Полупроводниковая память
Полупроводнико́вая па́мять (англ. semiconductor memory) — это цифровое электронное полупроводниковое устройство, используемое для хранения цифровых данных, например, компьютерная память. Обычно под этим понимаются устройства, в которых данные хранятся в ячейках памяти МОП-транзистора на кремниевой интегральной микросхеме памяти[1][2].
Существует множество типов устройств, использующих различные полупроводниковые технологии.
Два основных типа оперативной памяти (ОЗУ) — запоминающие устройства с произвольным доступом:
- статическая ОЗУ (SRAM), которая использует несколько транзисторов на ячейку памяти;
- динамическая ОЗУ (DRAM), которая использует транзистор и МОП-транзистор на ячейку.
Энергонезависимая память (например, EPROM , EEPROM и флэш-память) использует ячейки памяти с плавающим затвором , которые состоят из одного транзистора с плавающим затвором на ячейку.
Большинство типов полупроводниковой памяти обладают свойством произвольного доступа[3], что означает, что время доступа к любой ячейке памяти одинаково, и данные могут эффективно считываться в любом произвольном порядке[4].
Это отличается от носителей данных, таких как компакт-диски (CD), которые считывают и записывают данные последовательно, и поэтому доступ к данным возможен только в той же последовательности, в которой они были записаны.
Полупроводниковая память также имеет значительно более быстрое время доступа, чем другие типы хранения данных; байт данных может быть записан или считан из полупроводниковой памяти за несколько наносекунд, тогда как время доступа к вращающимся носителям, таким как жесткие диски, измеряется миллисекундами. По этим причинам она используется в качестве первичного хранилища для хранения программ и данных, с которыми в данный момент работает компьютер, а также для других целей.
Сдвигающие регистры, регистры процессора, буферы данных и другие небольшие цифровые регистры, не имеющие механизма декодирования адреса памяти, обычно не называются памятью, хотя они также хранят цифровые данные.
Полупроводниковая память является основополагающим и важным сегментом рынка полупроводников, микросхемы памяти необходимы практически во всех электронных продуктах. Статистические данные по объёмам продаж устройств полупроводниковой памяти из года в год составляют около 30 % всей полупроводниковой промышленности[5][6].
Описание
В микросхеме полупроводниковой памяти каждый бит двоичных данных хранится в крошечной схеме, называемой ячейкой памяти, состоящей из одного или нескольких транзисторов. Ячейки памяти расположены в прямоугольных массивах на поверхности микросхемы. Однобитные ячейки памяти объединены в небольшие блоки, называемые словами, к которым осуществляется доступ как к единому адресу памяти. Память изготавливается с длиной слова, которая обычно является степенью двойки, как правило, N = 1, 2, 4 или 8 бит.
Доступ к данным осуществляется с помощью двоичного числа, называемого адресом памяти, подаваемого на адресные выводы микросхемы, которое указывает, к какому слову микросхемы необходимо получить доступ. Если адрес памяти состоит из M бит, количество адресов на чипе составляет 2 M, каждый из которых содержит слово длиной N бит. Следовательно, количество данных, хранящихся в каждом чипе, составляет N*2 M бит[4].
Ёмкость памяти при количестве адресных линий M определяется как 2 M, что обычно является степенью двойки: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 и 512 и измеряется в килобитах, мегабитах, гигабитах или терабитах и т. д. Объединяя несколько интегральных схем, можно организовать память с бо́льшей длиной слова и/или адресным пространством, чем предлагаемая каждой отдельной микросхемой (зачастую, но не обязательно, являющейся степенью двойки)[4].
Крупнейшие полупроводниковые микросхемы памяти имеют объёмы в несколько десятков гигабит данных, но постоянно разрабатываются более ёмкие запоминающие устройства. Например, в 2024 году начали производить чипы DRAM планарной памяти DDR5 ёмкостью 32 Гбит, что позволяет создавать модули памяти объёмом до 128, 256 и 512 ГБ[7].
Две основные операции, выполняемые микросхемой памяти, это «чтение», при котором содержимое слова памяти считывается (без разрушения данных), и «запись», при которой данные записываются в слово памяти, заменяя любые ранее сохранённые там данные. Для увеличения скорости передачи данных в некоторых из последних типов микросхем памяти, таких как DDR SDRAM, при каждой операции чтения или записи осуществляется доступ к нескольким словам.
Помимо отдельных микросхем памяти, блоки полупроводниковой памяти являются неотъемлемой частью многих интегральных схем для компьютеров и обработки данных. Например, микропроцессорные микросхемы, управляющие работой компьютеров, содержат кэш-память для хранения инструкций, ожидающих выполнения.
Типы памяти
Энергозависимая память теряет сохранённые данные при отключении питания микросхемы памяти. Но в сравнении с энергонезависимой памятью она имеет преимущества в более высоком быстродействии и ме́ньшей стоимости. Этот тип используется в качестве основной памяти в большинстве компьютеров, поскольку данные сохраняются на жёстком диске во время выключения компьютера. Основные типы[8][9]:
RAM (запоминающее устройство с произвольным доступом) — это стало общим термином для обозначения любой полупроводниковой памяти, в которой можно как записывать, так и считывать данные, в отличие от ROM, в которой можно только считывать. Вся полупроводниковая память, а не только RAM, обладает свойством произвольного доступа.
- DRAM (динамическая память с произвольным доступом) — для хранения каждого бита используются ячейки памяти, состоящие из одного МОП-транзистора (полевого транзистора с изолированным затвором) и одного МОП-конденсатора. Этот тип ОЗУ является самым дешёвым и обладает наивысшей плотностью, поэтому он используется в качестве основной памяти в компьютерах. Однако электрический заряд, хранящий данные в ячейках памяти, постепенно утрачивается, поэтому ячейки памяти необходимо периодически обновлять (перезаписывать), что требует дополнительного схемного решения. Процесс обновления выполняется внутри компьютера и прозрачен для его пользователя.
- FPM DRAM (быстрая страничная DRAM) — устаревший тип асинхронной DRAM, который был усовершенствован по сравнению с предыдущими версиями, позволяя осуществлять многократный доступ к одной «странице» памяти с повышенной скоростью. Использовался в середине 1990-х годов.
- EDO DRAM (DRAM с расширенным выходом данных) — устаревший тип асинхронной DRAM, который имел более быстрое время доступа по сравнению с предыдущими версиями благодаря возможности инициировать новый доступ к памяти, пока данные с предыдущего доступа ещё передавались. Использовался в конце 1990-х годов.
- VRAM (Видеопамять с произвольным доступом) — устаревший тип двухпортовой памяти, который когда-то использовался для кадровых буферов видеоадаптеров (видеокарт).
- SDRAM (синхронная динамическая память с произвольным доступом) — в эту микросхему DRAM была добавлена схема, которая синхронизирует все операции с тактовым сигналом, подаваемым на шину памяти компьютера. Это позволило микросхеме одновременно обрабатывать несколько запросов к памяти с использованием конвейерной обработки для повышения скорости. Данные на микросхеме также разделены на банки, каждый из которых может одновременно выполнять операцию с памятью. Примерно к 2000 году этот тип памяти стал доминирующим в компьютерах.
- DDR SDRAM (синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных) — этот тип памяти мог передавать вдвое больше данных (два последовательных слова) за каждый тактовый цикл за счёт удвоенной скорости передачи (передачи данных на обоих фронтах тактового импульса — на восходящем и нисходящем). SDRAM первого поколения, известные как DDR1, стали первым шагом к ускорению передачи данных, по сравнению с предыдущими технологиями. Их интеграция позволила увеличить пропускную способность, однако потребление энергии и уровень нагрева оставались относительно высокими. Развитие этой идеи в следующих версиях — повышение тактовой частоты и снижение энергопотребления, сделало эти модули более устойчивыми к перегреву. Поскольку дальнейшее повышение внутренней тактовой частоты микросхем памяти оказывается затруднительным, эти микросхемы увеличивают скорость передачи за счёт передачи бо́льшего количества слов данных за каждый тактовый цикл.
- DDR2 SDRAM — передаёт 4 последовательных слова за один внутренний тактовый цикл.
- DDR3 SDRAM — передаёт 8 последовательных слов за один внутренний тактовый цикл.
- DDR4 SDRAM — передаёт 16 последовательных слов за один внутренний тактовый цикл.
- RDRAM (Rambus DRAM) — альтернативный стандарт памяти с удвоенной скоростью передачи данных, который использовался в некоторых системах Intel, но в конечном итоге уступил место DDR SDRAM.
- XDR DRAM (DRAM с экстремальной скоростью передачи данных)
- SGRAM (вариант DRAM с синхронным доступом) — специализированный тип SDRAM, предназначенный для графических адаптеров (видеокарт). Он может выполнять графические операции, такие как битовое маскирование и блочная запись, а также может открывать две страницы памяти одновременно.
- GDDR SDRAM (графическая память DDR SDRAM)
- HBM (память с высокой пропускной способностью) — развитие SDRAM, используемое в видеокартах, которое позволяет передавать данные с более высокой скоростью. Оно состоит из нескольких микросхем памяти, расположенных друг на друге в виде стопки, с более широкой шиной данных.
- DDR SDRAM (синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных) — этот тип памяти мог передавать вдвое больше данных (два последовательных слова) за каждый тактовый цикл за счёт удвоенной скорости передачи (передачи данных на обоих фронтах тактового импульса — на восходящем и нисходящем). SDRAM первого поколения, известные как DDR1, стали первым шагом к ускорению передачи данных, по сравнению с предыдущими технологиями. Их интеграция позволила увеличить пропускную способность, однако потребление энергии и уровень нагрева оставались относительно высокими. Развитие этой идеи в следующих версиях — повышение тактовой частоты и снижение энергопотребления, сделало эти модули более устойчивыми к перегреву. Поскольку дальнейшее повышение внутренней тактовой частоты микросхем памяти оказывается затруднительным, эти микросхемы увеличивают скорость передачи за счёт передачи бо́льшего количества слов данных за каждый тактовый цикл.
- PSRAM (псевдостатичная RAM) — это DRAM с встроенной схемой обновления памяти на микросхеме, благодаря чему она функционирует как SRAM, позволяя отключать внешний контроллер памяти для экономии энергии. Используется в некоторых игровых консолях, таких как Wii.
- SRAM (Статическая память с произвольным доступом ) – каждый бит данных хранится в цепи, называемой триггером (flip-flop), состоящей из 4–6 транзисторов. SRAM имеет ме́ньшую плотность и стоит дороже за бит, чем DRAM, но работает быстрее и не требует обновления памяти. Используется для кэш-памяти ме́ньшего объёма в компьютерах.
- CAM (ассоциативное запоминающее устройство) — это специализированный тип памяти, в котором вместо доступа к данным с использованием адреса применяется слово данных, а память возвращает его расположение, если это слово хранится в памяти. В основном он встроен в другие микросхемы, такие как микропроцессоры, где используется для кэш-памяти.
Энергонезависимая память (NVM) сохраняет данные, хранящиеся в ней, в периоды, когда питание микросхемы отключено. Поэтому она используется в портативных устройствах, которые не имеют дисков, а также в съёмных картах памяти и для других целей.
- ROM (постоянное запоминающее устройство ) — предназначено для хранения постоянных данных и при нормальной работе данные только считываются, но не записываются. Хотя многие типы могут быть использованы для записи, процесс записи медленный, и обычно все данные в чипе должны переписываться целиком. Обычно оно используется для хранения системного программного обеспечения, которое должно быть сразу доступно компьютеру, например, программа BIOS , которая запускает компьютер, а также программного обеспечения (микрокода) для портативных устройств и встроенных компьютеров, таких как микроконтроллеры.
- MROM (масочное ПЗУ, изготовляемое фабричным методом) — в этом типе данные программируются в чип при его изготовлении, поэтому он используется только для крупных производственных партий. Его нельзя перезаписать новыми данными.
- PROM (программируемое ПЗУ) — в этом типе данные записываются в существующий чип PROM до его установки в схему, но они могут быть записаны только один раз. Данные записываются путём подключения чипа к устройству, называемому программатором PROM.
- EPROM (стираемое перепрограммируемое ПЗУ или UVEPROM) — в этом типе данные могут быть перезаписаны путём извлечения чипа из печатной платы, подвергая его воздействию ультрафиолетового света для стирания существующих данных и подключения его к программатору ПЗУ PROM. Корпус микросхемы имеет небольшое прозрачное «окно» в верхней части для пропускания ультрафиолетового света. Его часто используют для прототипов и мелкосерийных устройств, при этом может потребоваться изменение программы в микросхеме в заводских условиях.
- EEPROM (электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ ) — в этом типе данные могут быть перезаписаны электрическим способом, пока чип находится на плате, но процесс записи медленный. Этот тип используется для хранения прошивки — низкоуровневого микрокода, который управляет аппаратными устройствами, такими как программа BIOS в большинстве компьютеров, чтобы её можно было обновлять.
- NVRAM (Энергонезависимая память с произвольным доступом)
- FRAM (Сегнетоэлектрическая оперативная память) — один из типов энергонезависимой памяти.
- Флеш-память — в этом типе процесс записи по скорости занимает промежуточное положение между EEPROM и оперативной памятью (RAM); данные можно записывать, но недостаточно быстро для использования в качестве основной памяти. Часто используется как полупроводниковая версия жёсткого диска для хранения файлов. Применяется в портативных устройствах, таких как КПК, USB-флеш-накопители и съёмные карты памяти, используемые в цифровых камерах и мобильных телефонах.
История
Первоначально компьютерная память состояла из памяти на магнитном сердечнике, поскольку первые твердотельные электронные полупроводники, включая транзисторы, такие как биполярный транзистор (BJT), были непрактичны для использования в качестве цифровых элементов хранения (ячеек памяти).
Появление полупроводниковой памяти относится к началу 1960-х годов, она представляла собой биполярную память, использовавшую биполярные транзисторы[10].
Биполярная полупроводниковая память, изготовленная из электронных компонентов, была впервые поставлена компанией Texas Instruments для ВВС США в 1961 году. В том же году в компании Fairchild Semiconductor была предложена концепция твердотельной памяти на кристалле интегральной схемы (ИС) инженером по продажам Бобом Норманом (инженер по продажам — это продавец, который обладает как опытом продаж, так и инженерным опытом)[11].
В декабре 1965 года была изготовлена первая однокристальная ИС памяти — 16-битный биполярный транзистор BJT IBM SP95, спроектированный Полом Каструччи[10][11].
Хотя биполярная память обеспечивала лучшую производительность по сравнению с памятью на магнитных сердечниках, она не могла конкурировать с более низкой ценой памяти на магнитных сердечниках, которая оставалась доминирующей вплоть до конца 1960-х годов[10]. Это было связано с тем, что биполярные триггерные схемы были слишком дорогими и громоздкими[12].
В 1959 году в Bell Labs инженерами Мохамедом М. Аталлой и Каном Дэвоном[13] был разработан МОП-транзи́стор, или Полево́й (униполя́рный) транзи́стор с изоли́рованным затво́ром (англ. metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, сокращённо «MOSFET»)[14], что дало возможность практическому использованию транзисторов металл-оксид-полупроводник (MOS) в качестве элементов хранения ячеек памяти, функцию которых в компьютерной памяти ранее выполняли магнитные сердечники[14].
Память на основе MOS была разработана Джоном Шмидтом в компании Fairchild Semiconductor в 1964 году[15][16]. Помимо более высокой производительности, память на МОП-транзисторах была дешевле и потребляла меньше энергии по сравнению с памятью на магнитных сердечниках[15]. Это привело к тому, что MOSFET-транзисторы со временем заменили магнитные сердечники в качестве стандартных элементов хранения в компьютерной памяти[14].
В 1965 году Дж. Вуд и Р. Болл из британского Королевского радиолокационного института (Royal Radar Establishment) предложили цифровые системы хранения данных, использующие ячейки памяти на КМОП (комплементарные МОП) транзисторах, в дополнение к силовым устройствам МОП-транзисторов для источника питания, перекрёстной коммутации, переключателей и запоминающим устройствам на линиях задержки[17]. Разработка технологии интегральных схем на основе MOS с кремниевым затвором (silicon-gate MOS IC) Федерико Фаджином в Fairchild в 1968 году сделала возможным производство микросхем памяти на MOS[18]. В начале 1970-х годов корпорация IBM перевела на коммерческие рельсы использование памяти на технологии N-МОП[19]. Память на МОП-транзисторах вытеснила использование памяти на магнитных сердечниках и стала доминирующей технологией хранения данных в начале 1970-х годов[15].
Термин «память» в контексте компьютерной памяти чаще всего относится к энергозависимой памяти с произвольным доступом (RAM). Существует два основных типа такой памяти: статическая память с произвольным доступом (SRAM) и динамическая память с произвольным доступом (DRAM). Биполярная SRAM была изобретена Робертом Норманом в компании Fairchild Semiconductor в 1963 году[10], а за ней последовала разработка MOS SRAM Джоном Шмидтом в Fairchild в 1964 году[15]. SRAM стала альтернативой памяти на магнитных сердечниках, но для хранения одного бита данных требовалось шесть МОП-транзисторов[20]. Коммерческое использование SRAM началось в 1965 году, когда IBM представила свою микросхему SP95 SRAM для системы System/360 Model 95[10].
Компания Toshiba представила память DRAM на биполярных ячейках для своего электронного калькулятора Toscal BC-1411 в 1965 году[21][22]. Хотя такая память обеспечивала более высокую производительность по сравнению с памятью на магнитном сердечнике, биполярная DRAM не могла конкурировать с более низкой ценой доминирующей в то время памяти на магнитном сердечнике[23].
MOS-технология лежит в основе современной DRAM. В 1966 году доктор Роберт Х. Деннард из исследовательского центра IBM имени Томаса Дж. Уотсона работал над памятью на базе MOS. Изучая характеристики MOS-технологии, он обнаружил, что с её помощью можно создавать конденсаторы, и что наличие или отсутствие заряда на MOS-конденсаторе может представлять 1 и 0 одного бита, в то время как MOS-транзистор может управлять записью заряда в конденсатор. Это привело к разработке им ячейки памяти DRAM с одним транзистором[20]. В 1967 году Деннард подал патент от имени IBM на ячейку памяти DRAM с одним транзистором, основанную на MOS-технологии[24]. Это привело к созданию первой коммерческой микросхемы DRAM — Intel 1103, выпущенной в октябре 1970 года[25][26][27]. Синхронная динамическая память с произвольным доступом (SDRAM) позже была представлена в 1992 году с выходом микросхемы Samsung KM48SL2000[28].
Термин «память» также часто используется в отношении энергонезависимой памяти, в частности флеш-памяти. Её происхождение связано с постоянной памятью (ROM). Программируемая постоянная память (PROM) была изобретена Вэнь Цзин Чоу в 1956 году, когда он работал в подразделении Arma американской компании Bosch Arma Corporation[29][30].
В 1967 году Давон Кан и Ши Минь из Bell Labs предложили использовать транзистор с плавающим затвором MOS-прибора в качестве ячейки перепрограммируемой постоянной памяти (ROM), что привело к изобретению EPROM (стираемой PROM) Довом Фроманом из Intel в 1971 году[31]. EEPROM (электрически стираемая PROM) была разработана Ясуо Таруи, Ютакой Хаяси и Киёко Нагой в Электротехнической лаборатории Министерства международной торговли и промышленности Японии (MITI) в 1972 году[32]. Флеш-память была изобретена Фудзи Масуокой в компании Toshiba в начале 1980-х годов[33]. Масуока и его коллеги представили изобретение NOR-флеш-памяти в 1984 году, а затем NAND-флеш в 1987 году[34]. Компания Toshiba начала коммерческое производство NAND-флеш-памяти в 1987 году[35][31].
Применение
Примечания
Ссылки
- Урбанович Павел Павлович. Моделирование и анализ надежностных параметров полупроводниковой памяти информационно-вычислительных устройств // Труды БГТУ. Серия 3: Физико-математические науки и информатика. — 2019. — № 2 (224).
- Попов Алексей Юрьевич, Ибрагимов Станислав Вадимович, Дубровин Егор Николаевич, Калитвенцев Максим Павлович, Гейне Михаил Антонович, Ли Цзяцзянь, Парамазян Гор Арменович, Курохтин Тимофей Михайлович, Залимханов Динислам Алиевич. АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА «ТЕРАГРАФ» // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия «Приборостроение». — 2025. — № 1 (150).