Przegląd pamięci półprzewodnikowych

Pamięci półprzewodnikowe
Pamięci
2/26
Klasyfikacja pamięci półprzewodnikowych
Przegląd wybranych typów pamięci
Pamięci
Pamięć – zbiór układów logicznych służących przechowywaniu
informacji w postaci binarnej.
Bity informacji mogą być zorganizowane w kilku- lub kilkunastobitowe
słowa (typowo: tetrady, bajty, słowa 16-bitowe).
3/26
Pamięci - klasyfikacje
pamięci tracące
informację przy
zaniku zasilania
sekwencyjne
rejestry
przesuwające
CCD - ze
sprzężeniem
ładunkowym
4/26
Pamięci półprzewodnikowe
nieulotne
ulotne
zwykłe
statyczne
(SRAM)
dynamiczne
(DRAM)
równoległe
(bipol.,unipol.)
klasyczne
(unipol.)
szeregowe
(unipol.)
pseudostatyczne
(unipol.)
pamięci nie tracące
informacji przy
zaniku zasilania
Pamięci - SRAM
5/26
Budowa pojedynczego bitu SRAM:
techn. bipolarna
techn. unipolarna
+U
Udd
linia
wyboru
słowa
linia
wyboru
słowa
Uss=0
Udd
+U
wzm.
odczytu
wzm.
odczytu
Pamięci - SRAM
8/26
Odczyt i zapis pamięci statycznej – typowe przebiegi czasowe
odczyt
zapis
ADR
ADR
CE
CE
R/W
R/W
D0..D7
D0..D7
Pamięci - DRAM
7/26
Budowa pojedynczego bitu DRAM:
linia
wyboru
słowa
Uss=0
upływność
nieidealnego
kondensatora
wzm.
odczytu
Pamięci - DRAM
8/26
Cechy DRAM:
zalety
wady
•mały pobór mocy;
•konieczność odświeżania informacji
•znaczne szybkości;
(ładunek w komórce DRAM musi być
•duże pojemności;
•małe obudowy.
regenerowany z okresem 2..16ms);
•multipleksowane linie adresowe;
•kłopotliwe sterowanie
Pamięci - technologie
9/26
Cechy wynikające z technologii
Cechy pamięci bipolarnych:
Cechy pamięci unipolarnych:
•szybsze;
•wolniejsze;
•większy pobór mocy;
•mniejszy pobór mocy;
•mniejsza gęstość upakowania;
•większa gęstość upakowania;
•“droższy” 1 bit.
•“tańszy” 1 bit
Pamięci - klasyfikacje
10/26
Pamięci półprzewodnikowe
ulotne
nieulotne
ROM
sekwencyjne
rejestry
przesuwające
CCD - ze
sprzężeniem
ładunkowym
zwykłe
statyczne
(SRAM)
PROM
dynamiczne
(DRAM)
równoległe
(bipol.,unipol.)
klasyczne
(unipol.)
szeregowe
(unipol.)
pseudostatyczne
(unipol.)
bipolarne
unipolarne
EPROM
u
(szereg. i równol.)
n
EEPROM (E2PROM)
i
(szereg. i równol.)
p
o
NVRAM
l
(SRAM+EEPROM)
a
FLASH
r
(3 rodzaje)
n
FRAM
e
Pamięci - ROM
11/26
Cechy:
• programowane maską na etapie produkcji;
• długotrwały i kosztowny cykl wytworzenia;
• błąd programu skutkuje bezużytecznością całej serii;
• kosztowny proces uruchomieniowy systemu z pamięcią programu typu ROM;
• niski koszt jednostkowy pamięci z dopracowanym programem
przy seryjnej produkcji.
Pamięci - PROM
12/26
Budowa pojedynczego bitu PROM:
programowanie bitu:
Vcc=12,5V Up=8V
Vcc
12,5V
linia
wyboru
słowa
Ube
7V
12,5V
Vcc
Q0
„1” - 8V
„0” - 0V
Pamięci - EPROM
13/26
Budowa pojedynczego bitu EPROM:
BUF. DANYCH
WE/CS
PROG
B
U
F
O
R
A
D
R
E
S
U
WZM. ODCZ/ZAP
DEK. KOLUMN
D
E
K.
W
I
E
R
S
Z
Y
Pamięci – EEPROM (E2PROM)
14/26
Właściwości pamięci EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read
Only Memory):
• budowa bazuje na budowie EPROM;
• dodatkowy tranzystor dla każdego z bitów umożliwia
indywidualne kasowanie i reprogramowanie komórek;
• większa żywotność struktury (liczona w cyklach przeprogramowania);
• skasowanie i zaprogramowanie jednego bajtu może zajmować do 10ms;
• dostępne w wersji równoległej – odpowiedniki EPROMów,
albo szeregowej (np. z I2C, SPI)- jako pamięć konfiguracji;
• EEPROMy równoległe mogą mieć funkcję programowania bloków liczących
64B, 128B, 256B: nowa informacja jest najpierw buforowana w dodatkowej
wewn. SRAM, a następnie uruchamiane jest jednoczesne programowanie
całego bloku komórek EEPROM – przyśpiesza to znacznie programowanie
całości;
Pamięci - NVRAM
Przykład struktury blokowej NVRAM:
15/26
Pamięci - FLASH
struktura tranzystora
pamiętającego:
16/26
Pamięci - FLASH
17/26
Rodzaje pamięci FLASH:
1. Standardowe - równoważne EEPROMom; o czasach dostępu 70..200ns;
Ucc = 5V; Icc  30mA; reprezentanci: 28F256A, 28F512, 28F010, 28F020.
2. Flash file - podzielone wewnętrznie na niezależne bloki o pojemności 64kB;
czasy dostępu: 70..200ns; Ucc = 5V lub 3,3V; pojemności np.: 1MB, 4MB,
2Mx16; reprezentanci: 28F008SA, 28F016SA, DD28F032SA)
Pamięci - FLASH
18/26
Rodzaje pamięci FLASH:
3. Boot-block flash - charakterystyczny pin RP - Reset-Powerdown, wył. układ
pamięci ISB  0,05A; podział pamięci na 4 bloki funkcjonalne:
• 8kB Boot Block na program startowy;
• 2 x 4kB wzajemnie niezależne Parameter Block zastępujące układy
NVRAM lub EEPROM jako pamięci konfiguracji;
• 112kB Main Block - reprogramowalny, przeznaczony dla reszty programu.
czasy dostępu 60-150ns; organizacja 8- lub 16-bitowa; Ucc = 5V lub 3,5V;
Pamięci - FRAM
19/26
Budowa pojedynczego bitu FRAM:
struktura pierwotna
linia
wyboru
słowa
struktura zmodyfikowana
linia
wyboru
słowa
Uss=0
Uss=0
+U
+U
wzm.
odczytu
wzm.
odczytu
Pamięci - FRAM
Dostępne FRAM:
• z interfejsem szeregowym: I2C (0,4..1MHz), SPI (2,1..5MHz);
• z interfejsem równoległym
Przykłady:
• 4Mb (256kx16), 55ns, okres przechowywania danych 10lat,
żywotność 1014 cykli zapisu, zasilanie 2,7..3,6V, pobór prądu 8mA/90uA
20/26
Pamięci - klasyfikacje
21/26
Pamięci półprzewodnikowe
ulotne
nieulotne
ROM
sekwencyjne
rejestry
przesuwające
CCD - ze
sprzężeniem
ładunkowym
zwykłe
statyczne
(SRAM)
PROM
dynamiczne
(DRAM)
równoległe
(bipol.,unipol.)
klasyczne
(unipol.)
szeregowe
(unipol.)
pseudostatyczne
(unipol.)
zero-power RAM
MRAM, OUM, RRAM,
polimerowe, nanomechaniczne
bipolarne
unipolarne
EPROM
u
(szereg. i równol.)
n
EEPROM (E2PROM)
i
(szereg. i równol.)
p
o
NVRAM
l
(SRAM+EEPROM)
a
FLASH
r
(3 rodzaje)
n
FRAM
e
Pamięci - zero-power RAM
Struktura pamięci:
22/26
Pamięci - zero-power RAM
23/26
MRAM - pamięci magnetorezystywne, dwie mikroskopijnej grubości wartstwy
magnetyczne oddzielone dielektrykiem
Pamięci - zero-power RAM
OUM (Ovonic Unified Memory) - zastosowanie materiałów jak do produkcji
dysków CD-RW, ale zapis i odczyt na drodze elektrycznej
24/26
Pamięci - zero-power RAM
25/26
RRAM - pamięć rezystywna, wykorzystuje się materiał zmieniający rezystancję
pod wpływem pola elektrycznego
polimerowe - wykorzystanie zmian struktury jonowej wewnątrz polimeru pod
wpływem pole elektrycznego, możliwe b. duże gęstości upakowania (także
warstwowo), tranzystory wymagane jedynie w układach obsługujących strukturę
nanomechaniczna - np. millipede IBMa
Pamięci - parametry charakterystyczne
26/26
Porównanie wybranych technologii pamięci półprzewodnikowych
rodzaj
rozmiar nieulotkomórki ność
SRAM
duży
-
zapis
czas
ilość
[ns]
25-100 nieogr.
odczyt
pobór
czas
ilość mocy
[ns]
25-100 nieogr. niski
DRAM
średni
-
50-100
nieogr.
30-70
nieogr. wysoki
EEPROM
średni
+
10ms
105
60-150
nieogr. średni
NVRAM
duży
+
25-45
nieogr.
25-45
nieogr. średni
Flash
mały
+
5-10s
106
70-150
nieogr. średni
FRAM
średni
+
55-200 1010-1014 55-200 1010-1014 niski