Курсовая работа (т): Технологии и особенности оперативной памяти

Если статическая память выполнена в виде самостоятельной микросхемы, а не располагается непосредственно на кристалле процессора, линии ее входа зачастую объединяют с линиями выхода, и требуемый режим работы приходится определять по состоянию специального вывода WE (Write Enable). Высокое состояние вывода WE готовит микросхему к чтению данных, а низкое - к записи. Статическая память, размещенную на одном кристалле вместе с процессором, обычно не мультиплексирует, и в этом случае содержимое одной ячейки можно читать параллельно с записью другой.

Номера столбцов и строк поступают на декодеры столбца и строки соответственно. После декодирования расшифрованный номер строки поступает на дополнительный декодер, вычисляющий, принадлежащую ей матрицу. Оттуда он попадает непосредственно на выборщик строки, который открывает "защелки" требуемой страницы. В зависимости от выбранного режима работы чувствительный усилитель, подсоединенный к битовым линейкам матрицы, либо считывает состояние триггеров соответствующей raw-линейки, либо "перещелкает" их согласно записываемой информации.

Рисунок 2 - Модуль памяти SRAM 8Mb

5        Память с изменением фазового состояния (PRAM)

change memory (память на основе фазового перехода) (также известна как PCM, PRAM, PCRAM, Ovonic Unified Memory, Chalcogenide RAM и C-RAM) - новый тип энергонезависимой памяти. PRAM основывается на уникальном поведении халькогенида, который при нагреве может «переключаться» между двумя состояниями: кристаллическим и аморфным. В последних версиях смогли добавить ещё два дополнительных состояния, эффективно удвоив информационную емкость чипов. PRAM - одна из новых технологий памяти, созданная в попытке превзойти в области энергонезависимой памяти почти универсальную флеш-память, обладающую некоторым количеством практических проблем, решить которые как раз надеялись в PRAM.

Свойства халькогенида с точки зрения потенциальной технологии памяти впервые были исследованы Стэнфордом Овшинским из компании Energy Conversion Devices в 1960-х. В 1970 года в сентябрьском выпуске Electronics, Гордон Мур - один из основателей Intel - опубликовал статью, касающуюся технологии. Однако, качество материала и энергопотребление не позволили перевести технологию в коммерческое русло. Уже гораздо позже вновь возник интерес к этой технологии, равно как и исследования по ней, тогда как технологии флэш и DRAM-памяти согласно расчетами должны были столкнуться с проблемами масштабирования при уменьшении размерности процессов литографии чипов.

Кристаллическое и аморфное состояния халькогенида кардинально различаются электрическим сопротивлением, а это лежит в основе хранения информации. Аморфное состояние, обладающее высоким сопротивлением, используется для представления двоичного 0, a кристаллическое состояние, обладающее низким уровнем сопротивления, представляет. Халькогенид - это тот же самый материал, что используется в перезаписываемых оптических носителях (как например, CD-RW и DVD-RW). В таких носителях оптические свойства материала поддаются управлению лучше, чем его электрическое сопротивление, так как показатель преломления халькогенида также меняется в зависимости от состояния материала.

Более поздние исследования Intel и ST Microelectronics позволили контролировать состояние материала более тщательно, позволяя ему превращаться в одно из четырёх состояний: два предыдущих (аморфное и кристаллическое) и два новых (частично кристаллических). Каждое из этих состояний обладает собственными электрическими свойствами, которые могут замеряться при чтении, позволяя одной ячейке хранить два бита, удваивая тем самым плотность памяти.

Рисунок 3 - Упрощенная архитектура PRAM

Наибольшей проблемой памяти на основе фазового перехода является требование плотности программируемого в активной фазе. Благодаря этому область воздействия становится значительно меньше, чем у управляющего транзистора. Из-за данного различия структуры памяти на основе фазового перехода приходится упаковывать более горячий и склонный к произвольному фазовому переходу материал в литографические размеры. Из-за этого стоимость процесса по цене проигрывает в сравнении с флеш-памятью.

Контакт между горячей областью фазового перехода и соседним диэлектриком - ещё один из нерешенных фундаментальных вопросов. Диэлектрик может допустить утечку заряда при повышении температуры, или может отрываться от материала с фазовым переходом при расширении на различных этапах.

Память с фазовым переходом весьма восприимчива к произвольному фазовому переходу. Это происходит в основном из-за того факта, что фазовый переход - температурно управляемый процесс по сравнению с электронным. Термические условия, допускающие быструю кристаллизацию, не должны быть близки к условиям сохранения устойчивого состояния, например, комнатной температуре. В противном случае, удерживание данных не будет сколько-нибудь продолжительным.

При соответствующей энергии активации кристаллизации возможно достичь быстрой кристаллизации путем задания соответствующих условий, в то время как при обычных условиях будет происходит очень медленная кристаллизация.

Вероятно, наибольшей проблемой памяти с изменением фазового состояния является постепенное изменение сопротивления и порогового напряжения с течением времени. Сопротивление аморфного состояния медленно возрастает по степенному закону. Это несколько ограничивает возможность использования многоуровневых ячеек памяти (в дальнейшем нижележащее промежуточное состояние будет путаться с вышележащим промежуточным состоянием) и может подвергать опасности стандартную двухфазовую операцию, в случае если пороговое напряжение превысит предусмотренное значение.

6        Магниторезистивная память

В отличие от других типов запоминающих устройств, информация в магниторезистивной памяти хранится не в виде электрических зарядов или токов, а в магнитных элементах памяти. Магнитные элементы сформированы из двух ферромагнитных слоёв, разделенных тонким слоем диэлектрика. Один из слоёв представляет собой постоянный магнит, намагниченный в определённом направлении, а намагниченность другого слоя изменяется под действием внешнего поля. Устройство памяти организовано по принципу сетки, состоящей из отдельных «ячеек», содержащих элемент памяти и транзистор.

Считывание информации осуществляется измерением электрического сопротивления ячейки. Отдельная ячейка (обычно) выбирается подачей питания на соответствующий ей транзистор, который подаёт ток от источника питания через ячейку памяти на общую землю микросхемы. Вследствие эффекта туннельного магнетосопротивления, электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от взаимной ориентации намагниченностей в слоях. По величине протекающего тока, можно определить сопротивление данной ячейки, и как следствие, полярность перезаписываемого слоя. Обычно одинаковая ориентация намагниченности в слоях элемента интерпретируется как «0», в то время как противоположное направление намагниченности слоёв, характеризующееся более высоким сопротивлением - как «1».

Информацию можно записывать в ячейки, используя множество способов. В простейшем случае, каждая ячейка лежит между двумя линиями записи, размещёнными под прямым углом друг к другу, одна над, а другая под ячейкой. Когда ток проходит через них, в точке пересечения линий записи наводится магнитное поле, которое воздействует на перезаписываемый слой. Такой же способ записи использовался в памяти на магнитных сердечниках, которая использовалась в 1960х годах. Этот способ требует достаточно большого тока, необходимого для создания поля, и это делает их не очень подходящими для применения в портативных устройствах для которых важна малое потребление энергии, это один из основных недостатков MRAM. Кроме того, с уменьшением размера микросхем, придёт время, когда индуцированное поле перекроет соседние ячейки на маленькой площади, что приведёт к возможным ошибкам записи. Из-за этого в памяти MRAM данного типа необходимо использовать ячейки достаточно большого размера. Одним из экспериментальных решений этой проблемы было использование круглых доменов, читаемых и записываемых с помощью эффекта гигантского магнитного сопротивления, но исследования в этом направлении более не проводятся.

Другой подход, переключения режимов, использует многошаговую запись с модифицированной многослойной ячейкой. Ячейка модифицирована содержит в себе искусственный антиферромагнетик, где магнитная ориентация чередуется назад и вперёд через поверхность, с обоими прикреплённым и свободным слоями, составленными из многослойных стеков, изолированных тонким «соединяющим слоем». Результирующие слои имеют только два стабильных состояния, которые могут быть переключены из одного в другое выбором времени тока записи в двух линиях так одна немного задерживается, таким образом «поворачивая» поле. Любое напряжение меньшее, чем полный уровень записи фактически увеличивает его сопротивление для переключения. Это значит, что ячейки расположенные вдоль одной из линий записи не будут подвержены эффекту непреднамеренного перемагничивания, позволяя использовать меньшие размеры ячеек.

Новая технология, переноса спинового момента (spin-torque-transfer-STT) или переключение с помощью переноса спина, использует электроны с заданным состоянием спина («поляризованные»), прямо вращая области. Особенно, если электроны текут внутрь слоя, должно измениться их вращение, это будет способствовать вращению, будет перенесено на ближайший слой. Это уменьшает величину тока, необходимую для записи информации в ячейку памяти, и потребление только при чтении и записи становится примерно одинаковым. Технология STT должна решить проблемы с которыми «классическая» технология MRAM будет сталкиваться при увеличении плотности размещения ячеек памяти и соответствующего увеличения тока необходимого для записи. Поэтому технология STT будет актуальна при использовании технологического процесса 65 нм и менее. Нижняя сторона такая, в настоящее время, STT необходимо переключать больше тока через управляющий транзистор, чем обычной MRAM, требующей больший транзистор, и необходимо поддерживать когерентность вращения. В целом, несмотря на это, STT требует намного меньшего тока записи, чем обычная или переключательная MRAM.

Другими возможными путями развития технологии магниторезистивной памяти являются технология термического переключения (TAS-Thermal Assisted Switching) при которой во время процесса записи магнитный туннельный переход быстро нагревается (подобно PRAM) и в остальное время остается стабильным при более низкой температуре, а также технология вертикального транспорта (VMRAM-vertical transport MRAM) в которой ток проходящий через вертикальный столбцы меняет магнитную ориентацию, и такое геометрическое расположение ячеек памяти уменьшает проблему случайного перемагничивания и соответственно может увеличить возможную плотность размещения ячеек.

Магниторезистивная память имеет быстродействие, сравнимое с памятью типа SRAM, такую же плотность ячеек, но меньшее энергопотребление, чем у памяти типа DRAM, она более быстрая и не страдает деградацией по прошествии времени в сравнении с флэш-памятью. Это та комбинация свойств, которая может сделать её «универсальной памятью», способной заменить SRAM, DRAM и EEPROM и Flash. Этим объясняется большое количество направленных на её разработку исследований.

Конечно, на данный момент MRAM ещё не готова для широкого применения. Огромный спрос на рынке флэш-памяти вынуждает производителей к агрессивному внедрению новых технологических процессов. Самые последние фабрики, на которых, например, изготавливает микросхемы флэш-памяти ёмкостью 16 Гбайт фирма Samsung, используют 50 нм технологический процесс. На более старых технологических линиях изготавливаются микросхемы памяти DDR2 DRAM, для которых используется 90 нм технологический процесс предыдущего поколения.

Магниторезистивная память всё ещё в значительной степени находится «в разработке», и производится с помощью устаревших технологических процессов. Так как спрос на флэш-память в настоящее время превышает предложение, то еще не скоро появится компания, которая решится перевести одну из своих фабрик, с новейшим технологическим процессом на изготовление микросхем магниторезистивной памяти. Но и в этом случае, конструкция магниторезистивной памяти на сегодняшний момент проигрывает флэш-памяти по размерам ячейки, даже при использовании одинаковых технологических процессов.

Другая скоростная память, находящаяся на стадии активного освоения - Antifuse ROM. Являясь однократно программируемой, она подходит только для неизменяемых программ и данных, но по скорости также допускает работу на непосредственной частоте процессора, аналогично SRAM и MRAM. Antifuse ROM активно внедряется в контроллерах и FPGA, где программный продукт неотъемлем от аппаратного обеспечения. Ячейки Antifuse ROM потенциально компактнее, технологичнее и дешевле ячеек MRAM, но эта их перспектива также не раскрыта, аналогично MRAM. Учитывая то, что многие пользователи часто используют флэш-накопители для архивного хранения, например, фотографий, для которых флэш-память мало предназначена из-за проблем многолетнего удержания заряда, т. е. фактически используют флэш-память как ПЗУ, на потребительском рынке Antifuse ROM, являясь своего рода преемником CD-R, также может рассчитывать на "делёжку рынка" с MRAM.

Рисунок 4 - Упрощенная структура ячейки MRAM

7        T-RAM

RAM (англ. Thyristor RAM) - тиристорная память с произвольным доступом, новый вид оперативной памяти, сочетающий в себе сильные стороны DRAM и SRAM: высокую скорость работы и большой объём. Данная технология использует ячейки памяти, основанные на NDR, которые называются Thin-Capacitively-Coupled-Thyristor. T-RAM уходит от привычных дизайнов ячеек памяти: 1T и 6T, применяемых в DRAM и SRAM памяти. Благодаря этому, данная память является хорошо масштабируемой, и уже имеет плотность хранения данных в несколько раз превышающую её у SRAM памяти. В данный момент идёт разработка следующего поколения T-RAM памяти, которая, как планируется, будет сопоставима по плотности записи с DRAM.

Данную технологию компания AMD предполагала использовать в процессорах, производимых по нормам 32 и 22 нм.

Заключение

ОЗУ большинства современных компьютеров представляет собой модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые ИС ЗУ, организованные по принципу устройств с произвольным доступом. Память динамического типа дешевле, чем статического, и её плотность выше, что позволяет на той же площади кремниевого кристалла разместить больше ячеек памяти, но при этом её быстродействие ниже. Статическая память, наоборот, более быстрая память, но она и дороже. В связи с этим, основную оперативную память строят на модулях динамической памяти, а память статического типа используется для построения кэш-памяти внутри микропроцессора.

Оперативная память персональных компьютеров сегодня, как и десять лет тому назад, строится на базе относительно недорогой динамической памяти - DRAM (Dynamic Random Access Memory). За это время сменилось множество поколений интерфейсной логики, соединяющей ядро памяти с "внешним миром". Эволюция носила ярко выраженный преемственный характер - каждое новое поколение памяти так или иначе наследовало архитектуру предыдущего, включая, в том числе, и свойственные ему ограничения. Ядро же памяти (за исключением совершенствования проектных норм таких, например, как степень интеграции) и вовсе не претерпевало никаких принципиальных изменений.

оперативный тиристорный память

Библиографический список

1        Оперативная память / [Электронный ресурс] / Режим доступа: <http://ru.wikipedia.org/wiki/оперативная_память>

          Энциклопедия оперативной памяти / [Электронный ресурс] / Режим доступа: <http://www.3rmemory.ru/support/faq/tech/st/>

          T-RAM / [Электронный ресурс] / Режим доступа: <http://ru.wikipedia.org/wiki/T-RAM>

          Магниторезистивная ОЗУ / [Электронный ресурс] / Режим доступа: <http://ru.wikipedia.org/wiki/Магниторезистивная_оперативная_память>