схема этой памяти позволяет удерживать каждый бит сохраненной в ней информации. Триггер каждой ячейки памяти состоит из четырех или шести транзисторов и содержит тончайшие проводки. Эта память никогда не нуждается в обновлении заряда. По этой причине, статическая оперативная память работает существенно быстрее динамической. Но поскольку она содержит больше компонентов, ее ячейка намного крупнее ячейки динамической памяти. В итоге чип статической памяти будет менее емким, чем динамической.

Статическая оперативная память быстрее, но и стоит дороже. По этой причине статическая память используется в кэше центрального процессора, а динамическая в качестве системной оперативной памяти компьютера. Более подробно о статической памяти написано в разделе «Кэш-память и регистр процессора» материала, посвященного преодолению ограничений компьютерной памяти.

В современном мире чипы памяти комплектуются в компонент, именуемый модулем. Порой компьютерные специалисты называют его «планкой памяти». Один модуль или «планка» содержит несколько чипов памяти. Не исключено, что вам приходилось слышать такие определения, как «память 8×32» или «память 4×16». Разумеется, цифры могли быть иными. В этой простой формуле первым множителем является количество чипов в модуле, а вторым емкость каждого модуля. Только не в мегабайтах, а в мегабитах. Это значит, что результат действия умножения следует разделить на восемь, чтобы получить объем модуля в привычных нам мегабайтах.

К примеру: 4×32 означает, что модуль содержит четыре 32-мегабитных чипа. Умножив 4 на 32, получаем 128 мегабит. Поскольку нам известно, что в одном байте восемь бит, нам нужно разделить 128 на 8. В итоге узнаем, что «модуль 4×32» является 16-мегабайтным и устарел еще в конце минувшего века, что не мешает ему быть превосходным простым примером для тех вычислений, которые нам потребовались.

Тема оперативной памяти настолько обширна, что мы вернемся к ней еще. Нам предстоит узнать о том, какие бывают типы оперативной памяти и как устроен ее модуль. Продолжение следует…

Устройство компьютера - Школа 52, Владивосток

 

В 1945 году математик Джон Фон Нейман чётко сформулировал общие принципы функционирования цифровых вычислительных устройств.

Принципы фон Неймана

Цифровое вычислительное устройства должно работать по следующим принципам:

1. Принцип двоичного кодирования.

Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

2. Принцип программного управления.

Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3. Принцип однородности памяти:

— программы и данные хранятся в одной и той же памяти, то есть компьютеру всё равно, что содержится в данной ячейке памяти — число, текст или команда;

— над командами выполняются такие же операции, как и над данными;

— команды одной программы могут быть результатом исполнения команд другой программы;

4. Принцип адресации:

— структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса.

— АЛУ в любой момент времени доступна любая ячейка.

Компьютеры, построенные на этих принципах, называются фон-неймановскими.

Цифровое вычислительное устройство должно содержать:

— АЛУ (арифметическо-логическое устройство), которое должно выполнять арифметические и логические операции;

— УУ (устройство управления), которое организует процесс выполнения программ;

В современных компьютерах арифметическо-логическое устройство и устройство управления объединены в центральный процессор;

— ЗУ (запоминающее устройство или память), которое хранит программы и данные;

— ВУ (внешние устройства), которые служат для ввода и вывода информации.

 


 

Компьютерная память.

Внешняя память. (Внешние запоминающие устройства - ВЗУ)

Внешняя память предназначена для долговременного и энергонезависимого хранения программ и данных (память, реализованная в виде внешних, относительно материнской платы, устройств с разными принципами хранения информации и типами носителя).
Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем, или дисководом, а хранится информация на носителях (например, DVD - дисках)

Устройства внешней памяти:

накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), английское название - HDD - Hard Disk Drive)
оптические диски - CD, DVD, Blue-Ray
Flash - память,
Твердотельные накопители (англ. - SSD solid-state drive)
Единицей хранения информации во внешней памяти является файл – последовательность байтов, записанная в устройство внешней памяти и имеющая имя. Обмен информации между оперативной памятью и внешней осуществляется файлами.

 

Внутренняя память

Оперативная память (ОП) предназначена для временного хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Это энергозависимая память. Физически реализуется в модулях ОЗУ (оперативных запоминающих устройствах) различного типа. При выключении электропитания вся информация в оперативной памяти исчезает.

Занесение информации в память и её извлечение, производится по адресам. Каждый байт ОП имеет свой индивидуальный адрес (порядковый номер).

Адрес – число, которое идентифицирует ячейки памяти (регистры). ОП состоит из большого количества ячеек, в каждой из которых хранится определенный объем информации. ОП непосредственно связана с процессором. Возможности ПК во многом зависят от объёма ОП.

Кеш память - очень быстрая память малого объема служит для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств различной скорости. Это энергозависимая память.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – энергонезависимая память для хранения программ управления работой и тестирования устройств ПК. Важнейшая микросхема ПЗУ – модуль BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода/вывода), в котором хранятся программы автоматического тестирования устройств после включения компьютера и загрузки ОС в оперативную память. Это неразрушимая память, которая не изменяется при выключении питания. 

CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) - память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, о режимах его работы. Содержимое изменяется программой, находящейся в BIOS (Basic Input Output System).

Видеопамять — это внутренняя оперативная память, отведённая для хранения данных, которые используются для формирования изображения на экране монитора.

Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большей частью недоступен программисту. 


Внутренняя память компьютера 

Байты

Биты

0

0

1

0

1

1

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

2

1

0

1

1

0

1

1

0

3

0

0

1

0

1

1

0

0

. . . . . . . .

               

Дискретность

Внутренняя память состоит из частиц – битов

В  одном  бите  памяти  хранится один бит  информации

Адресуемость

Байт  памяти – наименьшая адресуемая часть внутренней памяти  ( 1 байт = 8 бит )

Все  байты  пронумерованы, начиная  от  0

Номер  байта – адрес  байта  памяти

Процессор  обращается  к  памяти  по  адресам

 


Основные характеристики ПК

Производительность (быстродействие) ПК – возможность компьютера обрабатывать большие объёмы информации. Определяется быстродействием процессора, объёмом ОП и скоростью доступа к ней (современный ПК обрабатывает информацию со скоростью в сотни миллионов операций в секунду).

Производительность (быстродействие) процессора – количество элементарных операций выполняемых за 1 секунду.

Тактовая частота процессора (частота синхронизации) - число тактов процессора в секунду, а такт – промежуток времени (микросекунды) за который выполняется элементарная операция (например сложение). Таким образом Тактовая частота - это число вырабатываемых за секунду импульсов, синхронизирующих работу узлов компьютера. Именно ТЧ определяет быстродействие компьютера. Задается ТЧ специальной микросхемой «генератор тактовой частота», который вырабатывает периодические импульсы. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Частота измеряется в герцах (1/сек). Превышение порога тактовой частоты приводит к возникновению ошибок процессора и др. устройств. Поэтому существуют фиксированные величины тактовых частот для каждого типа процессоров, например: 2,8 ; 3,0 ГГц и тд.

Разрядность процессора – максимальная длина (кол-во разрядов) двоичного кода, который может обрабатываться и передаваться процессором целиком. Разрядность связана с размером специальных ячеек памяти – регистрами. Регистр в 1 байт (8бит) называют восьмиразрядным, в 2байта – 16-разрядным и тд. Высокопроизводительные компьютеры имеют 8-байтовые регистры (64разряда)

Время доступа - Быстродействие модулей ОП, это период времени, необходимый для считывание min порции информации из ячеек памяти или записи в память. Современные модули обладают скоростью доступа свыше 10нс (1нс=10-9с).

Объем памяти (ёмкость) – max объем информации, который может храниться в ней. Скорость обмена информации – скорость записи/считывания на носитель, которая определяется скоростью вращения и перемещения этого носителя в устройстве

 


Магистрально-модульный принцип построения компьютера.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии.

 

К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также, с помощью специальных согласующих устройств - контроллеров (контроллер клавиатуры, контроллер дисководов, видеоадаптер и т.д.), остальные устройства ввода, вывода и хранения информации. Необходимость использования контроллеров вызвана тем, что функциональные и технические параметры компонентов компьютера могут существенно различаться, например, их быстродействие. Так, процессор может проводить сотни миллионов операций в секунду, тогда как пользователь может вводить с клавиатуры, в лучшем случае 2-3 знака в секунду. Контроллер клавиатуры как раз и обеспечивает согласование скорости ввода информации со скоростью ее обработки.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина). Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:N = 2I , где I - разрядность шины адреса. Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 36 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно: N = 236 = 68719476736.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

Структура оперативной памяти. Ячейки памяти, порты и регистры

микросхемы ОП

Память (memory) – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации.

Скачать презентацию «Характеристики памяти ПК»

Всю память ЭВМ можно разделить на:

  1. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство)
  2. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство)
  3. РОН (регистры общего назначения) внутренняя память процессора – его регистры.
  4. CMOS (Complement Metal Oxide Semiconductor – комплементарные пары метал-оксид-полупроводник указывает на технологию изготовления данной памяти) – память системных установок(конфигурации).
  5. ВЗУ (внешнее запоминающее устройство)
  6. Видеопамять – электронная память, размещенная на видеокарте, используется в качестве буфера для хранения кадров динамического изображения.

1,2,3,6 – электронная память, 5 – электромеханическая память.

Характеристики оперативной памяти

Внутренняя память ПК обладает двумя основными свойствами: дискретностью и адресуемостью.

Дискретность – память состоит из битов (бит — элемент памяти, частица информации, хранит двоичный код 0 или 1. Слово бит произошло от англ. «binary digit» — двоичная цифра).

Бит – наименьшая частица памяти компьютера.

Следовательно, у слова «бит» есть два смысла: это единица измерения количества информации и частица памяти компьютера. Оба эти понятия связаны между собой следующим образом:
В одном бите памяти хранится один бит информации.

Память – это упорядоченная последовательность двоичных разрядов(бит). Эта последовательность делится на группы по 8 разрядов. Каждая такая группа образует байт памяти.

Следовательно «бит» и «байт» обозначают не только названия единиц измерения количества информации, но и структурные единицы памяти ЭВМ.
1Кб = 210 байт =1024б
1Мб = 210 Кбайт =1024Кб
1Гб = 1024Мб

Ячейка памяти – группа последовательных байтов внутренней памяти, вмещающая в себе информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора.
Содержимое ячейки памяти называется машинным словом. Байты внутренней памяти пронумерованы. Нумерация начинается с 0.
Порядковый № байта называется адресом байта. Принцип адресуемости памяти заключается в том, что любая информация заносится в память и извлекается из нее по адресам, т.е. чтобы взять информацию из ячейки памяти или поместить ее туда, необходимо указать адрес этой ячейки. Адрес ячейки память равен адресу младшего байта, входящим в ячейку.
Адресация памяти начинается с 0. Адреса ячеек кратны количеству байтов в машинном слове.

Структура оперативной памяти


Оперативная память(ОП) (ОЗУ)

Из ОП ЦП берет исходные данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название «оперативная» память получила потому что работает быстро.
Является энергозависимой, данные и программы сохраняются в ней только до тех пор, пока ПК включен, при выключении ПК содержимое ОП стирается.
ОЗУ предназначена для хранения текущей, быстроменяющейся информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислений.
Используется два основных типа оперативной памяти: статическая память (SRAM-Static RAM — КЭШ) и динамическая память (DRAM-Dynamic RAM — ОЗУ).
Эти две разновидности памяти различаются быстродействием и удельной плотностью (емкостью) хранимой информации.

Быстродействие памяти характеризуется двумя параметрами: временем доступа(access time) и длительностью цикла памяти (cycle time).
Эти величины, как правило, измеряются в наносекундах. Чем больше эти величины, тем больше быстродействие памяти.
Время доступа представляет собой промежуток времени между формированием запроса на чтение информации из памяти и моментом поступления из памяти запрошенного машинного слова (операнда).
Длительность цикла определяется минимальным допустимым временим между двумя последовательными обращениями к памяти.

В статической памяти элементы построены на триггерах — схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для построения одного триггера требуется 4-6 транзисторов. После
записи информации в статический элемент памяти он может хранить информацию сколь угодно долго (пока подается электрическое питание).
Статическая память имеет высокое быстродействие и низкую плотность размещения хранящихся данных. Этот вид памяти дорог и энергоемок, следовательно, может происходить перегрев,
что снижает надежность система, поэтому вся ОП не может быть построена по статическому принципу.

В динамической памяти элементы памяти построены на основе полупроводниковых конденсаторов, занимающих гораздо более меньшую площадь, чем триггеры в статической памяти.
Для построения динамического элемента памяти требуется 1-2 транзистора. Каждый бит ОП представляется в виде наличия или отсутствия заряда на конденсаторе, образованном в структуре
полупроводникового кристалла. Ячейки динамической памяти очень компактны, но со временем конденсатор испытывает утечку заряда, поэтому периодически (приблизительно 1000 раз в сек.)
выполняется автоматическое восстановление информации в каждой ячейке. Это снижает скорость работы динамической памяти и является основным ее недостатком.

ОП часто обозначают RAM (Random Access memory) – память с произвольным доступом (тип доступа к памяти при котором ячейки памяти пронумерованы, т.е. адресуемы и, следовательно, обращение к ним может производиться в произвольном порядке).

Термин «произвольный доступ» означает, что можно считать (записать) информацию в любой момент времени из любой ячейки.

Заметим, что существует и другая организация памяти, при которой прежде чем считать нужную информацию нужно «вытолкнуть» ранее поступившие операнды.

От объема ОП, установленным на ПК напрямую зависит с каким ПО Вы сможете на нем работать. При недостатке ОП программы не запускаются, выдается сообщение: “Out of memory”, либо работают крайне медленно.

Чем больше ОП в ПК, тем лучше. При необходимости объем ОП можно нарастить (ограничивается параметрами ОП, поддерживаемой конкретной материнской платы, внимательно см.спецификацию к системной плате).


Распределение памяти в ПК (Разделы ОЗУ)

RAM устроена довольно сложно, она иерархична (многоэтажна). ОП разделяют на несколько типов. Деление это обусловлено историческими причинами.
Первые компьютеры были выполнены так, что они могли работать максимально с 640Кб памяти. Выделяют 4 вида памяти:

  • Стандартная (conventional memory area)
  • Верхняя (upper memory blocks(area))
  • Дополнительная (expanded memory specification)
  • Расширенная (extended memory specification)

Стандартная (conventional memory area) – базовая, первые 640 Кб, также его часто называют lower.
В мл. адреса этой памяти загружается ОС и драйверы устройств. Оставшуюся свободную часть памяти занимают пользовательские программы.
Резидентные программы так же остаются в этой памяти.

Верхняя (upper memory аrea) – 640Кб — 1Мб используется для хранения служебной информации: памяти видеоадаптера,BIOS.
Спец. драйвер Himem.sys позволяют загружать в свободные участки этой области резидентные программы и драйвера устройств.

High memory – первые 64 Кб после 1Мб. ОС MS DOS позволяет загрузить часть резидентной DOS в эту область, освобождая при этом существенную часть
базовой памяти для работы прикладных программ. Особенно это полезно для программ, использующих всю ОП. Используя спец. утилиты (для DOS emm386.exe)
в верхние разделы памяти можно загружать также и резидентные программы (команды LH для autoexec.bat и DEVICEHIGT для config.sys).

Вся память свыше 1 Мб может быть рассмотрена как дополнительная(expanded) или как расширенная (extended ). В ОС менеджер памяти позволяет использовать память и как расширенную и как дополнительную, автоматически обеспечивая тот тип взаимодействия с данными, который нужен прикладным программам. Т.е. пользователю новых современных ПК (от Pentium) нет необходимости распределять память «в ручную», менеджер выделить память таким образом, как это требует прикладная программа.

Дополнительная(expanded) память – постраничная, т.е. ОП разбивается на страницы, каждой странице ставится в соответствие определенный адрес в основной памяти. При обращении к такому адресу EMM(expanded memory manager) драйвер расширенной памяти(менеджер памяти) позволяет компьютеру считать информацию с соответствующей страницы памяти.

Расширенная (extended) память построчной организации (Smartdrv — драйвер расширенной памяти) используется для создания временного логического диска (виртуального диска), как буфер обмена с жестким диском.


Распределение ОП в ПК с ОС MS-DOS

1Mб+ 64Кб High High Расширенная или дополнительная память
Резидентные программы и драйверы устройств
Часть ОС
1Mб Upper Верхняя память ПЗУ BIOS
Видеопамять (текстовый буфер)
Видеопамять (графический буфер)
640Кб Convertional Memory Area (base)Стандартная (базовая память) Свободная часть (command.com) транзитная часть
Свободная часть для программ пользователя
Command.com (резидентная часть)
Программы DOS, драйверы
Файлы io.sys msdos.sys
Данные для DOS и BIOS и другая служебная информация

Микросхемы ОП (модули ОП)

Производительность ПК зависит от типа и размера ОП, а это в свою очередь зависит от набора интегральных схем на материнской плате.

Внешний вид микросхем ОП: пластиковая полоска, на ней расположены кремневые «черепашки» – чипы-микросхемы (то есть используется полупроводниковая технология) и имеются «ножевые» контактные разъемы.

Устройства памяти характеризуются следующими основными показателями:

  1. временем доступа (быстродействием). Время доступа – промежуток времени, за который может быть записано (прочитано) содержимое ячейки памяти.
  2. емкостью (определяет количество ячеек (битов) в устройстве памяти).
  3. стоимостью.
  4. потребляемой мощностью (электропотреблением).

Существует 2 модуля памяти, отличающиеся формой, внутренней архитектурой, скоростью работы: SIMM и DIMM.
I. SIMM (SINGLE IN-LINE MEMORY MODULES) (SRAM)
бывают двух типов (отличающихся количеством контактов).

1. 30-контактные модули SIMM. Бывают 1 и 4 Мб. Практически сегодня исчезли из продажи для компьютеров 386, 286-процессором. Сегодня им нашлось интересное применение – в качестве ОП, устанавливаемой в некоторые звуковые платы, например, Greafive Sound Blaster 32 (AWE-32) Gravis UltraSound PnP. Однако новая карта AWE-64 уже содержит свои модули ОП, эта память не нужна.

2. 72-контактные SIMM (на 1, 4, 8, 16, 32, 64 Мб, редко 128 Мб). Внешний вид неизменный, а вот тип устанавливаемой на них памяти меняется (тип памяти указывается на микросхеме).

a) самый старый (редко сейчас встречающийся) – FPM DRAM (или просто DRAM – Dynamic Random Access Memory – динамическая ОП). Работала на 486 и первых Pentium.

b) модифицированный тип EDO DRAM (или EDO – Extended data output).

Микросхемы SIMM выпускаются одинарной и двойной плотности, с контролем четности и без (использование контроля четности позволяет парировать одиночную ошибку памяти). Модули отличаются и по скорости доступа 60 и 70 наносекунд, чем скорость меньше, тем быстрее доступ. 60 наносекунд быстрее 70 наносекунд. Модули SIMM в материнской плате Pentium и Pentium MMX устанавливаются только попарно, образуя так называемый банк.

Пример необходимо 32 Мб => 2 модуля SIMM по 16 Мб.
необходимо 64 Мб => 4 модуля SIMM по 16 Мб или 2 модуля SIMM по 32Мб.

В рамках одного банка можно использовать только одинаковые по емкости и скорости доступа модули SIMM. Если на вашей материнской плате 4 слота для модулей памяти SIMM, то можно сформировать два банка различной емкости.


II. DIMM (SDRAM DUAL IN-LINE MEMORY MODULES).

Появился впервые у MMX- компьютеров, стал основой для PII., поэтому у PII редко бывают SIMM-разъемы. DIMM не обязательно должно быть четное число. Модули DIMM бывают емкостью 16, 32, 64, 128, 256, 512 Мб

  1. EDO SD RAM (Synchronous DRAM) – синхронизируемая динамическая ОП)
    SD RAM (SINGLE DATA RATE RANDOM ACCESS MEMORY).ЗУПВ с одинарной скоростью передачи данных, которая в зависимости от тактовой частоты называется памятью PC100 и PC133. Микросхема на 168 контактов, является сегодня самой «медленной» из семейства DIMM-модулей памяти, Время доступа = 10-20 наносекунд. Верхний предел ее тактовой частоты 133 МГц. И все же этот тип ОП вполне подходит для большинства офисных и
    домашних ПК. Пропускная способность 1Гб/с.
    SPD – это небольшая микросхема, установленная в модуле памяти SD RAM DIMM и содержащая подробную информацию о типе установленной памяти и некоторые другие устройства. РС133 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory) самая быстрая из класса классической ОП. (были и РС66, РС100). Теперь это самый медленный тип ОЗУ. Физически представляет собой массив микроскопических конденсаторов, «упакованных» в микросхемы памяти. Логически каждый конденсатор есть не что иное, как элементарная однобитовая информационная ячейка с 2-мя состояниями: 0 – если конденсатор не заряжен, 1 – если заряжен. Эти ячейки объединяются в двумерную матрицу, где каждая ячейка адресуется номерами строки и столбца, на пересечении которых она находится. К микросхеме подводятся шины командная (передает команды, управляющие работой микросхем ОП), адресная (адреса строк и столбцов), и данных. Все три синхронизируются импульсами одной и той же частоты. (133). SDRAM – синхронная память и логика работы микросхем памяти этого типа жестко синхронизируется с тактовым сигналом. Например, контроллер памяти точно знает, в течение скольких тактов микросхемы памяти будут готовить запрошенные данные для передачи и на каком такте начнется собственно их передача. Сегодня данная микросхема встречается редко.
  2. Rambus (RD RAM) Двухканальная ОП (микросхема фирмы Intel). Direct Rambus – это новая шина памяти, в которой управление адресацией отделено от работы с данными. Система состоит из контроллера Direct Rambus, подсоединенного к одному или нескольким модулям Direct Rambus DRAM, которые называются RIMM, в отличии от обычных микросхем памяти, соединяемых параллельно, RIMM соединяются последовательно. Канал Direct Rambus включает двунаправленную шину данных и шину адреса, т.е. адреса памяти передаются одновременно с данными. Каждая микросхема RDRAM может содержать до 32 независимых банков, SD RAM – от 2 до 8. Свободно работает на высоких тактовых частотах.
    Микросхема на 184 контакта Микросхемы ОП с тактовой частотой от 600 до 800 МГц. Когда используется микросхема PC800 (частота синхронизации 400 МГц), пропускная способность шины «память-процессор» достигает 3,2 Гб/с. При использовании PC600 (300 МГц) этот параметр = 2,6 Гб/с.
    В свободные гнезда памяти Rambus необходимо устанавливать заглушки Continuity Rimm (CRIMM). Без них система не станет работать, поскольку модули в обоих каналах Rambus включаются каскадно, то есть тактовые и управляющие сигналы проходят через разъемы Rimm последовательно. Емкость ОЗУ может быть до 3 Гб.
    Обеспечивают значительное быстродействие при выполнении сложных приложений на ПК и рабочих станциях. Вопрос о быстродействии ОП сегодня очень спорный.
  3. DDR SDRAM (Double Data Rate) – двойная скорость передачи данных – это по сути модификации обычной SDRAM и отличается от нее тем, что в ней запись и чтение данных происходят и по переднему и по заднему фронту тактового импульса. Поэтому за один такт по шине передается вдвое больше данных, и ее эффективная частота оказывается вдвое больше физической.
    2х канальная память DDR266 DDR333 и DDR400 и системы с ней не уступают памяти RDRAM. ОП с удвоенной скоростью передачи данных, а иначе называется PC200 и PC266 в зависимости от тактовой частоты системной шины. Не столь дорогая, чем (3) и явно способствует повышению быстродействия ПК в отличие от (2). В основном благодаря использованию этой памяти ПК на базе Athlon 1,2 Ггц обошел на многих тестах 1,5 Ггц Р-IV с памятью RD RAM.
    Сегодня, пока, покупатель не может просто выбрать желательный для него тип ОП, так как она связана с интегральной схемой на системной плате, а та с ЦП. Так, пока, Р-IV работает с набором ИС- 850 компании Intel и дорогостоящей памятью RD RAM. (В середине 2001 года планируется появление микросхем, совместимых с устройствами SD RAM и DDR). Если вы хотите приобрести Р-IV, то автоматически будете вынуждены приобрести и дорогую ОП. Наборы интегральных схем семейства Athlon используют ОП SD RAM и DDR, но не могут RD RAM.

Модуль памяти Kingston DDR PC3200

В ПЗУ информация остаётся неизменной.
Запись в ПЗУ обычно осуществляется электрическим или механическим способом, в процессе изготовления материнской карты. Эти данные, как правило, не могут быть изменены, выполняемые не ПК
программы могут их только считывать В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере.

Часто ее называют ROM (Read Only Memory) – память только для чтения. В постоянной памяти хранятся программы для проверки оборудования компьютера, инициирования загрузки ОС и выполнение базовых
функций по обслуживанию устройств ПК. Часто содержимое постоянной памяти называют BIOS(Basic Input Output System) – базовая система ввода/вывода.
BIOS – это система контроля и управления устройствами, подключёнными к ПК (жёсткий диск, ОП, часы, календарь). Это часть программного обеспечения ПК, поддерживающая управление адаптерами
внешних устройств, экранные операции, тестирование, начальную загрузку и установку OS. BIOS находится на материнской плате (отдельная микросхема с автономным питанием от батарейки в ПК).

На сегодняшних ПК BIOS можно перезаписывать.BIOS сегодня может сам определять новые устройства, подключённые к ПК (стандарт PnP — Plug-And-Play) включи и работай.
Управление устройствами осуществляется через механизм прерываний.


Прерывания могут быть:

  • аппаратные (инициируются аппаратными средствами),
  • логические (инициируются микропроцессором – нестандартные ситуации в работе микропроцессора),
  • программные (инициируются каким-либо программным обеспечением).

При включении ПК автоматически загружается и выполняется спец.программа POST(Power-On Self-Test) из состава BIOS.

Эта программа производит самопроверку и тестирование при загрузке:

  • проверка переключателей и CMOS-памяти на системной (материнской) плате (определение оборудования, которое подключено к ПК),
  • тестирование ОЗУ,
  • выполнение действий по загрузке OС (загрузка в ОЗУ и запуск Блока Начальной Загрузки OС),
  • выполняет другие специфические действия по подготовке ПК и дополнительно-го оборудования к работе.


BIOS

Является своеобразной программной оболочкой вокруг аппаратных средств ПК (самого нижнего уровня), реализуя доступ к аппаратным средствам ПК через механизм прерываний.
CMOS-память – ПЗУ (с возможностью модификации), где содержится некоторая настроченная информация по конфигурации ДАННОГО ПК и некоторого дополнительного оборудования. Обладает низким электропотреблением. Питается от аккуммуляторной батарейки.
«Вход» в редактирование CMOS-памяти, как правило, по нажатию клавиши DELETE (DEL) (на клавиатуре) сразу после включения ПК в процессе работы POST-программы (загрузка программы Setup).

  • системные часы,
  • информация по результатам диагностики POST-программы,
  • информация по наличию и типу FDD,
  • информация по наличию и типу HDD,
  • размер ОЗУ,
  • наличие дополнительного оборудования.

Поясним разницу между ячейками памяти, портами и регистрами.
Ячейки памяти служат лишь для хранения информации – сначала ее записывают в ячейку, а потом могут прочитать, а также записать иную информацию.
Порты ввода-вывода , как правило, служат для преобразования двоичной информации в какие-либо физические сигналы и обратно. Например, порт данных параллельного интерфейса формирует электрические сигналы на разъеме, к которому обычно подключают принтер. Порт состояния того же интерфейса электрические сигналы, поступающие от принтера, отображает в виде набора бит, который может быть считан процессором.
Регистр –довольно широкое понятие, которое зачастую используется как синоним порта.
Каждый байт (ячейка памяти, порт) имеет собственный уникальный физический адрес . Этот адрес устанавливается на системной шине процессором, когда он инициирует обращение к данной ячейке или порту. В семействе х86 и PC-совместимых компьютерах пространства адресов ячеек памяти и портов ввода-вывода разделены. Это предусмотрено с обеих сторон: процессоры позволяют, а компьютеры используют данное разделение. Нынешние процессоры имеют разрядность физического адреса памяти 32 и даже 36 бит, что позволяет адресовать до 4 и 64 Гбайт соответственно. Пространство ввода-вывода использует только младшие 16 бит адреса, что позволяет адресовать до 65 384 однобайтных регистров. Адреса «исторических» системных устройств PC не изменились с самого рождения – это дань совместимости, которая без разделения пространств вряд ли бы просуществовала столько лет. Пространства памяти и портов ввода-вывода неравнозначны не только по объему, но и по способам обращения. Способов адресации к ячейке памяти в х86 великое множество, в то время как для адресации ввода-вывода их существует только два. К памяти возможна (и широко используется) виртуальная адресация, при которой для программиста, программы и даже пользователя создается иллюзия гигантского размера оперативной памяти. К портам ввода-вывода обращаются только по реальным адресам, правда, и здесь возможна виртуализация, но уже чисто программными средствами операционной системы. И, наконец, самое существенное различие пространств памяти и портов ввода-вывода: процессор может считывать инструкции для исполнения только из пространства памяти. Конечно, через порт ввода можно считать фрагмент программного кода (что и происходит, например, при считывании данных с диска), но для того чтобы этот код исполнить, его необходимо записать в память.
Регистры различных устройств могут быть приписаны как к пространству портов ввода-вывода, так и к пространству памяти. Под портом устройства, как правило, подразумевают регистр, связанный с этим устройством и приписанный к пространству портов ввода-вывода. Точность вышеприведенной терминологии, конечно же, относительна. Так, к примеру, ячейки видеопамяти (тоже память!) служат в основном не для хранения информации, а для управления свечением элементов экрана.

Министерство образования и науки нижегородской области

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Борский Губернский колледж»

Специальность 230701 Прикладная информатика (по отраслям)

Реферат

На тему: Структура оперативной памяти.

По дисциплине: Операционные системы и среды.

Выполнил:

студент гр. ИТ-41

Родов А.Е.

Проверил:

Марков А.В.

Городской округ города Бор

Введение

Оперативной памяти (от англ. Random Access Memory ) памятьс произвольным доступом. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) - энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные промежуточные данные, обрабатываемые процессором.

1. Структура оперативной памяти

Оперативная память состоит из ячеек, в каждой из которых может находиться единица информации – машинное слово. Каждая ячейка имеет две характеристики: адрес и содержимое. Через регистр адреса микропроцессора можно обратиться к любой ячейке памяти.

2. Сегментная модель памяти

Когда-то давно, на заре рождения компьютерной техники, оперативная память была очень маленькой и для ее адресации использовались 2 байта (так называемое «слово»). Такой подход позволял адресовать 64 Кб памяти, и адресация была линейной – для указания адреса использовалось одно-единственное число. Позже, с усовершенствованием техники, производители поняли, что имеется возможность поддерживать большие объемы памяти, но для этого нужно сделать размер адреса больше. Для совместимости с уже написанным программным обеспечением было решено сделать так: адресация теперь двухкомпонентная (сегмент и смещение) , каждая из которых 16-битная, а старые программы как использовали одну 16-битную компоненту и ничего не знают о сегментах, так и продолжают работать


4. DRAM – Dynamic Random Access Memory

DRAM – это очень старый тип микросхем оперативной памяти, который сейчас уже давно не применяется. По другому DRAM – это динамическая память с произвольным порядком выборки. Минимальной единицей информации при хранении или передаче данных в компьютере является бит. Каждый бит может быть в двух состояниях: включен (да, 1) или выключен (нет, 0). Любой объем информации в конечном итоге состоит из включенных и выключенных битов. Таким образом, что бы сохранить или передать какой либо объем данных, необходимо сохранить или передать каждый бит, не зависимо от его состояния, этих данных.

Для хранения битов информации в оперативной памяти есть ячейки. Ячейки состоят из конденсаторов и транзисторов. Вот примерная и упрощенная схема ячейки DRAM:

Каждая ячейка способна хранить только один бит. Если конденсатор ячейки заряжен, то это означает, что бит включен, если разряжен – выключен. Если необходимо запомнить один байт данных, то понадобится 8 ячеек (1 байт = 8 битам). Ячейки расположены в матрицах и каждая из них имеет свой адрес, состоящий из номера строки и номера столбца.

Теперь рассмотрим, как происходит чтение. Сначала на все входы подается сигнал RAS (Row Address Strobe) – это адрес строки. После этого, все данные из этой строки записываются в буфер. Затем на регистр подается сигнал CAS (Column Address Strobe) – это сигнал столбца и происходит выбор бита с соответствующим адресом. Этот бит и подается на выход. Но во время считывания данные в ячейках считанной строки разрушаются и их необходимо перезаписать взяв из буфера.

Теперь запись. Подается сигнал WR (Write) и информация поступает на шину столбца не из регистра, а с информационного входа памяти через коммутатор, определенный адресом столбца. Таким образом, прохождение данных при записи определяется комбинацией сигналов адреса столбца и строки и разрешения записи данных в память. При записи данные из регистра строки на выход не поступают.

Следует учесть то, что матрицы с ячейками расположены вот таким вот образом:

Это означает, что за один раз будет считан не один бит, а несколько. Если параллельно расположено 8 матриц, то сразу считан будет один байт. Это называется разрядностью. Количество линий, по которым будут передаваться данные от (или на) параллельных матриц, определяется разрядностью шины ввода/вывода микросхемы.
Говоря о работе DRAM необходимо учитывать один момент. Все заключается в том, что конденсаторы не могут бесконечно долго хранить заряд и он в конце концов «стекает», Поэтому конденсаторы необходимо перезаряжать. Операция перезарядки называется Refresh или регенерацией. Происходит эта операция примерно каждые 2 мс и порой занимает до 10 % (а то и больше) рабочего времени процессора.

Важнейшей характеристикой DRAM является быстродействие, а проще говоря продолжительность цикла + время задержки + время доступа, где продолжительность цикла – время, затраченное на передачу данных, время задержки – начальная установка адреса строки и столбца, а время доступа – время поиска самой ячейки. Измеряется эта фигня в наносекундах (одна миллиардная доля секунды). Современные микросхемы памяти имеют быстродействие ниже 10 мс.

Оперативной памятью управляет контроллер, который находится в чипсете материнской платы, а точнее в той его части, которая называется North Bridge.

А теперь поняв как работает оперативная память, разберемся, зачем же она вообще нужна. После процессора, оперативную память можно считать самым быстродействующим устройством. Поэтому основной обмен данными и происходит между этими двумя девайсами. Вся информация в персональном компьютере хранится на жестком диске. При включении компа в ОЗУ (Оперативное Запоминающее Устройство) с винта записываются драйвера, специальные программы и элементы операционной системы. Затем туда будут записаны те программы – приложения, которые Вы будете запускать. При закрытии этих программ они будут стерты из ОЗУ. Данные, записанные в оперативной памяти, передаются в CPU (Central Processing Unit), там обрабатываются и записываются обратно. И так постоянно: дали команду процессору взять биты по таким то адресам, как то их там обработать и вернуть на место или записать на новое – он так и сделал.

Все это хорошо, до тех пор, пока ячеек ОЗУ хватает. А если нет? Тогда в работу вступает файл подкачки. Этот файл расположен на жестком диске и туда записывается все, что не влезает в ячейки оперативной памяти. Поскольку быстродействие винта значительно ниже ОЗУ, то работа файла подкачки сильно замедляет работу системы. Кроме этого, это снижает долговечность самого жесткого диска.

Увеличение объема памяти не приводит к увеличению ее быстродействия. Изменение объема памяти ни как не повлияет на ее работу. А вот если рассматривать работу системы, то тут дело другое. В том случае, если Вам хватает объема оперативной памяти, то увеличение объема не приведет к увеличению скорости работы системы. Если же ячеек ОЗУ не хватает, то увеличение их количества (проще говоря добавление новой или замене старой на новую с большим объемом линейки памяти) приведет к ускорению работы системы.

Страница 4

Ячейка – это часть памяти компьютера, вмещающая в себя информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора. Содержимое ячейки памяти называется машинным словом. Ячейка памяти состоит из некоторого числа однородных элементов. Каждый элемент способен находиться в одном из двух состояний и служит для изображения одного из разрядов числа. Именно поэтому каждый элемент ячейки называют разрядом.

Нумерацию разрядов в ячейке принято вести справа налево, самый правый разряд имеет порядковый номер 0. Это младший разряд ячейки памяти, старший разряд имеет порядковый номер (n-1) в n-разрядной ячейке памяти. Содержимым любого разряда может быть либо 0, либо 1.

Основная причина – простота и надежность двухпозиционных элементов в плане их технической реализации. Наиболее надежным и дешевым является устройство, каждый разряд которого может принимать два состояния: намагничено - не намагничено, высокое напряжение - низкое напряжение и т.д.

Следовательно, использование двоичной системы счисления в качестве внутренней системы представления информации вызвано конструктивными особенностями элементов вычислительных машин.

Машинное слово для конкретной ЭВМ – это всегда фиксированное число разрядов. Данное число является одной из важнейших характеристик любой ЭВМ и называется разрядностью машины.

Например, самые современные персональные компьютеры являются 64-разрядным, то есть машинное слово и соответственно, ячейка памяти, состоит из 64 разрядов или битов.

Бит - минимальная единица измерения информации.

Каждый бит может принимать значение 0 или 1. Битом также называют разряд ячейки памяти ЭВМ. Стандартный размер наименьшей ячейки памяти равен восьми битам, то есть восьми двоичным разрядам. Совокупность из 8 битов является основной единицей представления данных – байт.

Байт (от английского byte – слог) – часть машинного слова, состоящая из 8 бит, обрабатываемая в ЭВМ как одно целое. На экране – ячейка памяти, состоящая из 8 разрядов – это байт. Младший разряд имеет порядковый номер 0, старший разряд – порядковый номер 7.

Для записи чисел также используют 32-разрядный формат (машинное слово), 16-разрядный формат (полуслово) и 64-разрядный формат (двойное слово).

Для измерения объема хранимой информации используются более крупные единицы объема памяти:

1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 210 байт;

1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 220 байт;

1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 байт;

1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 240 байт;

1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 250 байт.

Число 1024 как множитель при переходе к более высшей единице измерения информации имеет своим происхождением двоичную систему счисления (1024 - это десятая степень двойки).

Общие сведения о системах счисления

Система счисления - это совокупность правил записи чисел с помощью определенного набора символов.

Для записи чисел могут использоваться не только цифры, но и буквы (запись римскими цифрами).

В зависимости от способа изображения чисел системы счисления делятся на позиционные и непозиционные.

В позиционной системе счисления значение каждой цифры зависит от того, в каком месте она записана.

В непозиционной системе счисления цифры не изменяют своего значения при изменении их расположения в числе. * Римская система счисления I(1), V(5), X(10), L(50), C(100), D(500), M(1000).

Величина числа в римской системе счисления определяется как сумма или разность цифр в числе. Если меньшая цифра стоит слева от большей, то она вычитается, если справа - прибавляется.

Пример:CCXXXII=232 или IX =9

Основание системы счисления – количество различных символов, используемых для изображения числа в позиционной системе счисления. (Р).

Максимальное число, записанное в восьми разрядах ячейки соответствует восьми единицам и равно:

111111112 = 1*27 + 1*26 + 1*25 + 1*24 + 1*23 + 1*22 + 1*21 + 1*20 = 255.

Знаковые положительные числа в байте можно представить только

от 0 до 127.

Старший (левый) разряд отводится под знак числа, остальные

7 разрядов под само число. Максимальное число в знаковом представлении соответствует семи единицам и равно:

Информация о ообразовании:

Методические особенности организации семинарского занятия
При разработке методики семинарских занятий важное место занимает вопрос о взаимосвязи между семинаром и лекцией, семинаром и самостоятельной работой студентов, о характере и способах такой взаимосвязи. Семинар не должен повторять лекцию, и, вместе с тем, его руководителю необходимо сохранить связь...

Качество подготовки специалистов
Требования при приёме. Порядок приема молодежи на обучение определяется законом "Об образовании" РФ, типовым положением об учреждении НПО, Уставом ГОУ НПО ПУ № 73, внутриучилищным локальным актом "Правила приема в училище и отчисления из училища". Внутренний локальный акт приним...

Как преодолевать проблемы
Будьте готовы к тому, что время от времени у вас будут возникать проблемы. Это могут быть проблемы разного рода – личные, связанные с учебой, со взаимоотношениями между людьми – с подобными проблемами встречается каждый. Можно сказать, что если у вас есть проблемы, значит вы живете нормальной жизнь...

Данные в ЭВМ - это наборы битов, байтов и записей, которые должны быть записаны в памяти машины.

В современных ЭВМ данные размещаются не только в оперативной, но и в долговременной памяти.

В долговременной памяти могут размещаться данные больших объемов, а также целые комплексы программ, используемых для управления работой ЭВМ и автоматизированных систем.

Как устроена память компьютера

Память компьютера лучше всего представить себе в виде последовательности ячеек. Количество информации в каждой ячейке – один байт.

Любая информация сохраняется в памяти компьютера в виде последовательности байтов. Байты (ячейки) памяти пронумерованы один за другим, причем номер первого от начала памяти байта приравнивается к нулю. Каждая конкретная информация, которая сохраняется в памяти, может занимать один или несколько байтов. Количество байтов, которые занимает та или иная информация в памяти, являются размером этой информации в байтах.

Например, целое плюсовое число от 0 до 2 8 -1=255 занимает 1 байт памяти. Для хранения целого плюсового числа от 2 8= 256 до 2 16 -1=65536 нужно уже два последовательных байта.

Основная задача при работе с памятью состоит в том, чтобы найти место в памяти, где находится необходимая информация.

Для того, чтобы найти человека в большом городе, необходимо знать его точный адрес. Так же, чтобы найти место той или иной информации в памяти, введено понятие адреса в памяти.

Например, если слово "информатика", которое состоит из 11 букв, занимает байты с номерами от 1234 до 1244 (всего 11 байтов), то адрес этого слова равняется 1234.

Чем больше объем памяти, тем больше файлов и программ она может вместить, тем больше задач можно развязать с помощью компьютера.

Чем же определяется объем доступной памяти компьютера или какое наибольшее число можно использовать для указания адреса?

Адрес, как и любая информация в компьютере, подается в двоичном виде. Значит, наибольшее значение адреса определяется количеством битов, которые используются для его двоичной подачи. В одном байте (8 битов) можно сохранять 2 8 (=256) чисел от 0 до 255, в двух байтах (16 битов) - 2 16 чисел от 0 до 65536, в четырех байтах (32 бита) – 2 32 чисел от 0 до 4294967295.

Виды памяти

Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ или англ.RAM от Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстро запоминающее устройство не очень большого объема, которое непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, которые обрабатываются этими программами.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается то все, что находилось на ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой – это значит, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОЗУ обычно составляет от 32 до 512 Мбайт. Для не сложных административных задач бывает достаточно и 32 Мбайт ОЗУ, но сложные задачи компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ.

Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти SDRAM (синхронное динамическое ОЗУ). Каждый информационный бит в SDRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за утечки токов такие конденсаторы быстро разряжаются и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Микросхемы SDRAM имеют емкость от 16 до 256 Мбит и более. Они устанавливаются в корпусе и собираются в модули памяти. Большинство современных компьютеров комплектуются модулями типа DIMM (Dual-In-line Memory Module - модуль памяти с двухрядным расположением микросхем). В компьютерных системах на самых современных процессорах используются

Высокоскоростные модули Rambus DRAM (RIMM) и DDR DRAM.

Сразу после включения компьютера начинают "тикать" электронные "часы" основной шины. Их импульсы расталкивают заспавшийся процессор, и тот может начинать работу. Но для работы процессора нужны команды.

Точнее говоря, нужны программы, потому что программы - это и есть упорядоченные наборы команд. Таким образом, где-то в компьютере должна быть заранее, заготовлена пусковая программа, а процессор в момент пробуждения должен твердо знать, где она лежит.

Хранить эту программу на каких-либо носителях информации нельзя, потому что в момент включения процессор ничего не знает ни о каких устройствах. Чтобы он о них узнал, ему тоже нужна какая-то программа, и мы возвращаемся к тому, с чего начали. Хранить ее в оперативной памяти тоже нельзя, потому что в ней в обесточенном состоянии ничего не хранится.

Выход здесь существует один-единственный. Такую программу надо создать аппаратными средствами. Для этого на материнской плате имеется специальная микросхема, которая называется постоянным запоминающим устройством - ПЗУ. Еще при производстве в нее "зашили" стандартный комплекс программ, с которых процессор должен начинать работу. Этот комплекс программ называется базовой системой ввода-вывода.

По конструкции микросхема ПЗУ отличается от микросхем оперативной памяти, но логически это те же самые ячейки, в которых записаны какие-то числа, разве что не стираемые при выключении питания. Каждая ячейка имеет свой адрес.

После запуска процессор обращается по фиксированному адресу (всегда одному и тому же), который указывает именно на ПЗУ. Отсюда и поступают первые данные и команды. Так начинается работа процессора, а вместе с ним и компьютера. На экране в этот момент мы видим белые символы на черном фоне.

Одной из первых исполняется подпрограмма, выполняющая самотестирование компьютера. Она так и называется: Тест при включении (по-английски - POST - Power-On Self Test). В ходе ее работы проверяется многое, но на экране мы видим только, как мелькают цифры, соответствующие проверенным ячейкам оперативной памяти.

Программных средств BIOS достаточно, чтобы сделать первичные проверки и подключить стандартные устройства, такие как клавиатура и монитор. Слово стандартные мы выделили специально. Дело в том, что монитор и клавиатура у вас могут быть очень даже нестандартными. Но на данном этапе это не имеет значения - просто компьютер пока рассматривает их как стандартные. Ему еще не ведомы все их свойства, и он полагает, что клавиатура и монитор у нас такие, какие были в ходу двадцать лет назад, во времена первых компьютеров. Этим обеспечивается гарантия того, что вы хоть что-то увидите на экране, вне зависимости от той модели монитора, какая имеется в вашем распоряжении. BIOS предполагает, что монитор у нас черно-белый - именно поэтому первые сообщения на экранет проходят в черно-белом режиме.

Однако долго работать лишь только со стандартными устройствами компьютер не может. Ему пора бы узнать о том, что у него есть на самом деле. Истинная информация об устройствах компьютера записана на жестком диске, но и его еще надо научиться читать. У каждого человека может быть свой жесткий уникальный диск, не похожий на другие. Спрашивается, откуда программы BIOS узнают, как работать именно с вашим жестким диском?

Для этого на материнской плате есть еще одна микросхема - CMOS-память. В ней сохраняются настройки, необходимые для работы программ BIOS. В частности, здесь хранятся текущая дата и время, параметры жестких дисков и некоторых других устройств. Эта память не может быть ни оперативной (иначе она стиралась бы), ни постоянной (иначе в нее нельзя было бы вводить данные с клавиатуры). Она сделана энергонезависимой и постоянно подпитывается от небольшой аккумуляторной батарейки, тоже размещенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает, чтобы компьютер не потерял настройки, даже если его не включать несколько лет.

Настройки CMOS, в частности, необходимы для задания системной даты и системного времени, при установке или замене жестких дисков, а также при выходе из большинства аварийных ситуаций. Настройкой BIOS можно, например, задать пароль, благодаря которому посторонний человек не сможет запустить компьютер. Впрочем, эта защита эффективна только от очень маленьких детей.

Для изменения настроек, хранящихся в CMOS-памяти, в ПЗУ содержится специальная программа - SETUP. Чтобы ее запустить, надо в самый первый момент после запуска компьютера нажать и удерживать клавишу DELETE. Навигацию в системе меню программы SETUP выполняют с помощью клавиш управления курсором. Нужные пункты меню выбирают клавишей ENTER, а возврат в меню верхнего уровня - клавишей ESC. Для изменения установленных значений служат клавиши Page Up и Page Down.

Кэш-память

Кэш-память - это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором компьютера для временного хранения информации. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные и команды "ближе" к процессору, откуда их можно быстрей получить.

Кэш-память напрямую влияет на скорость вычислений и помогает процессору работать с более равномерной загрузкой. Представьте себе массив информации, используемой в вашем офисе. Небольшие объемы информации, необходимой в первую очередь, скажем список телефонов подразделений, висят на стене над вашим столом. Точно так же вы храните под рукой информацию по текущим проектам. Реже используемые справочники, к примеру, городская телефонная книга, лежат на полке, рядом с рабочим столом. Литература, к которой вы обращаетесь совсем редко, занимает полки книжного шкафа. Компьютеры хранят данные в аналогичной иерархии. Когда приложение начинает работать, данные и команды переносятся с медленного жесткого диска в оперативную память произвольного доступа, откуда процессор может быстро их получить. Оперативная память играет роль КЭШа для жесткого диска. Для достаточно быстрых компьютеров необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого такие компьютеры могут оснащаться кэш-памятью, т.е. "сверхоперативной" памятью относительно небольшого объема (обычно от 64 до 256 Кбайт), в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. Кэш-память располагается "между" микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержаться в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Для компьютеров на основе intel-80386dx или 80486sx размер кэш-памяти в 64 кбайт является удовлетворительным, 128 кбайт - вполне достаточным. Компьютеры на основе intel-80486dx и dx2 обычно оснащаются кэш-памятью емкостью 256 Кбайт.

Ячейка памяти (вычисления) - Memory cell (computing)

Часть памяти компьютера

Схема кремниевой реализации шеститранзисторной ячейки памяти SRAM.

Ячейка памяти является основным строительным блоком памяти компьютера . Ячейка памяти представляет собой электронную схему, которая хранит один бит двоичной информации, и она должна быть настроена на сохранение логической 1 (высокий уровень напряжения) и сброшена для сохранения логического 0 (низкий уровень напряжения). Его значение сохраняется / сохраняется до тех пор, пока оно не будет изменено процессом установки / сброса. Доступ к значению в ячейке памяти можно получить, прочитав его.

За всю историю вычислений использовались разные архитектуры ячеек памяти, включая базовую память и пузырьковую память . Сегодня наиболее распространенной архитектурой ячеек памяти является МОП-память , которая состоит из ячеек памяти металл-оксид-полупроводник (МОП). Современная оперативная память (RAM) использует полевые МОП-транзисторы (MOSFET) в качестве триггеров наряду с МОП-конденсаторами для определенных типов оперативной памяти.

Ячейка памяти SRAM ( статическое ОЗУ ) представляет собой тип триггерной схемы, обычно реализуемой с использованием полевых МОП-транзисторов. Они требуют очень низкой мощности, чтобы сохранить сохраненное значение, когда к нему нет доступа. Второй тип, DRAM ( динамическое ОЗУ ), основан на МОП-конденсаторах. Зарядка и разрядка конденсатора может сохранять в ячейке «1» или «0». Однако заряд в этом конденсаторе будет медленно рассеиваться, и его необходимо периодически обновлять. Из-за этого процесса обновления DRAM потребляет больше энергии. Однако DRAM может обеспечить большую плотность хранения.

С другой стороны, большая часть энергонезависимой памяти (NVM) основана на архитектурах ячеек памяти с плавающим затвором . Технологии энергонезависимой памяти, включая EPROM , EEPROM и флэш-память, используют ячейки памяти с плавающим затвором, которые основаны на транзисторах MOSFET с плавающим затвором .

Описание

Ячейка памяти - это фундаментальный строительный блок памяти. Это может быть реализовано с использованием различных технологий, таких как биполярные , MOS и другие полупроводниковые устройства . Он также может быть изготовлен из магнитного материала, такого как ферритовые сердечники или магнитные пузыри. Независимо от используемой технологии реализации, назначение двоичной ячейки памяти всегда одно и то же. Он хранит один бит двоичной информации, к которой можно получить доступ, прочитав ячейку, и он должен быть настроен на сохранение 1 и сброс для сохранения 0.

Значимость

Квадратный массив читаемых ячеек памяти DRAM

Логические схемы без ячеек памяти или путей обратной связи называются комбинационными , их выходные значения зависят только от текущего значения их входных значений. У них нет памяти. Но память - ключевой элемент цифровых систем . В компьютерах он позволяет хранить как программы, так и данные, а ячейки памяти также используются для временного хранения выходных данных комбинационных схем, которые впоследствии будут использоваться цифровыми системами. Логические схемы, использующие ячейки памяти, называются последовательными схемами . Его выход зависит не только от текущего значения его входов, но и от предыдущего состояния схемы, которое определяется значениями, хранящимися в ее ячейках памяти. Эти схемы требуют для своей работы синхронизирующего генератора или часов.

Компьютерная память, используемая в большинстве современных компьютерных систем, в основном построена из ячеек DRAM; поскольку компоновка намного меньше, чем SRAM, она может быть более плотно упакована, что даст более дешевую память с большей емкостью. Поскольку ячейка памяти DRAM хранит свое значение как заряд конденсатора, и есть проблемы с утечкой тока, ее значение необходимо постоянно перезаписывать. Это одна из причин, по которым ячейки DRAM работают медленнее, чем ячейки SRAM (статической RAM) большего размера, значение которых всегда доступно. Вот причина , почему SRAM память используется для on- микросхемы кэш - памяти , включенного в современных микропроцессорных чипов.

История

11 декабря 1946 года Фредди Уильямс подал заявку на патент на свое запоминающее устройство на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) ( трубка Вильямса ) со 128 40- битными словами. Он был введен в эксплуатацию в 1947 году и считается первой практической реализацией оперативной памяти (ОЗУ). В том же году Фредерик Вие подал первые заявки на патент на память с магнитным сердечником . Практическая память на магнитных сердечниках была разработана Ан Вангом в 1948 году и усовершенствована Джеем Форрестером и Яном А. Райчманом в начале 1950-х годов, прежде чем она была коммерциализирована с компьютером Whirlwind в 1953 году. Кен Олсен также внес свой вклад в его разработку.

Полупроводниковая память началась в начале 1960-х годов с биполярных ячеек памяти, сделанных из биполярных транзисторов . Хотя он улучшил производительность, он не мог конкурировать с более низкой ценой на память с магнитным сердечником.

Ячейки памяти MOS

Изобретение MOSFET ( полевого транзистора металл-оксид-полупроводник), также известного как MOS-транзистор, Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году, позволило на практике использовать металл-оксид-полупроводник (MOS ) транзисторы в качестве элементов хранения ячеек памяти, функция, ранее выполняемая магнитными сердечниками . Первые современные ячейки памяти были введены в 1964 году, когда Джон Шмидт разработал первый 64-битный р-канальный МОП ( МОП ) статическая память с произвольным доступом (ОЗУ).

SRAM обычно имеет ячейки с шестью транзисторами , тогда как DRAM (динамическая память с произвольным доступом) обычно имеет ячейки с одним транзистором. В 1965 году электронный калькулятор Toshiba Toscal BC-1411 использовал форму емкостной биполярной памяти DRAM, хранящей 180-битные данные в дискретных ячейках памяти, состоящих из германиевых биполярных транзисторов и конденсаторов. Технология MOS - это основа современной DRAM. В 1966 году доктор Роберт Х. Деннард из исследовательского центра IBM Thomas J. Watson работал над MOS-памятью. Изучая характеристики технологии МОП, он обнаружил, что она способна создавать конденсаторы , и что сохранение заряда или отсутствие заряда на МОП-конденсаторе может представлять 1 и 0 бита, в то время как МОП-транзистор может управлять записью заряда в конденсатор. Это привело к его разработке ячейки памяти DRAM с одним транзистором. В 1967 году Деннард подал патент на ячейку памяти DRAM с одним транзистором, основанную на технологии MOS.

Первый коммерческий биполярный 64-битный SRAM был выпущен Intel в 1969 году с 3101 Schottky TTL . Годом позже был выпущен первый чип интегральной схемы DRAM , Intel 1103 , основанный на технологии MOS. К 1972 году он побил предыдущие рекорды по продажам полупроводниковой памяти . Чипы DRAM в начале 1970-х годов имели ячейки с тремя транзисторами, прежде чем ячейки с одним транзистором стали стандартом с середины 1970-х годов.

CMOS- память была коммерциализирована RCA , которая выпустила 288-битную микросхему памяти CMOS SRAM в 1968 году. CMOS-память изначально была медленнее, чем память NMOS , которая более широко использовалась компьютерами в 1970-х годах. В 1978 году Hitachi представила процесс двухлуночной КМОП с  микросхемой памяти HM6147 (4 КБ SRAM), изготовленной по технологии 3 мкм . Чип HM6147 был способен соответствовать производительности самого быстрого чипа памяти NMOS в то время, в то время как HM6147 также потреблял значительно меньше энергии. Обладая сопоставимой производительностью и гораздо меньшим энергопотреблением, двухлуночный CMOS-процесс в конечном итоге обогнал NMOS как наиболее распространенный процесс производства полупроводников для компьютерной памяти в 1980-х годах.

Двумя наиболее распространенными типами ячеек памяти DRAM с 1980-х годов были ячейки траншейного конденсатора и ячейки с пакетом конденсаторов. Ячейки с канавками - это места, где в кремниевой подложке сделаны отверстия (канавки), боковые стенки которых используются в качестве ячеек памяти, тогда как ячейки с накопленными конденсаторами являются самой ранней формой трехмерной памяти (3D-память), где ячейки памяти укладываются вертикально в трехмерную ячеистую структуру. Оба дебютировали в 1984 году, когда Hitachi представила память с траншейными конденсаторами, а Fujitsu - память с накопительными конденсаторами.

Ячейки памяти MOS с плавающим затвором

С плавающим затвором МОП - транзистор (FGMOS) был изобретен Давоном Канга и Саймона Sze в Bell Labs в 1967 г. Они предложили концепцию ячеек памяти с плавающим затвором, с использованием FGMOS транзисторов, которые могут быть использованы для получения перепрограммируемой ROM (память только для чтения ). 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 .

Флэш-память была изобретена Фудзио Масуока в компании Toshiba в 1980 году. Масуока и его коллеги представили изобретение NOR-флеш-памяти в 1984 году, а затем NAND-флеш-памяти в 1987 году. Флэш-память с многоуровневыми ячейками (MLC) была представлена NEC , которая продемонстрировала четырехъядерные технологии. Уровни ячеек в флеш-чипе объемом 64 Мбайт , хранящем 2 бита на ячейку, в 1996 году. 3D V-NAND , в котором ячейки флэш-памяти укладываются вертикально с использованием технологии трехмерной флэш-ловушки заряда (CTP), впервые была анонсирована Toshiba в 2007 году и впервые появилась на рынке произведен компанией Samsung Electronics в 2013 году.  

Выполнение

На следующих схемах подробно описаны три наиболее часто используемые реализации ячеек памяти:

  • Ячейка динамической оперативной памяти (DRAM)
  • Статическая ячейка оперативной памяти (SRAM)
  • Вьетнамки, такие как J / K, показанные ниже.
Ячейка DRAM (1 транзистор и один конденсатор) Ячейка SRAM (6 транзисторов) Шлепанцы J / K с синхронизацией

Операция

Ячейка памяти DRAM

Die из MT4C1024 интегрирующей одно- mebibit из DRAM ячеек памяти.
Место хранения
Запоминающим элементом ячейки памяти DRAM является конденсатор, обозначенный (4) на схеме выше. Заряд, накопленный в конденсаторе, со временем уменьшается, поэтому его значение необходимо периодически обновлять (считывать и перезаписывать). NMOS - транзистор (3) действует как ворота , чтобы позволить чтение или запись при открытии или хранении в закрытом состоянии .
Чтение
Для чтения строки Word (2) вводится логическая 1 (высокое напряжение) на затвор nMOS- транзистора (3), что делает его проводящим, и заряд, накопленный на конденсаторе (4), затем передается на разрядную линию (1). . Битовая линия будет иметь паразитную емкость (5), которая будет истощать часть заряда и замедлять процесс чтения. Емкость разрядной линии будет определять необходимый размер накопительного конденсатора (4). Это компромисс. Если накопительный конденсатор слишком мал, напряжению разрядной линии потребуется слишком много времени, чтобы подняться или даже не подняться выше порогового значения, необходимого усилителям на конце разрядной линии. Поскольку процесс считывания снижает заряд накопительного конденсатора (4), его значение перезаписывается после каждого считывания.
Письмо
Процесс записи самый простой, желаемое значение логической 1 (высокое напряжение) или логического 0 (низкое напряжение) вводится в разрядную шину. Шина слов активирует nMOS- транзистор (3), соединяющий его с накопительным конденсатором (4). Единственная проблема заключается в том, чтобы держать его открытым достаточно времени, чтобы убедиться, что конденсатор полностью заряжен или разряжен, прежде чем отключать nMOS-транзистор (3).

Ячейка памяти SRAM

Ячейка памяти SRAM, изображающая контур инвертора в виде ворот Анимированная защелка SR. Черный и белый означают логические «1» и «0» соответственно.
(A) S = 1, R = 0: установить
(B) S = 0, R = 0: удерживать
(C) S = 0, R = 1: сбросить
(D) S = 1, R = 1: не разрешено
Переход от ограниченной комбинации (D) до (A) приводит к нестабильному состоянию.
Место хранения
Принцип работы ячейки памяти SRAM может быть легче понять, если транзисторы с M1 по M4 нарисованы как логические вентили . Таким образом, становится ясно, что по своей сути хранилище ячеек построено с использованием двух инверторов с перекрестной связью . Этот простой цикл создает бистабильную схему. Логическая 1 на входе первого инвертора превращается в 0 на его выходе и подается на второй инвертор, который преобразует этот логический 0 обратно в логическую 1, возвращая то же значение на вход первого инвертора. Это создает стабильное состояние, которое не меняется со временем. Точно так же другое стабильное состояние схемы должно иметь логический 0 на входе первого инвертора. После того, как он был дважды инвертирован, он также вернет то же значение.
Следовательно, существует только два стабильных состояния, в которых может находиться схема:
  • Q{\ displaystyle \ scriptstyle Q} = 0 и   = 1Q¯{\ displaystyle \ scriptstyle {\ overline {Q}}}
  • Q{\ displaystyle \ scriptstyle Q} = 1 и   = 0Q¯{\ displaystyle \ scriptstyle {\ overline {Q}}}
Чтение
Чтобы прочитать содержимое ячейки памяти, хранящейся в шлейфе, транзисторы M5 и M6 должны быть включены. когда они получают напряжение на свои вентили от словарной линии ( ), они становятся проводящими, и поэтому  значения и   передаются в битовую линию ( ) и ее дополнение ( ). Наконец, эти значения усиливаются в конце битовых строк.WL{\ displaystyle \ scriptstyle WL}Q{\ displaystyle \ scriptstyle Q}Q¯{\ displaystyle \ scriptstyle {\ overline {Q}}}BL{\ displaystyle \ scriptstyle BL}BL¯{\ displaystyle \ scriptstyle {\ overline {BL}}}
Письмо
Процесс записи аналогичен, разница в том, что теперь новое значение, которое будет сохранено в ячейке памяти, передается в битовую строку ( ), а инвертированное - в ее дополнение ( ). Следующие транзисторы M5 и M6 открываются путем ввода логической единицы (высокое напряжение) в словарную шину ( ). Это эффективно подключает разрядные шины к стабильному контуру инвертора. Возможны два случая: BL{\ displaystyle \ scriptstyle BL}BL¯{\ displaystyle \ scriptstyle {\ overline {BL}}}WL{\ displaystyle \ scriptstyle WL}
  1. Если значение цикла совпадает с новым управляемым значением, изменений нет.
  2. Если значение цикла отличается от нового установленного значения, есть два конфликтующих значения, чтобы напряжение в битовых линиях перезаписало выходной сигнал инверторов, размер транзисторов M5 и M6 должен быть больше, чем размер транзисторов транзисторы М1-М4. Это позволяет большему току протекать через первые и, следовательно, увеличивает напряжение в направлении нового значения, в какой-то момент контур будет усиливать это промежуточное значение до полной шины.

Резкий поворот

Триггер имеет множество различных реализаций, его элемент хранения, как правило, защелки , состоящие из затвора NAND петли или логический элемент петля с дополнительными воротами используется для реализации тактирования. Его значение всегда доступно для чтения в качестве вывода. Значение сохраняется до тех пор, пока оно не будет изменено в процессе установки или сброса. Триггеры обычно реализуются с использованием транзисторов MOSFET .

Плавающие ворота

Ячейка флэш-памяти

Ячейки памяти с плавающим затвором , основанные на транзисторах MOSFET с плавающим затвором , используются для большинства технологий энергонезависимой памяти (NVM), включая EPROM , EEPROM и флэш-память . 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 управляющим затвором с емкостной связью (CG). Будучи электрически изолированным, FG действует как накопительный электрод для устройства ячейки. Заряд, введенный в FG, сохраняется там, позволяя модулировать «кажущееся» пороговое напряжение (т. Е. VT, видимое из CG) транзистора ячейки.

Смотрите также

Рекомендации

Основные принципы работы электронной памяти

Основные принципы работы электронной памяти
Прежде чем говорить о конкретных типах современных микросхем памяти, надо немного вспомнить прошлое и разобраться в основных принципах работы электронной памяти и особенностях ее адресации.
Компьютеры, в отличие от людей, которые пользуются десятичной системой счисления, используют двоичную арифметику, т. е. в любом разряде машинного числа может находиться либо "0" — нет, либо "1" — да. Соответственно, и каждая ячейка электронной памяти компьютера должна запоминать одно из двух значений — 0 или 1. Самое простое запоминающее устройство — это набор тумблеров или реле, которые замыкают или размыкают электрическую цепь. Если вспомнить, то старинные вычислительные машины как раз использовали для оперативной памяти реле, а в качестве ПЗУ применялись обычные тумблеры (и это не удивительно, т. к. даже мини-ЭВМ 80-х годов прошлого века имели панель с набором тумблеров для ввода команд).
Развитие полупроводниковых технологий привело к тому, что для электронной памяти персонального компьютера в большинстве случаев используются кремниевые интегральные микросхемы. А минимальная ячейка памяти в микросхеме — это триггер, который в самом простейшем случае собирается на двух транзисторах. Но поскольку для управления триггером требуются цепи управления, то элементарная запоминающая ячейка современной статической памяти, которая применяется, в частности, для кэш-памяти, содержит иногда до десятка транзисторов. Для примера на рис. 3.5 показана схема ячейки памяти КМОП-микросхемы. В ней из шести КМОП-транзисторов только транзисторы V3 и V5 отвечают за хранение информации, а остальные используются по другому назначению.
Так как в современном компьютере применяются микросхемы, содержащие сотни тысяч ячеек, то для упрощения управления запоминающие ячейки группируются в квадратные матрицы. Для обращения к конкретной ячейке памяти используется адрес, формируемый из номера строки и столбца (рис. 3.6). Как только на шинах столбцов и строк будет установлен правильный адрес нужной ячейки, на выходе матрицы появится напряжение, соответствующее информации, записанной в ячейку памяти. Заметим, что такой принцип адресации используется и для чтения или записи байта в оперативной памяти, но при этом за каждый разряд байта или слова отвечает своя запоминающая матрица, которая, чаще всего, находится в отдельной микросхеме.
Для записи информации в конкретную ячейку микросхемы предназначен всего один вывод. Когда на шине адреса установится нужный адрес ячейки памяти, то, хотя сигнал записи будет подан на все ячейки, запись произойдет только в ту ячейку, которая будет в данный момент выбрана (адресована).
Принцип записи и чтения ячеек памяти в запоминающей матрице хорошо иллюстрируется на примере ферритовой памяти (рис. 3.7). На заре компьютерной эры она представляла собой небольшие ферритовые колечки, находящиеся в узелках проволочной сетки. Чтобы сформировать сигнал чтения и записи, через все колечки продевался отдельный провод. Заметим, что для записи "1" и "0" использовалось свойство ферромагнетиков перемагничи-ваться под действием электрического тока. Самые маленькие ферритовые колечки были диаметром всего около 1 мм. С появлением полупроводниковых микросхем памяти о ферритовой памяти надолго забыли, но совсем недавно появились микросхемы FeRAM, в которых сочетается кремниевая технология производства микросхем и свойство ферромагнитных материалов изменять свое сопротивление в зависимости от приложенного магнитного поля.
Процессоры имеют шину данных, кратную 8 разрядам, например, 8, 16, 32 или 64. В старых персональных компьютерах электронная память собиралась из микросхем, имеющих, например 64, 128, 256 и т. д. ячеек. На системных платах персональных компьютеров IBM PC можно было увидеть ряды микросхем памяти, занимающих там слишком много места. Чтобы уменьшить количество микросхем и упростить их электрические соединения друг с другом, на одном кремниевом кристалле стали создавать несколько отдельных матриц запоминающих ячеек. Наиболее популярными оказались варианты, когда микросхема памяти имеет разрядность равную 4 и 8, что позволило уменьшить количество корпусов на плате.
В документации и прайс-листах на микросхемы памяти всегда указывается не только общий ее объем, но и как организованы ячейки памяти. Ниже приводятся строчки из прайс-листа на микросхемы динамической памяти DDR и SDRAM, которые выпускаются в настоящее время:

  • DDR 256Mb, 32Мх8, 266MHz;
  • DDR 128Mb, 1бМх8, 266MHz;
  • SDRAM 256Mb, 32Mx8, 133MHz;
  • SDRAM 128Mb, 16Mx8, 133MHz.

Заметьте, что в начале идет условное обозначения типа микросхемы, а в конце указывается максимальная тактовая частота шины, на которой они могут работать. Объем памяти в микросхеме указывается в двух вариантах: 256Mb — общее количество ячеек памяти в микросхеме; 32Мх8 — это обозначение показывает, что на каждый разряд приходится по 32 Мбайт (также используется термин "глубина адресного пространства", от англ, address depth). Если умножить 32 Мбайт на 8, то получается 256 Мбайт.

 

Оперативная память. Оперативная память (RAM — Random Access Метопy) — это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные

Сокращенно оперативную память компьютера называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (random access memory - память с произвольным доступом).

Название RAM более точно отражает строение и назначение устройства.

Назначение ОЗУ

  • Хранение данных и команд для дальнейшей их передачи процессору для обработки. Информация может поступать из оперативной памяти не сразу на обработку процессору, а в более быструю, чем ОЗУ, кэш-память процессора.
  • Хранение результатов вычислений, произведенных процессором.
  • Считывание (или запись) содержимого ячеек.

Особенности работы ОЗУ

Оперативная память может сохранять данные лишь при включенном компьютере. Поэтому при его выключении обрабатываемые данные следует сохранять на жестком диске или другом носителе информации. При запуске программ информация поступает в ОЗУ, например, с жесткого диска компьютера. Пока идет работа с программой она присутствует в оперативной памяти (обычно). Как только работа с ней закончена, данные перезаписываются на жесткий диск. Другими словами, потоки информации в оперативной памяти очень динамичны.

ОЗУ представляет собой запоминающее устройство с произвольным доступом . Это означает, что прочитать/записать данные можно из любой ячейки ОЗУ в любой момент времени. Для сравнения, например, магнитная лента является запоминающим устройством с последовательным доступом.

Логическое устройство оперативной памяти

Оперативная память состоит их ячеек, каждая из которых имеет свой собственный адрес. Все ячейки содержат одинаковое число бит. Соседние ячейки имеют последовательные адреса. Адреса памяти также как и данные выражаются в двоичных числах.

Обычно одна ячейка содержит 1 байт информации (8 бит, то же самое, что 8 разрядов) и является минимальной единицей информации, к которой возможно обращение. Однако многие команды работают с так называемыми словами. Слово представляет собой область памяти, состоящую из 4 или 8 байт (возможны другие варианты).

Типы оперативной памяти

Принято выделять два вида оперативной памяти: статическую (SRAM) и динамическую (DRAM). SRAM используется в качестве кэш-памяти процессора, а DRAM - непосредственно в роли оперативной памяти компьютера.

SRAM состоит из триггеров. Триггеры могут находиться лишь в двух состояниях: «включен» или «выключен» (хранение бита). Триггер не хранит заряд, поэтому переключение между состояниями происходит очень быстро. Однако триггеры требуют более сложную технологию производства. Это неминуемо отражается на цене устройства. Во-вторых, триггер, состоящий из группы транзисторов и связей между ними, занимает много места (на микроуровне), в результате SRAM получается достаточно большим устройством.

В DRAM нет триггеров, а бит сохраняется за счет использования одного транзистора и одного конденсатора. Получается дешевле и компактней. Однако конденсаторы хранят заряд, а процесс зарядки-разрядки более длительный, чем переключение триггера. Как следствие, DRAM работает медленнее. Второй минус – это самопроизвольная разрядка конденсаторов. Для поддержания заряда его регенерируют через определенные промежутки времени, на что тратится дополнительное время.

Вид модуля оперативной памяти

Внешне оперативная память персонального компьютера представляет собой модуль из микросхем (8 или 16 штук) на печатной плате. Модуль вставляется в специальный разъем на материнской плате.

По конструкции модули оперативной памяти для персональных компьютеров делят на SIMM (одностороннее расположение выводов) и DIMM (двустороннее расположение выводов) . DIMM обладает большей скоростью передачи данных, чем SIMM. В настоящее время преимущественно выпускаются DIMM-модули.

Основными характеристиками ОЗУ являются информационная емкость и быстродействие. Емкость оперативной памяти на сегодняшний день выражается в гигабайтах.

Оперативная память (ОЗУ, RAM) , самая известная из всех форм компьютерной памяти. Эту память называют памятью «произвольного доступа» («random access»), поскольку вы можете получить доступ к любой ее ячейке непосредственно. Для этого достаточно знать строку и столбец, на пересечении которых находится нужная ячейка. Известны два основных вида оперативной памяти: динамическая и статическая. Сегодня мы подробно рассмотрим принцип «дырявого ведра», на котором основана динамическая память. Некоторое внимание будет уделено и статической памяти, быстрой, но дорогой.

Ячейка памяти

Совсем иначе работает память с последовательным доступом (SAM). Как и следует из ее названия, доступ к ячейкам этой памяти осуществляется последовательно. Этим она напоминает пленку в магнитофонной кассете. Когда данные ищутся в такой памяти, проверяется каждая ячейка до тех пор, пока не будет найдена нужная информация. Память этого типа используется для реализации буферов, в частности буфера текстур видеокарт. То есть SAM имеет смысл применять в тех случаях, когда данные будут расположены в том порядке, в котором их предполагается использовать.

Подобно микропроцессору, чип памяти является интегральной микросхемой (ИС, IC), собранной из миллионов транзисторов и конденсаторов. Одним из наиболее распространенных видов памяти произвольного доступа является DRAM (динамическая память произвольного доступа, dynamic random access memory). В ней транзистор и конденсатор спарены и именно они образуют ячейку, содержащую один бит информации. Конденсатор содержит один бит информации, то есть «0» или «1». Транзистор же играет в этой паре роль переключателя (свитча), позволяющего управляющей схеме чипа памяти считывать или менять состояние конденсатора.

Конденсатор можно представить себе в виде небольшого дырявого «ведерка», которое при необходимости заполняется электронами. Если оно заполнено электронами, его состояние равно единице. Если опустошено, то нулю. Проблемой конденсатора является утечка. За считанные миллисекунды (тысячные доли секунды) полный конденсатор становится пустым. А это значит, что или центральный процессор, или контроллер памяти вынужден постоянно подзаряжать каждый из конденсаторов, поддерживая его в наполненном состоянии. Подзарядку следует осуществлять до того, как конденсатор разрядится. С этой целью контроллер памяти осуществляет чтение памяти, а затем вновь записывает в нее данные. Это действие обновления состояния памяти осуществляется автоматически тысячи раз за одну только секунду. И все же — как работает оперативная память? Конденсатор динамической оперативной памяти можно сравнить с протекающим ведром. Если его не заполнять электронами снова и снова, его состояние станет нулевым. Именно эта операция обновления и внесла в название данного вида памяти слово «динамическая». Такая память или обновляется динамически, или «забывает» все, что она «помнила». Есть у этой памяти существенный недостаток: необходимость постоянно обновлять ее требует времени и замедляет работу памяти.

Устройство ячейки динамической оперативной памяти (DRAM)

Как работает оперативная память? Структуру памяти можно представить себе в виде трехмерной сетки. Еще проще: в виде листка из школьной тетради в клеточку. Каждая клеточка содержит один бит данных. Сначала определяется столбец, затем данные записываются в определенные строки посредством передачи сигнала по данному столбцу.

Итак, представим себе тетрадный лист. Некоторые клеточки закрашены красным фломастером, а некоторые остались белыми. Красные клеточки это ячейки, состояние которых «1», а белые - «0».

Только вместо листа из тетради в оперативной памяти используется кремниевая пластина, в которую «впечатаны» столбцы (разрядные линии, bitlines) и строки (словарные шины, wordlines). Пересечение столбца и строки является адресом ячейки оперативной памяти.


ram

Динамическая оперативная память передает заряд по определенному столбцу. Этот заряд называют стробом адреса столбца (CAS, Column Adress Strobe) или просто сигналом CAS. Этот сигнал может активировать транзистор любого бита столбца. Управляющий сигнал строки именуется стробом адреса строки (RAS, Row Adress Strobe). Для указания адреса ячейки следует задать оба управляющих сигнала. В процессе записи конденсатор готов принять в себя заряд. В процессе чтения усилитель считывания (sense-amplifier) определяет уровень заряда конденсатора. Если он выше 50 %, бит читается, как «1»; в остальных случаях, как «0».

Осуществляется также обновление заряда ячеек. За порядком обновления следит счетчик. Время, которое требуется на все эти операции, измеряется в наносекундах (миллиардных долях секунды). Если чип памяти 70-наносекундный, это значит, полное чтение и перезарядка всех его ячеек займет 70 наносекунд.

Сами по себе ячейки были бы бесполезны, если бы не существовало способа записать в них информацию и считать ее оттуда. Соответственно, помимо самих ячеек, чип памяти содержит целый набор дополнительных микросхем. Эти микросхемы выполняют следующие функции:

— Идентификации строк и столбцов (выбор адреса строки и адреса ячейки)

— Отслеживание порядка обновления (счетчик)

— Чтение и возобновление сигнала ячейки (усилитель)

— Донесение до ячейки сведений о том, следует ли ей удерживать заряд или нет (активация записи)

У контроллера памяти есть и другие функции. Он выполняет набор обслуживающих задач, среди которых следует отметить идентификацию типа, скорости и объема памяти, а также проверку ее на ошибки.

Статическая оперативная память (Оперативка)

Хотя статическая оперативная память (подобно динамической) является памятью произвольного доступа, она основана на принципиально иной технологии. Триггерная схема этой памяти позволяет удерживать каждый бит сохраненной в ней информации. Триггер каждой ячейки памяти состоит из четырех или шести транзисторов и содержит тончайшие проводки. Эта память никогда не нуждается в обновлении заряда. По этой причине, статическая оперативная память работает существенно быстрее динамической. Но поскольку она содержит больше компонентов, ее ячейка намного крупнее ячейки динамической памяти. В итоге чип статической памяти будет менее емким, чем динамической.

Статическая оперативная память быстрее, но и стоит дороже. По этой причине статическая память используется в кэше центрального процессора, а динамическая в качестве системной оперативной памяти компьютера.

В современном мире чипы памяти комплектуются в компонент, именуемый модулем. Порой компьютерные специалисты называют его «планкой памяти». Один модуль или «планка» содержит несколько чипов памяти. Не исключено, что вам приходилось слышать такие определения, как «память 8×32» или «память 4×16». Разумеется, цифры могли быть иными. В этой простой формуле первым множителем является количество чипов в модуле, а вторым емкость каждого модуля. Только не в мегабайтах, а в мегабитах. Это значит, что результат действия умножения следует разделить на восемь, чтобы получить объем модуля в привычных нам мегабайтах.

К примеру: 4×32 означает, что модуль содержит четыре 32-мегабитных чипа. Умножив 4 на 32, получаем 128 мегабит. Поскольку нам известно, что в одном байте восемь бит, нам нужно разделить 128 на 8. В итоге узнаем, что «модуль 4×32» является 16-мегабайтным и устарел еще в конце минувшего века, что не мешает ему быть превосходным простым примером для тех вычислений, которые нам потребовались.

Тема оперативной памяти настолько обширна, что мы вернемся к ней еще. Нам предстоит узнать о том, какие бывают типы оперативной памяти и как устроен ее модуль.

Итак, оперативная память компьютера, которая еще называется энергозависимой. Она же - DRAM (Dynamic Random Access Memory) - динамическая память с произвольным доступом или оперативное запоминающее устройство, сокращенно - ОЗУ.

Давайте разберемся почему же она именно так называется? Во время работы компьютера в оперативной памяти хранятся все данные и программы, запущенные во время работы пользователем. Слово «энергозависимая» в отношении памяти означает лишь то, что при выключении питания системного блока (завершения работы) оперативная память компьютера обнуляется. Исчезает все ее содержимое.

Есть еще энергонезависимая память - это жесткий диск Вашего компьютера, ведь данные на нем сохраняются даже после выключения питания.

«Динамическая память с произвольным доступом»: доступ (обращение) к разным ее ячейкам происходит в произвольном порядке и в разные моменты времени, отсюда и определение. А вот со словом «динамическая» ситуация более сложная. Давайте разбираться!

Наименьшей единицей структуры оперативной памяти компьютера является ячейка. Массив близко расположенных ячеек объединяется в условные прямоугольные таблицы, которые называются матрицами. Горизонтальные линейки такой матрицы называют строками, а вертикальные столбцами. Весь прямоугольник матрицы носит название «страница», а совокупность страниц называется банком. Все эти вещи немного виртуальны, в том смысле, что, к примеру, «банком» может называться как целый модуль DIMM, так и отдельная его часть (микросхемы памяти, расположенные с одной его стороны).

В любом случае, схему строения оперативной памяти компьютера (ее фрагмента) можно видеть на картинке ниже:

Как мы уже говорили, наименьшей единицей на физическом уровне является ячейка. Ячейка состоит из одного микро-конденсатора (на схеме выше обозначен как С) и трех транзисторов (VT). Конденсатор хранит небольшой заряд, а транзисторы выступают в роли «ключей», которые, с одной стороны, не дают заряду конденсатора самопроизвольно стечь, а с другой, - разрешают/запрещают доступ к конденсатору на чтение или изменение.

Каждый конденсатор может хранить наименьшую единицу информации - один бит данных. Если конденсатор заряжен, то, согласно двоичной системе счисления, применяющейся в компьютерах, - это логическая «единица», если заряда нет - логический «ноль» и данных нет.

В теории схема организации работы оперативной памяти выглядит красиво, но идеальных решений нет и на практике разработчикам приходится сталкиваться с тем, что заряд из конденсатора достаточно быстро уходит или происходит его частичная самопроизвольная разрядка (не спасают положение и «ключи»), поэтому не остается иного выхода, как периодически подзаряжать его. Насколько часто? Несколько десятков раз в секунду! И это при том, что таких конденсаторов в одном чипе памяти - несколько миллионов!

В итоге, состояние всей памяти должно постоянно считываться и за небольшой промежуток времени снова обновляться (в противном случае все ее данные просто исчезнут). Вот именно поэтому она получила название «динамическая», имелось в виду ее динамическое автоматическое обновление или регенерация. На фото выше мы можем видеть специальные ее блоки, которые отвечают за эту функцию.

Также нужно учитывать то, что процесс считывания в DRAM деструктивен: после обращения к любой ячейке ее конденсатор разряжается и чтобы не потерять содержащиеся в ней данные конденсатор нужно снова зарядить. Второй «сюрприз» состоит в том, что, в силу конструктивных особенностей, дешифратор адреса строки/столбца отдает команду на считывание не одной конкретной ячейки, а сразу всей строки (или столбца). Считанные данные полностью сохраняются в буфере данных и потом из них уже отбираются запрашиваемые приложением. После этого сразу же нужно перезарядить целый ряд ячеек!

Хоть и может показаться, что процесс регенерации (обновления) носит несколько хаотичный характер, но это не так. Контроллер оперативной памяти через равные промежутки времени берет строго регламентированную технологическую паузу и в это время проводит полный цикл регенерации всех данных.

Когда-то я прочитал хорошую фразу: «Динамическую память можно сравнить с дырявым ведром. Если его постоянно не пополнять, то вся вода вытечет!» Что-то условно похожее и происходит в ситуации с DRAM. Естественно, все эти дополнительные команды и циклы зарядки-разрядки приводят к дополнительным задержкам в работе и не являются признаком высокого КПД конечного изделия. Так почему нельзя придумать что-то более эффективное? Можно! И оно уже придумано - статическая память с произвольным доступом (SRAM - Static Random Access Memory).

Статическая память работает намного быстрее динамической посредством переключения триггеров и не нуждается в регенерации. Она с успехом применяется при построении кешей центрального процессора и в кадровых буферах дискретных видеокарт . Можно ли организовать на базе SRAM основную системную память компьютера? Можно, но из-за усложнения конструкции она будет стоить намного дороже и производителям это просто не выгодно:)

Думаю, логично, если рассматривать мы будем оперативную память типа DIMM. Аббревиатура расшифровывается как «Dual In-Line Memory Module» (двухсторонний модуль памяти), а именно такие платы до сегодняшнего дня и используются в персональных компьютерах.

Память стандарта DIMM в конце 90-х годов прошлого века пришла на смену предыдущему стандарту SIMM (Single In-Line Memory Module - односторонний модуль памяти). Фактически, модуль DIMM представляет собой печатную плату с нанесенными на нее контактными площадками. Это - своеобразная основа: чипы памяти и прочая электрическая «обвязка» производителем добавляются уже потом.

Принципиальное отличие DIMM от SIMM, кроме размеров, состоит в том, что в новом стандарте электрически контакты на модуле расположены с двух сторон и являются независимыми, а в SIMM они расположены только с одной его стороны (встречаются и с двух, но там они просто закольцованы и передают, по сути, один и тот же сигнал). Стандарт DIMM способен также реализовывать такую функцию, как обнаружение и исправление ошибок с контролем четности (ECC), но об этом ниже.

Оперативная память компьютера это то место, где центральный процессор сохраняет все промежуточные результаты своих вычислений и работы, забирая их обратно по необходимости для дальнейшей обработки. Можно сказать, что RAM - это рабочая область для центрального процессора компьютера.

Услугами оперативной памяти также с удовольствием пользуются и видеокарты (если им не хватает для размещения данных объема своей). Встроенное видео собственной вообще не имеет и без зазрения пользуется оперативной.

Давайте посмотрим на то, как выглядят обычные модули DIMM:

Оперативная память компьютера - многослойная пластина текстолита (на фото - зеленая и красная соответственно). Печатная плата (PCB - printed circuit board) - это основа с нанесенными на ней печатным способом элементами. Впаянное в нее определенное количество микросхем памяти (на фото - по четыре с каждой стороны) и разъем подключения, который вставляется в соответствующий слот на материнской плате .

Разъем модуля, фактически, определяет тип нашей DRAM (SDRAM, DDR, DDR2, DDR3 и т.д.). Присмотритесь повнимательней и Вы увидите, что на фотографии разъем разделен пополам небольшим разрезом (его называют «ключ»). Именно этот «ключ» не позволяет вставить модуль памяти в несовместимый с ней разъем на материнской плате. Важно: «ключи» на модуле и на плате должны совпадать идеально. Это защита от неправильной установки в плату.

На схеме ниже представлено расположение «ключей» для разных типов модулей:

Как видите, длина у всех модулей одинаковая. Внешне разница только в количестве контактных площадок на разъеме и расположении «ключей».

Теперь коротко рассмотрим самые распространенные типы оперативной памяти. Разные ее поколения:

  • SDRAM - (Synchronous Dynamic Random Access Memory - синхронная динамическая память с произвольным доступом). Модуль с 168-мю пинами (контактами), питающийся от напряжения 3,3 Вольта (V).
  • DDR - (Double Data Rate - удвоенная скорость передачи данных). Позволяет (в отличие от SDRAM) делать выборку (или передавать данные) дважды за один такт шины памяти. Модуль имеет 184 контакта, его питающее напряжение - 2,6 V. С появлением памяти стандарта DDR предыдущее поколение памяти стали называть SDR SDRAM (Single Data Rate DRAM).
  • DDR2 - следующее поколение чипов. Она позволяет за один такт передавать уже 4 бита информации (два набора данных) из ячеек микросхем памяти в буферы ввода-вывода. Печатная плата с 240-ка контактами (по 120 с каждой стороны). Ее напряжение питания - 1,8 В.
  • DDR3 - следующее поколение, способное за один такт делать выборку 8-ми бит данных, 240 контактов и питающее напряжение в 1,5 Вольта. При этом энергопотребление памяти DDR3 на 40% меньше, чем у DDR2, что достаточно важно при ее использовании с мобильных устройствах (ноутбуках). Снижение энергопотребления достигается за счет перехода на более «тонкий» техпроцесс (90-65-50-40 нанометров).
  • DDR4 - появилась на рынке в 2014-ом году. Эволюция DDR3 (пониженное напряжение (1.2V), чуть больше контактов - 288, чуть выше модуль, скорость передачи удвоена за счет двойного количества самих чипов памяти). Скорость передачи данных до 3.2 Гигабита в секунду. Максимальная частота работы памяти данного типа - 4 266 МГц

Итак, признаками, которые характеризуют оперативную память компьютера можно считать следующие:

  1. Тип ОЗУ (SDRam, DDR и т.д.)
  2. Объем модулей
  3. Тактовая частота их работы
  4. Тайминги (задержки при доступе и выборке данных из чипов - латентность)

Пункт первый мы рассматривали выше, а вот по остальным давайте пройдемся. Объем микросхем памяти сейчас постоянно увеличивается и сейчас модулем в 1 Gb (гигабайт) уже никого не удивишь. А раньше я хорошо помню, какой благоговейный трепет вызывала во мне фраза: «У меня на работе на компьютере установлено 128 мегабайт RAM!» Причем знакомый на тот момент работал с трехмерной графикой в программе моделирования «3DMax»:) Сейчас есть модули по 16 гигабайт каждый и я уверен, что это не предел.

Идем дальше: тактовая частота. Измеряется в мегагерцах (МГц - MHz) и общим правилом является то, что чем она больше, тем память работает быстрее. Например, память DDR4 работает на частоте 4266 Мегагерц. При более высокой частоте возрастает и пропускная способность оперативной памяти (то, сколько данных она может «прокачать» через себя за единицу времени).

Вот небольшая сводная таблица, наглядно показывающая этот момент:

Тайминги (латентность) - это показатель временной задержки между поступлением в память команды и временем ее выполнения. Латентность определяется таймингами, измеряемыми в количестве тактов между отдельными командами. Настройка таймингов происходит в биосе и изменением их значений можно добиться определенного прироста производительности работы компьютера.

Пользуясь случаем, хотелось бы добавить небольшую ремарку по поводу всех этих «новых» типов памяти: DDR2, 3, 4 и т.д. Грубо говоря, это все тот же старый добрый SDRAM модуль, но немного переделанный. Поскольку увеличивать частоту работы самой памяти накладно (никто не любит заниматься этим из-за неизбежного нагрева, возникающего после этого), производители пошли на хитрость.

Вместо существенного увеличения тактовой частоты самой памяти, они увеличили разрядность внутренней шины данных (от ячеек матриц памяти до буферов ввода-вывода) и сделали ее в два раза большей, чем разрядность внешней шины (от контроллера до микросхем памяти). Получилось, что за один такт считывается столько данных, сколько раньше считывалось по внешней шине только за два такта. При этом, ширина внешней шины данных составляет, как и раньше, 64 бита, а внутренней - 128/256/512 и т.д. бит.

Еще одной «уловкой», позволяющей поднять быстродействие без увеличения частоты является параллельная установка модулей для включения двух и трехканального режимов работы (double и triple-channel соответственно). Это еще немного увеличивает быстродействие подсистемы памяти (5-10 процентов). Для работы в таком режиме предпочтительно использовать Kit-ы. «KIT» - это набор модулей, состоящий из нескольких «планок», которые уже протестированы для кооперативной работы друг с другом.

На современных материнских платах слоты (разъемы) для памяти через один выделены разными цветами. Это сделано именно для облегчения установки в них похожих (в идеале - одинаковых) модулей. Если установка прошла успешно, режим мультиканальности включится автоматически. На фото ниже представлены платы с возможностью работы оперативной памяти в трех и четырехканальном режимах.

А вот так могут выглядеть на плате четыре канала оперативной памяти (quad-channel) :

Сейчас мультиканальные режимы памяти используются достаточно широко. Идея состоит в следующем: двухканальный контроллер памяти может обращаться одновременно (параллельно) к каждому четному и нечетному модулю. Например: первый и третий модуль передают и принимают данные одновременно со вторым и четвертым. При традиционном подходе (одноканальный режим) все установленные модули обслуживались одним контроллером (каналом), которому приходилось быстро переключаться между ними.

Общая скорость каждого канала определяется самым медленным модулем DIMM, который в нем установлен. Также старайтесь придерживаться рекомендации, гласящей: в каждый из каналов нужно устанавливать планки одинакового объема.

Сейчас несколько слов о микросхемах оперативной памяти (чипах). Как и любой элемент компьютера на который подается напряжение, память греется. Как мы помним, комплектующие внутри системного блока подпитываются определенным количеством постоянного тока, которое им отдает блок питания - 12V, 5V или 3 Вольта.

Греются непосредственно сами микросхемы. И некоторые производители плат ставят на свои изделия небольшие радиаторы для отвода тепла. Радиаторы, как правило, просто приклеиваются с помощью специального состава или держатся на термопасте .

Радиатор также может защелкиваться сверху:

Вот, к примеру, какой образец оперативной памяти компьютера от брендовой компании «OCZ» находится в моей домашней коллекции:

Вещь! Двойной радиатор, плата приятно тяжелит ладонь и вообще производит впечатление предмета, сделанного на совесть. Плюс - пониженные тайминги работы:)

Помню в 2008-ом году я некоторое время работал на одной крупной фирме. Компьютеризировано там было все достаточно серьезно. В IT отделе там работали, в хорошем смысле этого слова, настоящие «маньяки» своего дела:) Когда я впервые посмотрел на вкладку свойств тамошнего терминального сервера, который работал под управлением 64-х разрядной ОС Windows Server 2003, я мягко говоря, очень удивился. Я увидел цифру в 128 (сто двадцать восемь) гигабайт оперативной памяти! Понимая, что выгляжу глупо, я все таки решил переспросить, так ли это? Оказалось, что так оно и есть на самом деле (128 гигабайт DRAM). Жаль, что мне тогда не удалось взглянуть на ту материнскую плату:)

Продолжаем! Чипы памяти могут быль расположены как с одной стороны печатной платы текстолита, так и с обеих и быть разной формы (прямоугольные или квадратные), установленные как планарные SMD или же BGA компоненты. Высота самого модуля также может быть разной. Каждый из чипов оперативной памяти имеет определенную емкость, измеряемую в мегабайтах (сейчас - в гигабайтах).

Например, если у нас планка имеет объем в 256 мегабайт и состоит из 8-ми чипов то (делим 256 на 8) и получаем, что в каждой микросхеме содержится по 32 мегабайта.

Не могу обойти вниманием особый класс памяти - серверную DRAM. На фото ниже представлены несколько модулей: первый и третий - серверные варианты (можете нажать на фото для увеличения).

Чем же серверная память отличается от обычной? Даже визуально на фото выше видно, что решения для серверов имеют дополнительные чипы на плате, которые обеспечивают ей дополнительный функционал. Какой? Давайте посмотрим! Прежде всего, выясним, какие дополнительные компоненты на печатной плате оперативной памяти (кроме самих чипов ОЗУ) являются стандартными? Это ряд твердотельных танталовых SMD конденсаторов, расположенных непосредственно над контактными площадками модуля. Это - компоненты «обвязки» платы памяти.

Вторым обязательным элементом (на фото выше отмечен зеленым) можно назвать микросхему SPD. Аббревиатура расшифровывается как «Serial Presence Detect» - интерфейс последовательного детектирования или последовательное определение наличия. Как-то так:) По сути, - это программируемое ПЗУ, в котором «зашиты» настройки каждого модуля памяти: все параметры, частоты, тайминги, режимы работы и т.д. Именно оттуда при старте компьютера они считываются микросхемой биоса.

Дополнительным микросхемы на серверных платах (обведены красным) обеспечивают возможность выявления и исправления ошибок чтения/записи (технология ECC) и частичной буферизации (регистровость памяти).

Примечание: ECC - (error-correcting code - код коррекции ошибок) Алгоритм выявления и исправления случайных ошибок при передаче данных (не более одного-двух битов в байте).

Для реализации этих возможностей на модуль устанавливается дополнительная микросхема памяти и он становится не 64-х разрядным, как обычные DIMM, а 72-ти двух. Поэтому далеко не все материнские платы могут работать с подобной памятью. Некоторые, надо отдать им должное, - работают! 🙂

Нажмите на фото выше и Вы сможете увидеть дополнительные обозначения на стикере (выделены красным), которых нет для обычной памяти. Я имею в виду такие сокращения, как: «SYNCH», «CL3 (2.5)», «ECC» и «REG». Остановимся на них отдельно. Поскольку первый из приведенных на фото модулей относится к периоду распространения персональных компьютеров под общим брендом «Pentium», то на нем отдельно присутствует обозначение «SYNCH».

Помните как расшифровывается первая буква аббревиатуры памяти типа SDRAM? Synchronous (синхронная) DRAM. Тип DRAM, работающий настолько быстро, что его можно было синхронизировать по частоте с работой контроллера оперативной памяти. На тот момент это был прорыв! Предыдущие поколения ОЗУ работали в асинхронном режиме передачи данных. Теперь же, команды могли поступать в контроллер непрерывным потоком, не дожидаясь выполнения предыдущих. С одной стороны, это сокращало общее время на их передачу, но с другой (поскольку команды не могли выполняться со скоростью их поступления) появлялось такое понятие, как латентность - задержка выполнения.

Именно о величине латентности модуля серверной памяти говорит нам второй показатель на стикере «CL3». Расшифровывается как «Cas Latency» - минимальное время, измеряемое в тактах системной шины, между командой на чтение (CAS, по факту - передачей в память нужного адреса строки или столбца) и началом передачи данных.

Другое дело, что маркетологи даже здесь пытаются нас надурить и указывают только одну (наименьшую) из всех возможных задержек. На самом деле, разновидностей таймингов существует достаточно много и это - логично: организация работы по передаче, выборке и записи данных в таком большом массиве настолько сложна, что было бы странно, если бы задержек в работе памяти не было совсем или дело ограничивалось одной!

Для примера, некоторые (далеко не все) задержки представлены в таблице ниже:

Таким образом, указывая значение латентности только для одного параметра (CL) с наименьшим показателем и не давая представления о задержках памяти при других операциях, нам пытаются это дело втюхать! Не буду утверждать, что так и происходит, но ощущение возникает именно такое:)

Обозначение ECC мы уже рассматривали выше, не будем повторяться. А вот с указателем «REG» давайте разберемся! Как правило, так обозначаются регистровые (Registered) модули оперативной памяти. Что это значит? Между чипами ОЗУ и шиной устанавливается дополнительная микросхема, которая выполняет роль своеобразного буфера. Поэтому подобный тип регистровой памяти часто называют буферизованной (Buffered) или с частичной буферизацией.

Наличие на модуле памяти специальных регистров (буфера) снижает нагрузку на систему синхронизации (электрической регенерации), разгружая ее контроллер. Регистры относительно быстро сохраняют поступающие в них данные, которые часто требуются приложению. Наличие буфера между контроллером и чипами памяти приводит к образованию дополнительной задержки в один такт, но для серверных систем это нормально. Получаем более высокую надежность за счет небольшого падения производительности.

Оперативная память для ноутбуков называется SO-Dimm и имеет, в силу понятных причин, укороченный дизайн. Выглядит она следующим образом:

Она гораздо более компактна, чем ее десктопные визави, но также имеет уникальный «ключ». Запомните: по положению «ключа» можно определить тип микросхемы. Ну, еще - по надписи на стикере (наклейке) 🙂

И совсем уж напоследок: приобретайте оперативную память зарекомендовавших себя производителей: «Samsung», «Corsair», «Kingston», «Patriot», «Hynix», «OCZ» и тогда проблемы оперативной памяти будут обходить Вас стороной.

ОЗУ - это наибольшая часть основной памяти. ОЗУ предназначено для хранения переменной (текущей, быстро изменяющейся) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислений. Это означает, что процессор может выбрать (режим считывания ) из ОЗУ команду или данные и после обработки поместить полученный результат (режим записи ) в ОЗУ. Размещение новых данных возможно на тех же местах, где ранее находились исходные данные. Понятно, что прежние данные будут стерты. ОЗУ позволяет кратковременно (до выключения питания) хранить записанную информацию. Данные, адреса и команды, которыми процессор обменивается с памятью, часто называют операндами .

Выполняемая в данный момент компьютером программа (активная) чаще всего располагается в ОЗУ (и лишь иногда в ПЗУ).

Основной составной частью ОЗУ является массив элементов памяти, объединенных в матрицу накопителя. Элемент памяти (ЭП) может хранить один бит информации (запоминать два состояния 0 или 1).

Каждый ЭП имеет свой адрес (по-другому можно сказать - порядковый номер). Для обращения к ЭП (с целью записи или считывания информации) его необходимо «выбрать» с помощью кода адреса. Оперативная память является электронной памятью, потому что она создается с помощью микросхем - изделий микроэлектроники.

Микросхемы памяти бывают одноразрядные и многоразрядные.

В одноразрядных микросхемах памяти код адреса (иногда говорят просто - адрес) выбирает один элемент памяти из множества элементов, расположенных в матрице накопителя. После выбора элемента в него можно записать информацию или, наоборот, считать из него один бит информации. Специальный управляющий сигнал Зп/сч (Write/Read) указывает микросхеме, что она должна делать: записывать или считывать информацию. Управляющие сигналы на этот вход поступают от процессора. В одноразрядных микросхемах памяти имеются один вход для записи информации и один выход для ее считывания.

Разрядность кода адреса m в одноразрядных микросхемах памяти определяет информационную емкость, т. е. число ЭП в матрице накопителя. Емкость такой микросхемы рассчитывается по формуле 2 m . Например, если у одноразрядной микросхемы памяти имеется 10 адресных входов, то информационная емкость составит N = 2 10 = 1024 бита.

Некоторые микросхемы памяти имеют многоразрядную структуру, называемую также словарной. У таких микросхем памяти имеется несколько информационных входов и столько же выходов. Поэтому они допускают одновременную запись (или считывание) многоразрядного кода, который принято называть словом . Один адрес позволяет считать информацию сразу из нескольких ЭП. Группа элементов памяти, из которых одновременно считывается информация, называется ячейкой памяти. Таким образом, ячейка памяти - это несколько ЭП, имеющих общий адрес.

На английском языке оперативная память называется R andom A ccess M emory (RAM) - память с произвольным доступом. Термин «произвольный доступ » означает, что можно считать (записать) информацию в любой момент времени из любого (в любой) ЭП. Заметим, что существует и другая организация памяти, при которой, прежде чем считать нужную информацию, нужно «вытолкнуть» ранее поступившие операнды.

Используется два основных типа оперативной памяти: статическая (SRAM - Static RAM) и динамическая (DRAM - Dynamic RAM).

Эти две разновидности памяти различаются быстродействием и удельной плотностью (емкостью) хранимой информации. Быстродействие памяти характеризуется двумя параметрами: временем доступа (access time) и длительностью цикла (cycle time). Эти величины, как правило, измеряются в наносекундах. Чем меньше эти величины, тем выше быстродействие памяти.

Время доступа представляет собой промежуток времени между формированием запроса на чтение информации из памяти и моментом поступления из памяти запрошенного машинного слова (операнда).

Длительность цикла определяется минимальным допустимым временем между двумя последовательными обращениями к памяти.

В статической памяти элементы построены на триггерах - схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для построения одного триггера требуется 4-6 транзисторов. После записи информации в статический элемент памяти он может хранить информацию сколь угодно долго (пока подается электрическое питание).

Конструктивно микросхема памяти выполняется в виде прямоугольной матрицы , причем ЭП располагаются на пересечении строк и столбцов. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который разбивается на две части. Одна часть адреса используется для выбора строк матрицы накопителя, а вторая - для выбора столбцов.

На рисунке приведена структурная схема микросхемы памяти К561РУ2, у которой 8 адресных входов: a 7 a 6 , …, a 0 . Это позволяет разместить в матрице 2 8 = 256 элементов памяти. Адресные входы разделены на две равные части (матрица квадратная). Младшая часть адреса a 3 a 2 a 1 a 0 позволяет выбрать одну из шестнадцати строк x 0 , x 1 , x 2 , …, x 15 . При помощи старшей части адреса a 7 a 6 a 5 a 4 происходит выбор одного из шестнадцати столбцов y 0 , y 1 , …, y 15 .

Чтобы выбрать какой-то ЭП, нужно активизировать строку и столбец, на пересечении которых располагается нужный ЭП.

Например, чтобы выбрать ЭП 0, нужно на все адресные входы микросхемы подать нули, тогда дешифратор строк DCR (D ec oder R ow) и дешифратор столбцов DCC (D ec oder C olumn) активизируют соответственно строку x 0 и столбец y 0 . На их пересечении располагается ЭП 0, в который, после его выбора, можно записать (или считать) информацию.

Аналогично выбираются другие ЭП. Так, для выбора ЭП 241 нужно активизировать строку x 1 и столбец y 15 . Для этого на младшую группу адресов (a 3 , …, a 0 ) нужно подать двоичный код 0001, а на старшую группу адресов (a 7 , …, a 4 ) - все единицы.

Статическая память имеет высокое быстродействие и низкую удельную плотность размещения хранящихся данных. В динамической памяти ЭП построены на основе полупроводниковых конденсаторов, занимающих гораздо меньшую площадь, чем триггеры в статических ЭП. Для построения динамического элемента памяти требуется всего 1-2 транзистора.

Регенерация заряда должна происходить достаточно часто. Подтверждением этого являются следующие рассуждения. Так как необходимо получить высокую удельную плотность хранения информации, емкость конденсатора не может быть большой (практически величина емкости запоминающих конденсаторов составляет порядка 0,1 пФ). Постоянная времени разряда определяется как произведение емкости конденсатора на сопротивление закрытого транзистора. Это произведение составляет величину порядка

= RC = 10 10 0,110 -12 = 10 -3 c.

Таким образом, постоянная времени разряда составляет одну миллисекунду и, значит, регенерация заряда должна происходить примерно тысяча раз в секунду.

Необходимость частой подзарядки запоминающих конденсаторов в матрице накопителя приводит к снижению быстродействия динамической памяти. Однако, благодаря малым размерам конденсатора и малому числу дополнительных элементов, удельная плотность хранения информации динамической памяти выше, чем у статической памяти.

Емкость микросхем динамической памяти составляет десятки Мбит на один корпус. Возможность размещения на одном кристалле большого числа ЭП вызывает другую конструкторскую проблему: необходимо использовать большое число адресных входов. Для снижения остроты этой проблемы используют мультиплексирование.

Мультиплексирование - это технический прием временного уплотнения информации, благодаря которому удается по одним и тем же электрическим цепям передать разную информацию для различных приемников (потребителей) информации. Так, конструкторы вдвое уменьшают число адресных входов у микросхем памяти. Адрес делят на две равные части и вводят его в микросхему поочередно: сначала младшую часть, а затем старшую часть адреса. При этом первая часть осуществляет выбор нужной строки в матрице накопителя, а вторая часть активизирует соответствующий столбец.

Для того чтобы микросхема памяти «знала», какая часть адреса вводится в данный момент времени, ввод каждой группы адреса сопровождается соответствующим управляющим сигналом.

Так, синхронно с вводом младшей части адреса на микросхему подается сигнал RAS (R ow A ddress S trobe) - сигнал стробирования (сопровождения) адреса строки. Практически одновременно с вводом старшей части адреса на микросхему памяти подается сигнал CAS (C olumn A ddress S trobe) - стробирование адреса столбца.

После завершения выбора какого-либо ЭП требуется время, в течение которого происходит восстановление микросхемы в исходное состояние. Данная задержка связана с необходимостью перезарядки внутренних цепей микросхемы. Длительность этой задержки существенна и составляет до 90% от времени цикла.

Обходят это нежелательное явление различными конструктивными ухищрениями. Например, при записи нескольких следующих друг за другом операндов, их располагают на одной строке матрицы, но в разных столбцах. Экономия времени достигается тем, что не нужно ожидать завершения переходных процессов при смене адреса строк.

Другой способ повышения быстродействия заключается в том, что память разбивают на блоки (банки), из которых процессор считывает данные попеременно. Таким образом, пока считываются данные из одной области памяти, вторая получает время на завершение переходных процессов.

Разработаны различные модификации статической и динамической памяти.

FPM DRAM (F ast P age M ode DRAM) - динамическая память с быстрым страничным доступом . Память со страничным доступом отличается от обычной динамической памяти тем, что после выбора одной строки матрицы удерживается сигнал выбора строки RAS и производится многократное изменение адресов столбцов (с помощью сигнала CAS). В этом случае не тратится время на завершение переходных процессов при изменении адреса строки. Другими словами, адрес строки остается некоторое время постоянным, а изменяются адреса столбцов. В этом случае страницей называют элементы памяти, расположенные на одной строке матрицы.

EDO (E xtended D ata O ut) - эти микросхемы характеризуются увеличенным временем удержания данных на выходе. Фактически представляют собой обычную память FPM DRAM, на выходе которой установлены регистры - защелки данных. Регистры – это цифровые устройства, построенные на триггерах и позволяющие хранить сразу несколько битов информации (слово). При страничном обмене такие микросхемы удерживают на выходах микросхемы содержимое последней выбранной ячейки памяти, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки памяти. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FРM ускорить процесс считывания последовательно расположенных массивов данных.

SDRAM (S ynchronous DRAM - синхронная динамическая память) - память с синхронным доступом, работающая быстрее обычной асинхронной памяти. Основу этого типа памяти составляет традиционная схема DRAM. Однако SDRAM отличается тем, что использует тактовый генератор для синхронизации всех сигналов, применяемых в микросхеме памяти. Помимо синхронного метода доступа, SDRAM использует внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать по времени выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке.

{64} \ $ единиц памяти, байты.

Простое представление: 32-битный процессор обычно работает с 32-битными данными, а 64-битный ЦП работает с 64-битными данными. Это не совсем верно для современных процессоров. Например, все 32-битные процессоры более высокого уровня могут работать с 64-битными числами с плавающей запятой, а некоторые поддерживают 64-битные и более биты, с которыми можно работать за одну операцию. Кроме того, большинство процессоров могут работать с меньшими модулями, такими как 8 или 16 бит. Так что это несколько тоньше, но простая модель удобна.

Другое приближение: 32-битный ЦП извлекает 32 бита данных за раз, а 64-битный ЦП извлекает 64 бита данных за раз из памяти.Это слишком просто по нескольким причинам. Самым простым является то, что системы памяти отделены от ЦП контроллером памяти, который может извлекать память в более крупных единицах. Таким образом, контроллер памяти ЦП может получить 128 бит за одно чтение из памяти. Даже такие микроконтроллеры, как 32-битный Cortex-M от ARM (примерно такой же простой, как дизайн ARM), могут быть реализованы с широким чтением, скажем, 64 или 128-битным, из памяти программ.

Наконец, 64-битный ЦП может обрабатывать 64-битные адреса, однако он может не реализовывать 64-битную адресную шину.{19} \ $ единиц адресуемой памяти (байты), что вряд ли будет практичным, поэтому вместо этого физическая адресная шина может быть намного меньше, то есть всего 40+ бит.

Итак, в качестве «упрощения» 32-битный ЦП обрабатывает 32-битные адреса и данные, а 64-битный ЦП обрабатывает 64-битные адреса и данные, однако реальность более тонкая и изощренная.

BTW - «ячейка» обычно интерпретируется как единица хранения и является одним битом в большинстве технологий хранения. Они организованы в более крупные блоки, например байты, потому что удобнее адресовать и извлекать большие блоки данных.

Статическое ОЗУ »Электроника

- обзор, информация или руководство по основам технологии памяти SRAM.


Учебное пособие по полупроводниковой памяти Включает:
Типы памяти и технологии Характеристики и параметры памяти

Типы памяти: DRAM EEPROM Вспышка FRAM MRAM Память смены фазы SDRAM SRAM


SRAM или статическая оперативная память - это разновидность полупроводниковой памяти, широко используемой в электронике, микропроцессорах и общих вычислительных приложениях.Эта форма полупроводниковой памяти получила свое название из-за того, что данные хранятся в ней статическим образом и не нуждаются в динамическом обновлении, как в случае с памятью DRAM. Хотя данные в памяти SRAM не нуждаются в динамическом обновлении, они по-прежнему являются энергозависимыми, что означает, что при отключении питания от устройства памяти данные не сохраняются и исчезают.

Основы SRAM

У SRAM есть две ключевые особенности - статическая память с произвольным доступом, и они выделяют ее на фоне других доступных типов памяти:

  • Данные хранятся статически: Это означает, что данные хранятся в полупроводниковой памяти без необходимости обновления, пока к памяти подается питание.
  • Память SRAM - это форма памяти с произвольным доступом: Память с произвольным доступом - это память, в которой ячейки полупроводниковой памяти могут быть записаны или прочитаны в любом порядке, независимо от последней ячейки памяти, к которой был осуществлен доступ.

Схема для отдельной ячейки памяти SRAM обычно состоит из четырех транзисторов, сконфигурированных как два инвертора с перекрестной связью. В этом формате схема имеет два стабильных состояния, которые приравниваются к логическим состояниям «0» и «1».В дополнение к четырем транзисторам в основной ячейке памяти требуются еще два транзистора для управления доступом к ячейке памяти во время операций чтения и записи. Всего получается шесть транзисторов, что называется ячейкой памяти 6T. Иногда дополнительные транзисторы используются для получения ячеек памяти 8 или 10 ТБ. Эти дополнительные транзисторы используются для таких функций, как реализация дополнительных портов в регистровом файле и т. Д. Для памяти SRAM.

Хотя в SRAM можно использовать любые три терминальных переключателя, MOSFET и, в частности, технология CMOS обычно используются для обеспечения очень низкого уровня энергопотребления.Поскольку полупроводниковые запоминающие устройства имеют очень большие размеры, каждая ячейка должна обеспечивать очень низкий уровень энергопотребления, чтобы гарантировать, что весь чип не рассеивает слишком много энергии.

Операция ячейки памяти SRAM

Работа ячейки памяти SRAM относительно проста. Когда ячейка выбрана, записываемое значение сохраняется в перекрестно связанных триггерах. Ячейки организованы в матрицу, причем каждая ячейка адресуется индивидуально. Большинство запоминающих устройств SRAM выбирают сразу всю строку ячеек и считывают содержимое всех ячеек в строке по строкам столбцов.

Хотя нет необходимости иметь две битовые линии, использующие сигнал и его инверсию, это нормальная практика, которая улучшает запас помехоустойчивости и улучшает целостность данных. Две разрядные линии передаются на два входных порта на компараторе, чтобы получить доступ к преимуществам режима дифференциальных данных, а также можно более точно обнаружить небольшие колебания напряжения.

Доступ к ячейке памяти SRAM разрешен через строку слов. Это контролирует два транзистора контроля доступа, которые определяют, должна ли ячейка подключаться к битовым линиям.Эти две строки используются для передачи данных как для операций чтения, так и для записи.

Приложения памяти SRAM

В настоящее время доступно множество различных типов полупроводниковой памяти. Необходимо выбрать правильный тип памяти для данного приложения. Возможно, два из наиболее широко используемых типов - это память DRAM и SRAM, обе из которых используются в процессорах и в компьютерных сценариях. Из этих двух SRAM немного дороже DRAM. Однако SRAM быстрее и потребляет меньше энергии, особенно в режиме ожидания.В дополнение к этой памяти SRAM легче контролировать, чем DRAM, поскольку циклы обновления не нужно учитывать, и в дополнение к этому способ доступа к SRAM - это, точнее, произвольный доступ. Еще одним преимуществом SRAM является то, что она более плотная, чем DRAM.

В результате этих параметров память SRAM используется там, где важны скорость или низкое энергопотребление. Его более высокая плотность и менее сложная структура также позволяют использовать его в сценариях полупроводниковой памяти, где используется память большой емкости, как в случае рабочей памяти в компьютерах.


Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы ВЧ разъемы Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». . .

Ячейка памяти RAM

Ячейка памяти RAM На изображении выше показан эскиз интерактивный Java-апплет, встроенный в эту страницу.К сожалению, ваш браузер не поддерживает Java. или Java отключена в настройках браузера. Чтобы запустить апплет, включите Java и перезагрузите эту страницу. (Возможно, вам придется перезапустить браузер.) Описание цепи Этот апплет демонстрирует поведение 1-битной ячейки памяти. внутри типичного оперативная память (RAM). Апплет RAM использует 16 из этих ячеек в качестве памяти.

Элемент хранения, показанный в апплете, представляет собой стандартную защелку D-типа. Вход данных в защелку подключен к обоим входам битовой линии. и буфер слабой обратной связи.Пока линия E отключена, на входе триггера низкий уровень и триггер сохраняет свое текущее значение.

Когда включен вход E-line, триггер становится прозрачным, а фактическое напряжение на линии ввода данных триггера зависит от (по законам Кирхгофа!) выхода (слабого) буфера обратной связи и (сильный) ввод внешних данных.

  • Если на входе D-линии низкое напряжение (уровень 0), это отменяет вывод буфера слабой обратной связи, и триггер загружает значение 0.
  • Если на входе D-линии высокое напряжение (1 уровень), это отменяет вывод буфера слабой обратной связи, и триггер загружает значение 1.
  • Если вход D-line не задействован (три состояния), буфер слабой обратной связи управляет входной линией и триггер сохраняет свое текущее состояние.

Хотя можно построить ячейку памяти, как показано в апплете, шеститранзисторные SRAM и однотранзисторные ячейки DRAM намного больше компактный.Поэтому на практике ячейка памяти с защелкой используется редко.

Интерактивный апплет, демонстрирующий 6Т-ячейку, можно найти здесь. Помимо использования всего шести транзисторов для хранения одного бита информации, 6T-элемент также позволяет очень компактно прокладывать сигнальные провода.

(Примечание: если вы присмотритесь, то заметите, что вставленный буфер между вводом данных битовой линии и вводом данных защелки ведет себя иначе, чем стандартный неинвертирующий буфер в Hades: он преобразует входное значение 'Z' в выходное значение «Z», в то время как стандартный буфер генерирует «X».В фактической ячейке ОЗУ как этот специальный входной буфер, так и три состояния выходной буфер реализован с проходными МОП-транзисторами, подключенными к битовая линия (и). Использование этого «фальшивого» буфера позволяет избежать введения модели проходного транзистора. для демонстрации.)

Оперативная память - обзор

RAM

RAM, обычно называемая основной памятью , - это память, в которой к любому месту в ней можно получить доступ напрямую (случайным образом, а не последовательно с некоторой начальной точки) и содержимое которой может можно менять более одного раза (количество зависит от оборудования).В отличие от ПЗУ, содержимое ОЗУ стирается, если ОЗУ теряет питание, то есть оперативная память является энергозависимой. Двумя основными типами ОЗУ являются статическое ОЗУ (SRAM) и динамическое ОЗУ (DRAM) .

Как показано на рисунке 4-42a, ячейки памяти SRAM состоят из транзисторной триггерной схемы, которая обычно хранит свои данные из-за того, что движущийся ток переключается в двух направлениях на паре инвертирующих вентилей в схеме, пока не будет подано питание. обрезается или данные перезаписываются.

Рисунок 4-42a.Шеститранзисторная ячейка SRAM. [25]

Чтобы получить более четкое представление о том, как работает SRAM, давайте рассмотрим пример логической схемы SRAM 4 K × 8, показанной на рисунке 4-42b.

Рисунок 4-42b. Логическая схема SRAM 4 K × 8. [20]

В этом примере SRAM 4 К × 8 представляет собой матрицу 4 К × 8, что означает, что она может хранить 4096 (4 × 1024) различных 8-битных байтов или 32 768 бит информации. Как показано на схеме ниже, 12 адресных строк (A 0 –A 11 ) необходимы для адресации всех 4096 (000000000000b – 111111111111b) возможных адресов - одна адресная строка для каждой адресной цифры адреса.В этом примере SRAM размером 4 К × 8 настроен как массив 64 × 64 строк и столбцов, где адреса A 0 –A 5 идентифицируют строку, а A 6 –A 11 идентифицируют столбец. Как и в случае с ПЗУ, каждое пересечение строки и столбца в матрице SRAM является ячейкой памяти, а в случае ячеек памяти SRAM они могут содержать триггерные схемы, в основном основанные на полупроводниковых устройствах, таких как нагрузочные резисторы из поликремния, биполярные транзисторы и т. Д. и / или КМОП транзисторы. Имеется восемь выходных строк (D 0 –D 7 ) - байт для каждого байта, хранящегося по адресу.

В этом примере SRAM, когда для выбора микросхемы (CS) установлено значение HIGH, память находится в режиме ожидания (чтение и запись не выполняются). Когда CS переключается на НИЗКИЙ, а разрешение записи (WE) - НИЗКОЕ, то байт данных записывается через линии ввода данных (D 0 –D 7 ) по адресу, указанному адресными строками. При одинаковом значении CS (LOW) и WE в HIGH байт данных считывается из строк вывода данных (D 0 –D 7 ) по адресу, указанному адресными строками (A 0 –A 7 ).

Как показано на рис. 4-43, ячейки памяти DRAM представляют собой схемы с конденсаторами , которые удерживают заряд на месте - заряды или их отсутствие отражают данные. Конденсаторы DRAM необходимо часто обновлять с помощью питания, чтобы поддерживать их соответствующий заряд и перезаряжать конденсаторы после чтения DRAM (чтение DRAM разряжает конденсатор). Цикл разрядки и перезарядки ячеек памяти - вот почему этот тип ОЗУ называется динамическим.

Рисунок 4-43. Ячейка памяти DRAM (конденсаторная). [20]

Учитывая образец логической схемы DRAM размером 16 K × 8, эта конфигурация RAM представляет собой двумерный массив из 128 строк и 128 столбцов, что означает, что он может хранить 16 384 (16 × 1024) различных 8-битных байтов или 131 072 бит информации. При такой конфигурации адреса большие DRAM могут быть сконструированы с 14 адресными строками (A 0 –A 13 ), необходимыми для адресации всех 16 384 (000000000000b – 11111111111111b) возможных адресов - одна адресная строка для каждой адресной цифры адреса. , или эти адресные строки могут быть , мультиплексированы (или объединены в меньшее количество строк для совместного использования) с некоторым типом схемы выбора данных, управляющей общими линиями.На рис. 4-44 показано, как в этом примере может происходить мультиплексирование адресных строк.

Рисунок 4-44. Логическая схема SRAM 16 K × 8. [20]

DRAM 16 К × 8 настроен с адресами A 0 –A 6 , идентифицирующими строку, и A 7 –A 13 , идентифицирующими столбец. В этом примере линия строба адреса строки (RAS) переключается (с HIGH на LOW) для A 0 –A 6 для передачи, а затем линия строба адреса столбца (CAS) переключается (с HIGH на LOW). ) для A 7 –A 7 для передачи.После этого ячейка памяти фиксируется и готова к записи или чтению. Имеется восемь выходных строк (D 0 –D 7 ) - байт для каждого байта, хранящегося по адресу. Когда входная строка WE имеет высокий уровень, данные могут быть прочитаны из выходных строк D 0 –D 7 , а когда WE имеет значение LOW, данные могут быть записаны во входные строки D 0 –D 7 .

Одно из основных различий между SRAM и DRAM заключается в структуре самого массива памяти DRAM.Конденсаторы в массиве памяти DRAM не могут удерживать заряд (данные). Заряд постепенно рассеивается со временем, поэтому требуется некоторый дополнительный механизм для обновления DRAM, чтобы поддерживать целостность данных. Этот механизм считывает данных в DRAM до их потери через схему усиления считывания, которая определяет заряд, хранящийся в ячейке памяти, и записывает данных обратно в схему DRAM. По иронии судьбы, процесс считывания ячейки также разряжает конденсатор, хотя считывание ячейки в первую очередь является частью процесса решения проблемы постепенного разряда конденсатора.Контроллер памяти (MEMC; дополнительную информацию см. В разделе 5.4 об управлении памятью) во встроенной системе обычно управляет циклом зарядки и разрядки DRAM, инициируя обновления и отслеживая последовательность событий обновления. Именно этот механизм циклического обновления, который разряжает и перезаряжает ячейки памяти, дает этому типу ОЗУ свое название - «динамическое» ОЗУ (DRAM) - и тот факт, что заряд в SRAM остается неизменным, является основой для его названия, «статическое» ОЗУ. (SRAM). Это та же схема дополнительной подзарядки, которая делает DRAM медленнее по сравнению с SRAM. (Примечание: SRAM обычно медленнее, чем регистры, потому что транзисторы внутри триггера обычно меньше и, следовательно, не пропускают такой большой ток, как те, которые обычно используются в регистрах.)

SRAM также обычно потребляют меньше энергии, чем DRAM, поскольку для обновления не требуется дополнительная энергия. С другой стороны, DRAM обычно дешевле, чем SRAM, из-за конструкции, основанной на емкости, по сравнению со своим триггером SRAM (более одного транзистора). DRAM также может содержать больше данных, чем SRAM, поскольку схема DRAM намного меньше схемы SRAM, и в IC можно интегрировать больше схем DRAM.

DRAM обычно является «основной» памятью в больших количествах, а также используется для видеопамяти и кеш-памяти. DRAM, используемые для памяти дисплея, также обычно называют буферами кадра . SRAM , поскольку она более дорогая, обычно используется в меньших количествах, но поскольку это также самый быстрый тип ОЗУ, она используется во внешнем кэше (см. Раздел 5.2) и видеопамяти (при обработке определенных типов графики и при более щедром бюджете в системе может быть установлена ​​более эффективная оперативная память).

В таблице 4-3 приведены некоторые примеры различных типов встроенных ОЗУ и ПЗУ, используемых для различных целей в ИС.

Таблица 4-3. Встроенная память [26]

Оперативная память Видеопамять Кэш
SRAM NA RAMDAC (аналоговый преобразователь RAM с произвольным доступом) используются в видеокартах для систем отображения без истинного цвета, для преобразования данных цифрового изображения в данные аналогового отображения для аналоговых дисплеев, таких как ЭЛТ (электронно-лучевые трубки).Встроенная SRAM содержит таблицу цветовой палитры, которая предоставляет значения версии RGB (красный / зеленый / синий), используемые ЦАП (цифро-аналоговыми преобразователями), также встроенными в RAMDAC, для преобразования данных цифрового изображения в аналоговые сигналы для дисплеев. SRAM использовалась для кешей уровней 1 и 2. Тип SRAM, называемый BSRAM (статическая память произвольного доступа Burst / SynchBurst), который синхронизируется либо с системными часами, либо с часами шины кэш-памяти, в основном использовался для кэш-памяти уровня 2 (см. Раздел 4.2).
DRAM SDRAM (синхронная динамическая память с произвольным доступом) - это DRAM, синхронизированная с тактовой частотой микропроцессора (в МГц). Несколько типов SDRAM используются в различных системах, таких как JDEC SDRAM (синхронная динамическая оперативная память JEDEC), PC100 SDRAM (синхронная динамическая оперативная память PC100) и DDR SDRAM (синхронная динамическая оперативная память с двойной скоростью передачи данных). ESDRAM (улучшенная синхронная динамическая оперативная память) - это SDRAM, которая объединяет SRAM в SDRAM, позволяет использовать более быструю SDRAM (в основном более быстрая часть SRAM ESDRAM сначала проверяется на наличие данных, а затем, если не найдена, ищется оставшаяся часть SDRAM). RDRAM (On-Chip Rambus Dynamic Random Access Memory) и MDRAM (On-Chip Multibank Dynamic Random Access Memory) - это DRAM, обычно используемые в качестве памяти дисплея, которые хранят массивы битовых значений (пикселей изображения на дисплее). Разрешение изображения определяется количеством битов, определенных для каждого пикселя. Расширенная динамическая память с произвольным доступом (EDRAM) фактически интегрирует SRAM в DRAM и обычно используется в качестве кэша уровня 2 (см. Раздел 4.2). Сначала выполняется поиск данных в более быстрой части SRAM EDRAM, а если ее там нет, то выполняется поиск в DRAM-части EDRAM.
DRDRAM (Direct Rambus Dynamic Random Access Memory) и SLDRAM (SyncLink Dynamic Random Access Memory) - это DRAM, сигналы шины которых могут быть интегрированы и доступны на одной линии, таким образом уменьшая время доступа (поскольку синхронизация операций на нескольких линиях невозможна). не обязательно). FPM DRAM (динамическая память с произвольным доступом в режиме быстрой страницы), EDORAM / EDO DRAM (память с произвольным доступом для вывода данных / динамическая память с произвольным доступом) и BEDO DRAM (динамическая память с произвольным доступом для расширенного вывода данных)… FRAM (сегнетоэлектрическая оперативная память) является энергонезависимой памятью DRAM, что означает, что данные из DRAM не теряются при отключении питания.FRAM требует меньше энергии, чем другие типы SRAM, DRAM и некоторых ROM (Flash), и предназначена для небольших портативных устройств (КПК, телефоны и т. Д.).
FPM DRAM (динамическая память с произвольным доступом в режиме быстрой страницы), EDORAM / EDO DRAM (память с произвольным доступом для вывода данных / динамическая память с произвольным доступом) и BEDO DRAM (динамическая память с произвольным доступом с расширенным выводом данных)…

Все резистивные ячейки ОЗУ WSe 2 1T1R для будущей интеграции монолитной трехмерной встроенной памяти

WSe

2 выбор материала транзистора

При большой ширине запрещенной зоны достаточно высокая внутренняя подвижность носителей тонких каналов 10 , и n - p полярность, которая может быть легко модулирована контактным барьером Шоттки, металл 11 , WSe 2 предлагает большой потенциал для низкой утечки и высокопроизводительных логических вентилей CMOS 12 .Низкое сопротивление в открытом состоянии и потенциал утечки в закрытом состоянии транзистора WSe 2 также делают их хорошим кандидатом на выбор транзисторов для памяти 1T1R, что требует минимизации потерь напряжения на транзисторе во время установки / сброса ячеек памяти и выключения. -состояние тока утечки в массиве соответственно. Несмотря на благоприятные внутренние атрибуты, транзисторы WSe 2 по-прежнему сталкиваются с проблемами из-за внешнего ухудшения подвижности и высокого контактного сопротивления. Отчеты WSe 2 , демонстрирующие высокую подвижность при низких температурах 13 , предполагают пагубную роль, которую играют различные источники рассеяния, такие как фононы, кулоновские примеси (CI) и собственные дефекты в деградации подвижности.Хотя методы пассивации, основанные на диэлектрическом осаждении, включая инкапсуляцию с осаждением атомных слоев с высоким содержанием k 14 , продолжаются, однородность процесса остается сложной задачей из-за нежелательного зарождения на границах зерен 15 . Таким образом, становится необходимым исследовать другие стратегии, включая также однородный раствор для пассивации естественного оксида.

Кроме того, минимизация сопротивления доступа к транзисторам имеет важное значение для трансляции выигрыша в производительности за счет мобильности несущей канала.В то время как сильное легирование истока / стока (S / D) является наиболее предпочтительным методом улучшения контактного сопротивления в обычных устройствах Si, такое легирование замещения в 2DMat происходит за счет увеличения плотности дефектов 16 . Для 2DMat было предложено несколько подходов, от модификации материала до совместной интеграции графеновых электродов 17 . Однако они создают новые проблемы в отношении стабильности и ограничений работы. Например, модификация 18 из полупроводниковой фазы 2H в металлическую 1T-фазу может значительно улучшить контактное сопротивление, но низкотемпературная стабильность и выравнивание уровня Ферми для зоны проводимости ограничивают ее использование для полевых транзисторов p -FET 14 .Графеновые контакты из-за выравнивания уровня Ферми вблизи зоны проводимости также могут привести к нежелательной инжекции электронов для полевых транзисторов p -FET 17 . В этой работе мы одновременно рассматриваем стратегии легирования дырочных носителей, увеличения подвижности, барьера Шоттки и уменьшения контактного сопротивления с помощью одностадийного процесса, который преодолевает проблемы стабильности и выравнивания работы выхода контакта p . Мы разработали самоограничивающееся одноступенчатое низкотемпературное образование WO 3 на поверхности канала и под S / D контактами путем постконтактного дистанционного плазменного окисления.Этот процесс одновременно увеличивает подвижность тонкопленочного транзистора WSe 2 почти в 76 раз и снижает сопротивление контакта в сотни раз. Путем реализации контакта металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) Ag-WO 3 -WSe 2 мы достигли сверхмалой высоты барьера Шоттки (SBH) 25 мэВ по отношению к валентной зоне WSe 2 , что существенно усиление закачки в скважину.

Низкотемпературное плазменное окисление поверхностного слоя для WSe

2 FET

Для двумерных дихалькогенидов переходных металлов (TMD) толщина является критическим параметром, влияющим на их электронные и оптические свойства.Хотя механическое расслоение приводит к образованию высококачественных хлопьев WSe 2 , такой подход не позволяет точно контролировать толщину. Значительный объем исследований был посвящен реализации стратегии уменьшения толщины, такой как использование сфокусированного ионного пучка 19 , обработка озоном 20,21 , пары XeF 2 22 , плазменное окисление 23 , термическое окисление 24 и так далее. Однако эти подходы могут вызвать незначительное 22 , а также серьезное повреждение кристалличности материала WSe 2 , что в результате отрицательно повлияет на его электрические характеристики.В то время как в вышеупомянутых отчетах основное внимание уделяется окислению как стратегии уменьшения толщины механически расслоенных образцов, мы представляем процесс низкотемпературного удаленного плазменного окисления (раздел «Методы») и изучаем применимость образовавшегося оксида в качестве контакта MIS и инкапсулирующего слоя с использованием подробных инструкций. материалы и электрические характеристики. Мы показываем, что мягкое плазменное окисление может создавать слой поверхности WO x , который не повреждает нижележащую структуру WSe 2 .На рисунке 1а показано изображение в поперечном сечении просвечивающего электронного микроскопа (xTEM) чешуйки WSe 2 до и после удаленного плазменного окисления, из которого видно присутствие WO x и качество экспонированного WSe 2 . подтвержденный. Толщина сформированного WO x составляет ~ 2,2 нм для расхода трех слоев WSe 2 , что подтверждается xTEM. Независимо от времени окисления, образование WO x также самоограничивается (дополнительный рис.1). Одна и та же толщина оксида была подтверждена для WSe 2 с разной начальной площадью и толщиной при одинаковых условиях окисления.

Рис. 1

Дистанционное плазменное окисление и характеристика. a Схематическое изображение поверхностного плазменного окисления и соответствующие изображения поперечного сечения, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (xTEM). На изображении xTEM окисленного WSe 2 видно 2,2 нм WO 3 после окисления, что представляет собой расход трех слоев WSe 2 . b Сравнение спектроскопии комбинационного рассеяния света до окисления и после удаления окисла для сравнения между WSe 2 одинаковой толщины. Не наблюдается видимого изменения положения пика, что означает отсутствие кристаллического повреждения из-за плазменного окисления. c Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) сравнение чешуйчатого WSe 2 и плазменно-окисленного WSe 2 . Появление двух дополнительных пиков после окисления соответствует коэффициенту 3 x в WO x . d W 4f Сравнение спектра XPS на уровне ядра исходного WSe 2 и плазменно-окисленного WSe 2 . Наблюдаемый сдвиг в сторону более низкой энергии связи подразумевает перенос электрона от WSe 2 к WO 3

Рамановская спектроскопия и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) были проведены для определения природы WO x , образованного этим процесс. Поскольку вибрационные и оптические свойства сильно зависят от толщины, было проведено сравнение «оксидированного WSe 2 » и «оксидированного WSe 2 ».Процесс удаления оксидов, который является селективным по отношению к WSe 2 , выполняется с использованием раствора КОН (раздел «Методы»). Из рамановского спектра на рис. 1b мы наблюдаем типичную внеплоскостную моду A 1g , моду в плоскости E 2g и объемную моду B 2g для двух подготовленных четырехслойных WSe 2 образцы; один с WO x (после окисления) и один без WO x (после удаления оксида). Между двумя образцами не обнаружено явного сдвига пика комбинационного рассеяния, что исключает наличие любого стресса, вызванного плазменным окислением, в WSe 2 .Результирующий WO x кажется аморфным из-за отсутствия пика сигнатуры 800 см -1 , что указывает на кристаллический WO x 25 (дополнительный рисунок 2). Аморфная структура WO x дополнительно подтверждается изображениями xTEM (фиг. 1a), которые не выявили какого-либо кристаллического порядка в слое WO x . Поскольку существуют сообщения о кристаллическом WO 3 , образованном посредством нагрева воздуха при более высокой температуре 400 ° C 25 , аморфный WO x , вероятно, является результатом нашего процесса низкотемпературного плазменного окисления.Из анализа XPS на фиг. 1c мы подтверждаем, что стехиометрия аморфного WO x является нативным WO 3 . В частности, пики при 35,5 и 37,7 эВ после плазменного окисления соответствуют энергиям связи W 6+ , что указывает на присутствие WO 3 25 . Кроме того, мы наблюдаем перенос заряда, опосредованный WO 3 , в спектре XPS после плазменного окисления. Наблюдаемое уменьшение энергии связи остовных уровней W 4f (0.Снижение на 18 эВ W 4+ 4f 7/2 и снижение на 0,26 эВ W 4+ 4f 5/2 ) (рис. 1d) предполагает, что существует перенос электронов от WSe 2 к WO 3 . Это объясняется высокой работой выхода WO 3 в соответствии с другими опубликованными исследованиями 22 . Мы показываем здесь, что низкотемпературное плазменное окисление, способное самоограничиваться до ~ 2,2 нм в аморфном состоянии WO 3 , дает ультратонкий слой донора дырок, который также является мягким по отношению к WSe 2 .

На рис. 2а представлена ​​схема изготовленного устройства, состоящего из четырехслойного WSe 2 и трехслойного WO 3 . Подробную процедуру изготовления можно найти в разделе «Методы». Чтобы реализовать более тонкий слой WO 3 под контактами Ag S / D для минимизации туннельного сопротивления, мы решили выполнить постконтактное плазменное окисление. Ключевым преимуществом этой стратегии является то, что скорость роста WO 3 под областью S / D будет сдерживаться металлическим контактом.Изображение ПЭМ (рис. 2b) подтверждает более тонкий (1,7 нм) слой WO 3 под контактом, в отличие от более толстого (2,2 нм) оксидного образования для экспонированного канала, несмотря на обычный процесс плазменного окисления. Из-за ограниченной диффузии радикалов O на концах Ag-WSe 2 на обоих концах электродов радикалы O могут распространяться только латерально под контактами Ag, что приводит к уменьшенному утонению слоя WSe 2 24 под контактный металл, а не открытые участки канала.

Рис. 2

Поверхностное плазменное окисление WSe 2 TFT и электрические характеристики. a Схема устройства, показывающая четырехслойный WSe 2 и 2,2 нм WO 3 на SiO 2 / p + слой Si с длиной затвора ( L g ) = 1,80 мкм и шириной ( W ) = 2,05 мкм. b Изображение, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии области контакта устройства после постконтактного плазменного окисления, выявляющее присутствие WO 3 под металлическими контактами .c I d –V g графики для четырехслойного устройства толщиной с и без WO 3 . d I d –V d Характеристики после плазменного окисления при различных напряжениях затвора. e Эффективное извлечение высоты барьера Шоттки из характеристик низкотемпературного переноса и графика Аррениуса. В условиях плоской зоны кривая отклоняется от линейности, и соответствующая энергия активации становится барьером Шоттки. f Контрольный график, показывающий характеристики окисленного плазмой p -FET по сравнению с другими зарегистрированными данными. I на определяется при В d = −0,5 В

Мы охарактеризовали результирующие характеристики TFT путем измерения передаточных и выходных характеристик (рис. 2c, d). На рис. 2с сравниваются характеристики переноса с постконтактным плазменным окислением и без него. Устройства без WO 3 ничем не примечательны, демонстрируя амбиполярную проводимость с немного большей проводимостью n-типа ( В г > −5 В), чем проводимость типа p ( В г <−5 В ).При плазменном окислении устройство демонстрирует сильную проводимость типа p - . Наиболее примечательно то, что увеличение дырочного тока в 100 раз сопровождается сильным изменением полярности, при котором проводимость n-типа полностью подавляется. Для дальнейшего исследования улучшения характеристик TFT мы тщательно исследовали влияние WO 3 на подвижность и контактное сопротивление.

Мы измерили емкость инверсии затвора окисленного устройства и обнаружили, что она увеличилась в 2 раза по сравнению с геометрическим значением (77 vs.38 нФ см −2 ). Подробные сведения об извлечении инверсионной емкости можно найти на дополнительном рисунке 3 и дополнительном примечании 1. Поскольку мы не наблюдаем частотную дисперсию CV (дополнительный рисунок 3e), которая указывает на значительные быстрые или медленные процессы захвата / извлечения заряда, мы исключаем возможность ложных заряды и беспорядок на границе раздела диэлектрик нижний затвор WSe 2 , как сообщили Прадхан и др. 13 . Вместо этого мы полагаем, что межфазный перенос заряда в гетероструктуре WSe 2 -WO 3 способствовал увеличению емкости.Чтобы обеспечить точное извлечение подвижности, мы подчеркиваем здесь необходимость измерения CV, вместо того, чтобы делать предположения о емкости, основанные на геометрии. Из рис. 2с и измеренной инверсионной емкости мы извлекли резкое увеличение полевой подвижности 76 × дырок ( µ FE ) с 3 см 2 В −1 с −1 (неокисленный ) до 230 см 2 V −1 s −1 и наблюдал значительное 100-кратное снижение контактного сопротивления ( R c ) до 4.3 кОм · мкм от нашего контроля с 420 кОм · мкм, которые извлекаются с использованием хорошо известного R всего –V г метод 26 . Подробности полевой подвижности и извлечения контактного сопротивления можно найти в дополнительной информации (дополнительные рисунки 4 и 5). Уменьшение R c коррелирует со значительным снижением SBH контакта до 25 мэВ по сравнению с SBH 140 мэВ нашего контрольного образца без WO 3 , как показано на рис.2e. Похоже, что тонкий WO 3 под контактом Ag открепил контактный уровень Ферми относительно WSe 2 , ближе к минимуму валентной зоны WSe 2 , из-за высокой работы выхода WO 3 27 . Это также могло бы объяснить наблюдаемое подавление электронного тока, поскольку SBH для электронов будет большим. Наша обработка удаленным плазменным окислением с низким энергопотреблением при комнатной температуре позволяет более щадящему процессу достичь меньшего повреждения лежащей под ним чешуйки WSe 2 , о чем свидетельствует отсутствие восстановления сигнала PL 23 (дополнительный рис.6) по сравнению с другими известными методами 28 . Кроме того, плазменный процесс позволяет формировать однородный тонкий слой WO 3 под контактом, о чем не сообщалось. Аргумент подтверждается тем, что наблюдаемый SBH в 10 раз ниже, чем высота барьера, о которой сообщалось в другой работе, включающей аналогичную функционализацию поверхности с WO 3 20 .

Кроме того, мы провели эксперимент, в котором плазменное окисление проводилось до образования контакта, что приводило к однородной более толстой (2.2 нм) WO 3 под S / D контактами и над каналом (дополнительный рис. 7). Хотя ток возбуждения немного улучшился по сравнению с устройством без окисления, производительность ниже, чем у образца, окисленного после контакта, из-за более высокого контактного сопротивления, которое сравнимо с устройством без окисления (дополнительный рис. 5). Это говорит о важности контроля толщины WO 3 как туннельного слоя - более толстый WO 3 с предварительным контактным окислением фактически ухудшает контактное сопротивление из-за повышенного туннельного сопротивления 29 .На рис. 2f были выбраны наиболее производительные устройства WSe 2 из различных отчетов. Наша работа показывает максимальную производительность I на для устройств с субнА мкм -1 -уровнем I off_min , демонстрируя необычайное увеличение управляющего тока в 100 раз по сравнению с нашим не-WO 3 контроль (дополнительная таблица 2).

WSe

2 Материал, изготовление и характеристика ReRAM

ReRAM на основе 2DMat на многослойном hBN 30,31 , многослойное 2D ReRAM с обработкой на основе раствора 32,33,34,35 , MoS 2 с фазовым переходом поведение мемристора 36 , новые подходы к резистивному переключению, такие как энергонезависимое резистивное переключение с перестраиваемым затвором в монослое MoS 2 посредством атомного переупорядочения границ зерен 37 , а также операция быстрого переключения, обеспечиваемая структурным переходом, индуцированным электрическим полем в MoTe 2 и Mo 1 - x W x Te 2 38 .Здесь мы исследуем потенциал Ag-WSe 2 -Ag ReRAM, состоящего из обработанного в растворе WSe 2 в качестве резистивного элемента памяти и Ag в качестве электродов, реализованных с использованием высокоточной аэрозольной печати (раздел «Методы» и Дополнительная таблица 3). Помимо совместимости с трехмерной монолитной интеграцией, подход, основанный на решениях, в сочетании с аэрозольной струйной печатью, выбран для использования вызванной ультразвуком модуляции дефектов в переключающем слое на месте за счет качества чернил для изучения воздействия устройства из-за различных WSe. 2 морфология 39 .По сравнению с традиционными ReRAM на основе оксидов металлов, реализация работы без формования с более низким коммутируемым напряжением и током является одним из определяющих преимуществ WSe 2 ReRAM, обработанного на твердой основе. Это может быть связано с образованием и миграцией дефектов в отношении морфологии чешуек, в отличие от закороченных металлических проводящих мостиков в оксиде ReRAM 40 . Наряду с уникальными свойствами материала мы демонстрируем Ag / WSe 2 / Ag ReRAM, который демонстрирует энергонезависимые, не образующиеся, характеристики переключения ниже 1 В при заданном токе ≤5 мкА с низкой энергией переключения 2.9 пДж на бит.

На рис. 3а показаны схематическое изображение и изображение, полученное с помощью оптического микроскопа, WSe 2 ReRAM с контактом Ag. Мы выполнили подробную характеристику материала с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), рамановской спектроскопии и дифракции рентгеновских лучей (дополнительный рис. 8). Как видно из SEM-изображений, морфология слоя WSe 2 после печати сильно разупорядочена со случайно распределенными кластерами, что значительно отличается от слоя WSe 2 с отслоением и переносом для TFT.Рамановский анализ показывает, что режим E 2g напечатанного WSe 2 согласуется с расслоенным WSe 2 . Отсутствие межслойной связи-B 2g мода и внеплоскостной моды A 1g , вероятно, связано с неупорядоченной морфологией напечатанного WSe 2 . Неориентированная морфология коммутирующего слоя желательна для элемента вертикальной памяти, поскольку мы стремимся способствовать увеличению количества вакансий или нитевому переключению для наших устройств. На рисунке 3b показаны характеристики развертки постоянного тока (DC) в диапазоне напряжений от -1 до 1 В с установленным пределом тока до 500 нА.Устройство не деформируется, и его можно настроить как на положительную, так и на отрицательную полярность. Мы наблюдаем резкое переключение при установленном напряжении ниже 1 В, что указывает на нитевидную проводимость. При установленном токе 500 нА характеристика переключения оказывается непостоянной, то есть состояние с низким сопротивлением (LRS) быстро затухает до состояния с высоким сопротивлением (HRS) после устранения смещения. На рисунке 3c показано изменение напряжения постоянного тока устройства в течение 90 циклов, а на рисунке 3d показана повторяемость HRS / LRS в течение 90 циклов при напряжении считывания 50 мВ.Устройство достигает среднего окна HRS / LRS ~ 70 за все испытанные циклы. Когда установленный ток увеличивается до 2 мкА, устройство переходит в энергонезависимое состояние переключения. Мы полагаем, что с увеличением установленного тока нить накала утолщается и остается стабильной без внешнего смещения 41 . ReRAM демонстрирует униполярное переключение, при котором напряжения установки и сброса имеют одинаковую полярность. Как наблюдается во многих униполярных модулях ReRAM, в операции сброса преобладает эффект термофореза 42 , когда джоулевое нагревание разрывает нить, возвращая устройство в состояние HRS.Напряжение сброса находится в диапазоне от 0,2 до 0,3 В, а ток сброса находится в диапазоне от 80 до 100 мкА, как показано на рис. 3e. Наблюдение за характеристиками униполярного переключения совпадает с наблюдением WSe 2 , выращенного методом химического осаждения из газовой фазы, о котором сообщил Ge и др. 43 . Мы наблюдаем большее окно памяти 10 3 , когда установленный ток увеличивается до 5 мкА и достигает времени удерживания> 10 4 с (рис. 3f).

Рис. 3

Печатная версия WSe 2 Электрические характеристики ReRAM. a Схема напечатанного WSe 2 ReRAM с контактами Ag вместе с микроскопическим изображением напечатанного ReRAM. b Устройство переключается с HRS на LRS как для положительного, так и для отрицательного напряжения. c Данные о циклическом изменении напряжения для 90 циклов при меньшем заданном токе 500 нА, где наблюдается нестабильное поведение. d Износостойкость ReRAM при напряжении считывания 50 мВ и заданном токе 500 нА. e Операция установки и сброса с большим заданным током 2 мкА, демонстрируя энергонезависимое поведение. f График удерживания, показывающий стабильность LRS и HRS до 10 4 с при напряжении считывания 50 мВ и установленном токе 5 мкА. г Характеристика времени переключения с помощью импульса переменного тока амплитудой 0,7 В и длительностью импульса 1 мкс. ч Контрольный график зависимости энергии переключения на бит от окна памяти напечатанного WSe 2 ReRAM с другими репрезентативными публикациями по энергонезависимому резистивному переключению

Мы подтвердили, что переключение происходит не из-за диффузии ионов Ag в WSe 2 сравнивая поведение переключения ReRAM идентичных устройств с инертными углеродными электродами (дополнительный рис.9 и дополнительное обсуждение 1), которые показывают аналогичные характеристики резкого переключения. Это указывает на то, что механизм переключения присущ переключающему слою WSe 2 , вероятно, из-за вакансий селена, что исключает возможность механизма на основе проводящего моста на основе ионов металлов Ag. Время переключения, рассчитанное путем подачи импульса напряжения с амплитудой 0,7 В и шириной 1 мкс, составляет 700 нс (рис. 3g). Имея компромисс между напряжением программирования и временем переключения 44 , мы решили ограничить напряжение программирования для достижения низкой установленной мощности, что приводит к более медленному времени переключения до 700 нс.С точки зрения материала / конструкции, регулирование размера чешуек и толщины переключающего слоя могло бы быть областями, которые потенциально могли бы улучшить скорость переключения 45 . Наши устройства показывают одну из самых низких заявленных энергий переключения (дополнительный рисунок 10, дополнительная таблица 4 и дополнительное примечание 2) по сравнению с другими 2DMat 35,38 и другими ReRAM на основе оксидов 46,47,48,49,50 , 51,52,53,54 , как показано на рис. 3h, с выносливостью, сравнимой с другими описанными модулями 2DMat ReRAM (дополнительная таблица 5).Мы подозреваем, что низкой энергии переключения способствуют избыточные дефекты и границы зерен в нашем напечатанном слое WSe 2 . Мы выполнили проверку повторяемости для устройств ReRAM, изготовленных несколькими партиями в разное время, где мы наблюдали согласованные характеристики переключения, как показано на графике распределения совокупной вероятности для установленного напряжения, напряжения сброса и сопротивления ReRAM (дополнительный рисунок 11). Мы полагаем, что все еще существует значительная возможность для улучшения долговечности ReRAM и других показателей за счет разработки размеров чешуек с использованием подхода, основанного на решениях.

Хотя технология аэрозольной струйной печати позволяет аддитивное нанесение чернил с широким диапазоном вязкости для реализации быстрого прототипирования устройств с небольшими размерами (до размера элемента до 10 мкм), этот метод не подходит для промышленного производства из-за достижима низкая пропускная способность и большой размер элементов. За исключением низкого теплового баланса нашего процесса, мы не считаем, что наш аддитивный подход существенно изменит выводы устройства для методов осаждения из раствора и субтрактивных методов, таких как нанесение покрытия методом центрифугирования, совместимых с крупномасштабной интеграцией плотных схем.

Все WSe

2 Интеграция и характеристика ячеек памяти 1T1R

Подходы в области оперативной памяти и нейроморфных вычислений на основе встроенной памяти в последнее время набирают обороты, и растет интерес к применению ReRAM 55 . Однако массив ReRAM с перекрестными перемычками высокой плотности страдает от перекрестных помех из-за токов утечки 56 , что приводит к неправильному считыванию и непреднамеренному нарушению состояний памяти, а также к нежелательному увеличению энергопотребления в режиме ожидания.Используя транзистор выбора для изоляции выбранной ячейки ReRAM от невыбранных ячеек, можно реализовать архитектуру 1T1R, чтобы обойти эти проблемы 57,58 . Поскольку утечка ячейки 1T1R стробируется утечкой в ​​закрытом состоянии транзистора выбора, необходимо, чтобы запрещенная зона транзистора выбора была достаточно широкой, чтобы ограничить межполосный ток утечки S / D из-за рабочего напряжения памяти. WSe 2 обладают подходящей шириной запрещенной зоны в диапазоне от 1,2 эВ (объемная) до 1,6 эВ (монослой), ограничивая минимальную утечку транзистора в закрытом состоянии порядка пА мкм −1 для рабочих напряжений в диапазоне 0.8–1,5 В. С другой стороны, максимальный ток в открытом состоянии транзистора выбора должен поддерживать заданное напряжение и ток сброса ReRAM. Однако низкий собственный ток возбуждения TFT на основе 2D TMD затрудняет управление ReRAM. Поэтому мы предлагаем использовать повышение производительности окисленного плазмой WSe 2 для смягчения этой проблемы.

Мы интегрировали TFT и ReRAM в один и тот же чип, чтобы изучить совместную интеграцию и ее функциональность (рис. 4a), где WSe 2 ReRAM печатается после изготовления WSe 2 TFT.Конфигурация измеренной схемы 1T1R показана на рис. 4a. На рисунке 4b показано успешное переключение WSe 2 ReRAM на WSe 2 TFT. Как и ожидалось, сопротивление TFT в открытом состоянии увеличило напряжение переключения ячейки памяти до 1,7 В, что почти в 3 раза больше, чем у одного только ReRAM. Это четко подчеркивает влияние стробирования выбранных характеристик транзистора на ячейку памяти. Необходимо уменьшить сопротивление TFT в открытом состоянии при сохранении низкой утечки в закрытом состоянии, чтобы ограничить ток утечки.Это становится все более сложной задачей с уменьшением размера ячейки, где область TFT ограничена. В следующем разделе мы исследуем конструкцию ячеек с использованием откалиброванных по материалам компактных моделей и моделирования схем, которые позволят нам спроектировать масштабируемую реализацию массива памяти.

Рис. 4

1T1R Конфигурация и характеристики. - схематический трехмерный вид структуры 1T1R с чешуйчатым транзистором WSe 2 и печатным WSe 2 ReRAM и соответствующее представление схемы.Также показано фотоизображение 3 × WSe 2 ReRAM, напечатанных с использованием метода струйной низкотемпературной печати, которое связано с изготовленным TFT WSe 2 на одном кристалле. b I - В график переключения для конфигурации 1T1R, где ток переключения ограничен током управления транзистором

Совместная разработка схемы материала и устройства ячейки памяти 1T1R

Для оценки ячейки памяти Для масштабируемых технологий и для проектирования будущей технологии 1T1R мы исследуем совместное проектирование материалов и систем с использованием подробного моделирования схем и изучаем разрушительное влияние свойств материалов на соображения проектирования системы.Компактная схема BSIM-IMG с описанием модели 59 TFT была откалибрована для экспериментальных устройств с длинным каналом и известных параметров материала WSe 2 . Эффекты короткого канала, такие как насыщение скорости, GISL (утечка истока, вызванная затвором) и GIDL (утечка стока, вызванная затвором), были приняты во внимание для масштабированных устройств посредством моделирования. Компактная модель на основе гистерона, как сообщили Garcia-Redondo et al. 60 , откалиброван для WSe 2 ReRAM.Руководствуясь экспериментальными данными, мы применили эти модели в основном с точки зрения поведения, учитывая, что физика этих устройств еще недостаточно хорошо описана. Несмотря на это, мы ожидаем, что эти модели будут точными для нашего анализа цепей SPICE. На рис. 5а, б показано поведение компактной модели для WSe 2 TFT и ReRAM соответственно, что хорошо коррелирует с экспериментальными данными.

Рис. 5

Компактное моделирование и имитация схем. a I d –V g модели SPICE TFT vs.измерено WSe 2 p -FET. b I - V модели SPICE ReRAM в сравнении с измерениями для процессов SET и RESET. c Схема и компоновка совместно используемой структуры SL 1T1R с указанным размером ячейки 1T1R (BL - битовая линия; WL - строка слов; SL - линия с общим источником)

Мы прогнозируем масштабируемую производительность технологии путем калибровки нашего устройства и схемы модели с собственной подвижностью в длинных каналах и улучшенным контактным сопротивлением, которые выделяются в рамках нашего 2D-подхода WSe 2 .Наша цель - обеспечить сравнение в первом порядке между различными материальными системами и их потенциальным воздействием на систему, не отвлекаясь на субъективные детали, характерные для масштабируемой конструкции устройства (такие как плотность захвата интерфейса, S / D-туннелирование и т. Д., Как поясняется на дополнительном рис. 12 и дополнительное обсуждение 2) и другие более сложные технологические факторы. Мы понимаем, что подробные технологические факторы, связанные с масштабируемым поведением транзисторов / запоминающих устройств, свойствами межсоединений, физической компоновкой и подходами к интеграции процессов, будут полезны для уточнения представления о системе в будущем.Здесь мы анализируем масштабирование ячейки 1T1R с использованием описания правил проектирования на основе λ , где F = 4 λ = минимальный шаг металла 1/2, а размер ячейки 1T1R ограничен размером выбранного транзистора (минимальная площадь ячейки = 112 λ 2 ) 61 . Схема такой ячейки 1T1R с общим источником показана на рис. 5c. При уменьшении размера ячейки памяти 1T1R ток привода селектора уменьшается с линейным уменьшением ширины ( Вт, = ), тогда как ток переключения ReRAM в значительной степени нечувствителен к размеру ячейки из-за нитевидного переключения 43 .Это вызвало бы беспокойство по поводу способности транзистора выбора устанавливать и сбрасывать ReRAM для меньших ячеек. Для более короткой длины канала, поскольку ток привода зависит от ширины ( W ) и C ox согласно соотношению, I sd, sat = V sat WC ox ( V SG - | V tp | - V sd, sat ), увеличивающаяся емкость затвора TFT ( C, ox ), с более тонким высоким - k затвор диэлектрики (для увеличения плотности заряда носителей) могут компенсировать снижение тока из-за масштабирования по ширине 62 .Однако наш анализ показывает, что даже при агрессивном масштабировании оксида затвора с высоким значением k в соответствии с отраслевыми стандартами для маломощных устройств 62,63 , мы все равно столкнемся с падением тока в 2,2 раза при уменьшении ширины 5. × (от длины затвора от 65 до 13 нм на рис. 6b).

Рис. 6

Трехмерное монолитное наложение TFT и памяти. a Концептуальная иллюстрация трехмерного монолитного наложения логики CMOS и двухмерных многослойных TFT WSe 2 с ReRAM с тепловым балансом, указанным для различных уровней (без масштабирования). b Ток возбуждения транзистора (при В sg = 2 В) варьируется в зависимости от размера ячейки 1T1R согласно правилам проектирования λ . Технические характеристики легенд: A: L g = 65 нм , W ch = 130 нм, EOT = 2,3 нм, k = 4,5 ; B: L g = 45 нм, W ch = 90 нм, EOT = 2,2 нм, k = 4,5; C: L g = 32 нм, W ch = 64 нм, EOT = 2.1 нм, k = 4,5; D: L g = 13 нм, W ch = 26 нм, EOT = 1,1 нм, k = 25. Мы наблюдаем падение тока возбуждения примерно в 2,25 раза при масштабировании ширины в 5 раз ( 130–26 нм). Устройства с накоплением каналов, показывающие восстановление тока стока с NStack = 2, для поддержки тока сброса ReRAM, равного 100 мкА. c Изменение тока возбуждения TFT и паразитной емкости (собственная емкость из-за наложения) в зависимости от NStack (количество слоев наложения нанолистов 2DMat) при В sg = 2 В. d Сравнение NStack (количество уложенных в стопку нанолистов TFT) для элементов разного размера из WSe 2 , MoS 2 и UTB Si для поддержки тока сброса ReRAM 100 мкА

Один из способов решения проблемы слабого выбора Транзистор будет полагаться на меньший установленный ток ReRAM, но за счет уменьшения отношения HRS / LRS (дополнительный рисунок 13). Следовательно, для смягчения деградации тока возбуждения, без ущерба для окна памяти, мы предлагаем увеличить эффективную ширину за счет вертикального наложения каналов TFT с нанолистами 2DMat.Это позволит восстановить ток привода TFT без ущерба для занимаемой ячейки 1T1R. Концептуальное представление такого трехмерного монолитного наложения логики КМОП и двумерных многослойных TFT WSe 2 показано на рис. 6a. В то время как тонкий WO 3 все еще используется в качестве дырочного легирующего слоя, можно использовать дополнительный диэлектрик затвора с металлическим затвором, обернутым вокруг нанолиста, для реализации предложенного затвора со все вокруг (GAA) вертикально уложенным TFT WSe 2 . Соответственно, как показано на рис.6b, NStack (количество каналов TFT с нанолистами 2DMat), равное 2, более чем компенсирует потери тока привода из-за масштабирования геометрической ширины, чтобы поддерживать ток сброса ReRAM, равный 100 мкА.

Хотя наложение канальных слоев приведет к увеличению управляющего тока на единицу площади, паразитная емкость, возникающая из-за собственной емкости из-за наложения, включая емкость затвора на S / D и другие граничные компоненты, может привести к увеличению задержек переключения и замедлению цепи. операция.Следовательно, необходимо оценить компромисс между количеством слоев стека и задержкой переключения ячеек из-за емкости транзистора и паразитных межсоединений проводки. Увеличение паразитной емкости с количеством слоев упаковки для L g = 13 нм показано на рис. 6c. С шагом металлической проволоки 52 нм и предполагаемым соотношением сторон равным 2, емкость проволоки составляет 1,045 фФ мкм -1 64 . Соответственно, емкость межсоединения для ячейки 1T1R, учитывая, что длина металлической линии составляет 14 λ , равна 0.1 фФ на ячейку. Смоделированная паразитная емкость транзистора из-за суммирования показывает, что емкость межсоединения, индуцированная длинной шиной слов / разрядной линией, будет более доминирующим фактором и что самоемкость, вызванная суммированием, не должна представлять серьезную проблему для NStack ≤10. Необходимость иметь высокопроизводительный слой канала стекирования становится еще более критичной, чтобы ограничить NStack ниже 10. С учетом того, что полевые транзисторы с нанолистами GAA рассматриваются как потенциальный кандидат на технологический узел размером менее 3 нм, ключевые области исследований, требующие улучшений, являются прекрасными: настройка оптимизации ширины нанолиста с помощью литографии в крайнем ультрафиолете 65 , оптимизация внутренних прокладок 66 , прогресс в метрологии и инспекции для измерения скрытого канала, управления процессом и других производственных задач при интеграции блока затворов.

Кроме того, мы сравнили количество слоев наложения, которое потребовалось бы для других 2D-материалов, таких как MoS 2 , а также обычного ультратонкого Si из других опубликованных работ, в отношении устройства WSe 2 , описанного в этой работе. Наш анализ показывает, что усовершенствованному устройству WSe 2 требуется меньшее количество слоев стека каналов по сравнению с другими материалами, чтобы поддерживать максимальный ток сброса 100 мкА нашего низковольтного ReRAM (рис.6г). Это связано с более высокой подвижностью WSe 2 при толщине канала менее 5 нм по сравнению с MoS 2 и ультратонким Si. В частности, для размеров ячеек менее 0,01 мкм 2 требуются только два стека каналов TFT 2D WSe 2 (NStack = 2). Эти результаты означают, что, помимо ограничения теплового бюджета, большое количество слоев наложения, необходимое для сверхтонких кремниевых транзисторов и MoS 2 при толщине канала менее 5 нм, увеличивает сложность изготовления и паразитную емкость, вызванную наложением.

В то время как меньшая эффективная масса ( м * ) WSe 2 обеспечивает более высокую мобильность и высокую производительность при длине затвора менее 10 нм ( L г ), улучшенное S / D-туннелирование за счет более низкого м * - нижняя сторона 67,68 . Следовательно, чтобы еще больше уменьшить занимаемую площадь каждого устройства, мы рекомендуем большее масштабирование по ширине, чем масштабирование L g , без увеличения мощности в режиме ожидания. Однако масштабирование ширины происходит за счет более низкого тока возбуждения на TFT.В этом случае наложение каналов TFT становится еще более необходимым для восстановления требуемого тока возбуждения и является важной ручкой управления для включения плотной ячейки 1T1R.

Различные типы ОЗУ (оперативное запоминающее устройство)

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) - это часть основной памяти компьютера, доступная напрямую для ЦП. ОЗУ используется для чтения и записи в нее данных, к которым ЦП обращается случайным образом. ОЗУ является энергозависимым по своей природе, это означает, что при отключении питания сохраненная информация теряется.ОЗУ используется для хранения данных, которые в настоящее время обрабатываются ЦП. Большинство программ и данных, которые можно изменить, хранятся в оперативной памяти.

Интегрированные микросхемы RAM доступны в двух формах:

  1. SRAM (статическая RAM)
  2. DRAM (динамическая RAM)

Блок-схема микросхемы RAM приведена ниже.

SRAM


Память SRAM состоит из схем, способных сохранять сохраненную информацию, пока подается питание.Это означает, что этот тип памяти требует постоянного питания. Память SRAM используется для создания кэш-памяти.

Ячейка памяти SRAM: Статическая память (SRAM) - это память, которая состоит из схем, способных сохранять свое состояние, пока включено питание. Таким образом, этот тип памяти называется изменчивой памятью. На рисунке ниже показана диаграмма ячеек SRAM. Защелка образована двумя инверторами, подключенными, как показано на рисунке. Два транзистора T1 и T2 используются для соединения защелки с двумя разрядными линиями.Назначение этих транзисторов - действовать как переключатели, которые могут открываться или закрываться под управлением словарной шины, которая управляется декодером адреса. Когда линия слов находится на уровне 0, транзисторы выключены, и защелка сохраняет свою информацию. Например, ячейка находится в состоянии 1, если логическое значение в точке A равно 1, а в точке B равно 0. Это состояние сохраняется до тех пор, пока словарная линия не активирована.

Для операции чтения словная строка активируется вводом адреса в декодер адреса.Активированная словарная шина закрывает оба транзистора (переключатели) Т1 и Т2. Затем битовые значения в точках A и B могут передаваться в соответствующие им битовые линии. Схема считывания / записи в конце разрядных линий отправляет выходной сигнал процессору.
Для операции записи адрес, предоставленный декодеру, активирует словарную шину, чтобы замкнуть оба переключателя. Затем битовое значение, которое должно быть записано в ячейку, передается через схему считывания / записи, и сигналы в битовых линиях затем сохраняются в ячейке.

DRAM

DRAM хранит двоичную информацию в виде электрических зарядов, приложенных к конденсаторам. Сохраненная информация о конденсаторах имеет тенденцию к потере с течением времени, и поэтому конденсаторы необходимо периодически перезаряжать, чтобы они продолжали использовать их. Основная память обычно состоит из микросхем DRAM.

Ячейка памяти DRAM: Хотя SRAM очень быстрая, но дорогая, поскольку каждая ячейка требует нескольких транзисторов. Относительно менее дорогая оперативная память - это DRAM из-за использования одного транзистора и одного конденсатора в каждой ячейке, как показано на рисунке ниже., где C - конденсатор, а T - транзистор. Информация хранится в ячейке DRAM в виде заряда конденсатора, и этот заряд необходимо периодически перезаряжать.
Для хранения информации в этой ячейке включается транзистор Т и на разрядную шину подается соответствующее напряжение. Это вызывает накопление известного количества заряда в конденсаторе. После выключения транзистора из-за свойства конденсатора он начинает разряжаться. Следовательно, информация, хранящаяся в ячейке, может быть прочитана правильно, только если она будет считана до того, как заряд конденсаторов упадет ниже некоторого порогового значения.

Типы DRAM

Есть в основном 5 типов DRAM:

  1. Асинхронная DRAM (ADRAM): DRAM, описанная выше, является DRAM асинхронного типа. Синхронизация запоминающего устройства контролируется асинхронно. Специализированная схема контроллера памяти генерирует необходимые управляющие сигналы для управления синхронизацией. ЦП должен учитывать задержку ответа памяти.
  2. Synchronous DRAM (SDRAM): Скорость доступа к этим микросхемам RAM напрямую синхронизируется с тактовой частотой процессора.Для этого микросхемы памяти остаются готовыми к работе, когда ЦП ожидает их готовности. Эти запоминающие устройства работают на шине CPU-памяти, не вызывая состояний ожидания. SDRAM коммерчески доступна в виде модулей, включающих несколько микросхем SDRAM и образующих необходимую емкость для модулей.
  3. SDRAM с двойной скоростью передачи данных (DDR SDRAM): Эта более быстрая версия SDRAM выполняет свои операции по обоим фронтам тактового сигнала; тогда как стандартная SDRAM выполняет свои операции по нарастающему фронту тактового сигнала.Поскольку они передают данные по обоим фронтам тактового сигнала, скорость передачи данных увеличивается вдвое. Для быстрого доступа к данным ячейки памяти разделены на две группы. Доступ к каждой группе осуществляется отдельно.
  4. Rambus DRAM (RDRAM): RDRAM обеспечивает очень высокую скорость передачи данных по узкой шине CPU-памяти. Он использует различные механизмы ускорения, такие как синхронный интерфейс памяти, кэширование внутри микросхем DRAM и очень быструю синхронизацию сигнала. Ширина шины данных Rambus составляет 8 или 9 бит.
  5. Кэш-память DRAM (CDRAM): Эта память представляет собой DRAM-память особого типа со встроенной кэш-памятью (SRAM), которая действует как высокоскоростной буфер для основной DRAM.

Различия между SRAM и DRAM

В таблице ниже перечислены некоторые различия между SRAM и DRAM:

Внимание, читатель! Не прекращайте учиться сейчас. Изучите все концепции GATE CS с бесплатными живыми классами на нашем канале YouTube.

Что такое DRAM | Tech Talk

Что такое DRAM?

Компьютерная память обычно классифицируется как внутренняя или внешняя.Внутренняя память разделена на две категории: ROM и RAM. Внутренняя память также называется основной или основной памятью и может хранить небольшие объемы данных, к которым можно быстро получить доступ во время работы компьютера. Примерами внешней памяти являются переносные жесткие диски, USB-накопители и компакт-диски.

Компьютерная память бывает разных форм; DRAM, SRAM, VRAM, SDRAM - мир технологий полон жаргона и может сбивать с толку. DRAM? D ynamic R andom A ccess M emory - это тип оперативной памяти или памяти компьютера, который существует с середины 1960-х годов.В DRAM было внесено множество изменений в конструкции, и они бывают разных размеров и с разными характеристиками в зависимости от ваших требований. DRAM - наиболее распространенный тип компьютерной памяти и широко доступен.

DRAM широко используется в цифровой электронике, где требуется недорогая память большой емкости. Одним из самых больших приложений для DRAM является основная память (называемая «RAM») в современных компьютерах и графических картах (где «основная память» называется графической памятью ).Он также используется во многих портативных устройствах и игровых консолях. Напротив, SRAM, которая быстрее и дороже DRAM, обычно используется там, где скорость имеет большее значение, чем стоимость, например, в кэш-памяти в процессорах.

Техника

ДРАМ

Произносится как DEE-RAM, DRAM широко используется в качестве основной памяти компьютера. Каждая ячейка памяти DRAM состоит из транзистора и конденсатора в интегральной схеме, а бит данных хранится в конденсаторе.Поскольку транзисторы всегда имеют небольшую утечку, конденсаторы будут медленно разряжаться, вызывая утечку информации, хранящейся в них; следовательно, DRAM необходимо обновлять (получать новый электронный заряд) каждые несколько миллисекунд для сохранения данных. Основными преимуществами DRAM являются простота конструкции и низкая стоимость по сравнению с альтернативными типами памяти. Основными недостатками DRAM являются его высокая нестабильность и высокое энергопотребление по сравнению с другими вариантами.

SRAM

Ярко выраженная S-RAM, SRAM состоит из четырех-шести транзисторов.Он хранит данные в памяти до тех пор, пока в систему подается питание, в отличие от DRAM, который необходимо периодически обновлять. Таким образом, SRAM быстрее, но также дороже, что делает DRAM более распространенной памятью в компьютерных системах. SRAM не нужно обновлять, потому что он работает по принципу переключения потока тока в одном из двух направлений, а не удерживает заряд на месте в ячейке памяти. SRAM обычно используется для кэш-памяти, к которой можно получить доступ быстрее, чем к DRAM.SRAM обычно не используется в потребительских приложениях и стоит дороже, чем DRAM.

Естественный преемник

DRAM

является преемником SRAM, так как он дешевле в производстве, но SRAM по-прежнему доступен для покупки, в основном, для сборщиков систем на заказ. Итак, каковы общие типы DRAM? DDR1 - это самый старый тип DRAM, который в настоящее время поставляет Simms, доступен у специализированных промышленных производителей и не всегда доступен для потребительских приложений. DDR4 - это последняя версия, которая широко доступна для промышленных и потребительских рынков.DDR5 прогнозируется где-то в 2020 году, возможно, раньше.

ПЗУ и ОЗУ

ROM означает R ead- O nly M emory. Он энергонезависимый, что означает, что он может сохранять данные даже без питания. Он используется в основном для запуска или загрузки компьютера.

После загрузки операционной системы компьютер использует RAM , что означает R andom- A ccess M emory, который временно сохраняет данные, пока центральный процессор (ЦП) выполняет другие задачи.Чем больше ОЗУ на компьютере, тем меньше ЦП должен считывать данные из внешней или вторичной памяти (устройства хранения, такого как твердотельный накопитель, встроенного в ваш компьютер), что позволяет компьютеру работать быстрее. Оперативная память работает быстро, но непостоянно, что означает, что она не сохраняет данные при отсутствии питания. Поэтому важно сохранить данные на запоминающем устройстве до выключения системы.

Существует два основных типа ОЗУ: динамическое ОЗУ (DRAM) и статическое ОЗУ (SRAM). В таблице ниже показаны основные различия между ними.

ДРАМ SRAM
Потребляемая мощность низкий высокая
Скорость доступа к данным медленный быстро
Цена / бит низкий высокая
Требуется обновление да
Произвольный доступ да
Плотность / чип высокая низкий
Типичное использование основная память кэш
Сохранение мощности плохое хорошо
Транзисторов / элемент 6 1
Надежность хорошо высокая
Строительство простой сложный
Вместимость высокая низкий

Компания Simms предлагает широкий выбор модулей памяти DRAM для различных типов приложений.Для энтузиастов или геймеров это будет HyperX DRAM, для потребительских / корпоративных Kingston и для промышленных приложений ATP, Innodisk и APRO. Нажмите на различные типы DRAM ниже, чтобы ознакомиться с ассортиментом нашей продукции.

Размер имеет значение

DRAM

бывает разных форм, размеров и емкостей, каждая из которых имеет свои особенности.

  • DIMM - Двухрядный модуль памяти (DIMM) - это небольшая печатная плата, которая удерживает микросхемы памяти на материнской плате.
  • RDIMM - двухрядный модуль памяти (DIMM) с повышенной надежностью R . RDIMM, который стал доступным для памяти DDR3, использует аппаратный регистр, который буферизует управляющие сигналы (а не данные приложения) к модулям.
  • UDIMM (незарегистрированная память) - это тип микросхемы памяти, который в основном используется в настольных и портативных компьютерах. Обычно называемые небуферизованной памятью, UDIMM работают быстрее, чем зарегистрированная память (RDIMM), и стоят меньше, но не так стабильны, как RDIMM
  • .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *