Содержание

Предисловие

Введение

Основные требования к устройствам памяти

Классификация основных полупроводниковых устройств памяти

Основные типы полупроводниковой памяти

Устройства памяти с произвольной выборкой (RAM)

Устройства памяти, не имеющие произвольной выборки (стековая память).

Сдвиговые регистры

Энергонезависимые устройства памяти

Flash - память

Масштабирование. Закон Мура

Архитектура полупроводниковых устройств памяти

Быстродействие ЗУ

Иерархическое построение ЗУ

Матричное построение ЗУ

Декодеры

Аппаратная реализация матричной памяти

MOS NOR ROM

MOS NAND ROM

Матричное построение ЗУ

Элементы памяти

Статическая память SRAM

Динамическая память DRAM

Программируемые логические матрицы. ПЛМ

Энергонезависимая Flash память

Основные типы

Работа с блоками

Механизмы отказов

Масштабирование Flash памяти

Энергонезависимая память с фазовыми переходами (PRAM)

Структура и принцип работы запоминающей ячейки

Организация PRAM

Надежность и возможные причины отказов

Перспективы развития полупроводниковой памяти

Физические принципы

Возможные технические решения

Физические эффекты, которые могут быть использованы для создания полупроводниковых микросхем нового поколения

Студенты

Литература

Интернет-ресурсы

ПРЕДИСЛОВИЕ

          Способность человечества сохранять накопленные знания является одним из определяющих условий развития человеческого общества. Такое технологическое достижение как печатание книг оказало огромное влияние на распространение знаний и, в конечном счете, на структуру цивилизованного общества. В настоящее время, большая часть вновь создаваемых данных хранится и распространяется с помощью электронных устройств, использующих магнитные ленты и диски, оптические диски, полупроводниковую память. По-видимому следующим шагом развития информационных технологий явится создание мобильных устройств с помощью которых любой человек сможет получать любую нужную ему информацию в любой момент вне зависимости от того где он находится. Важная роль в развитии этих технологий будет принадлежать полупроводниковой памяти, и, в частности, её энергонезависимой разновидности.

Курс по полупроводниковой памяти предназначен для студентов, изучающих полупроводниковую электронику и специализирующихся в области микропроцессорной техники. Он будет так же полезен тем, кто интересуется современной элементной базой информационных систем и перспективами её развития. Написанию способствовал многолетний опыт практической работы автора в одном из направлений, связанных с разработкой элементов памяти, а так же практический опыт преподавания курсов, посвященных физическим основам твердотельной электроники и моделирования полупроводниковых приборов и микросхем.       При подготовке курса автор преследовал следующие цели:  •  Дать представление о современных принципах проектирования схем памяти, опирающееся на современную технологию производства твердотельных схем.  •  Оценить общие тенденции, которые наблюдаются в развитии технологии твердотельных схем, и которые стремятся уловить разработчики микросхем памяти.  •  По мере сил способствовать изменению у студентов психологии потребителя на психологию создателя. •  Так же ставилась тривиальная задача - повышения общего уровня практического знания компьютера. Для чего в некоторых разделах даны соответствующие тесты.       При подготовке курса были использованы, в основном, зарубежные материалы, ссылки на которые приведены в дополнительном списке к рекомендуемой для изучения литературе.       Перечислим правила, принятые в обозначениях переменных и литературных сносок, которые должны помочь работе с материалом конспекта. Все входящие в формулы переменные, обозначенные латинскими буквами (даже если они соответствуют сокращениям русских слов) набраны курсивом. Например, коэффициент масштабирования – KM . Ссылки на рекомендуемые учебные пособия набраны стандартным шрифтом, например [3]. Ссылки на дополнительную литературу, в том числе и на иностранном языке, набраны курсивом, например [ 1 ].  Ссылки на Интернет-ресурсы, в том числе и на иностранном языке, набраны обычным шрифтом в фигурных скобках. Например { 1 } .       Методику изучения курса задает его преподаватель в соответствии со своим опытом, знаниями и темпераментом. Основным критерием качества преподавания являются знания предмета студентами и их навыки в практическом применении его положений.       Учитывая значимость темы и ограниченность аудиторных часов, отведенных учебным планом на её изучение, а так же то, что число студентов в специализирующейся группе не велико, была использована следующая методика.

• Студент перед аудиторным занятием получает электронный конспект лекции, изучает его при домашней подготовке, подготавливает конспект, выписывает вопросы, которые у него возникли при изучении темы.

• В аудитории преподаватель просматривает конспект, оценивает его, регистрирует вопросы, возникшие при его подготовке.

• При изложении материала лекции преподаватель снимает вопросы, возникшие у студентов. Обращает внимание на наиболее интересные положения рассматриваемой темой. Ставит вопросы принципиального характера, которые обсуждаются совместно со студентами.

Введение Основные требования к устройствам памяти

Существуют общие требования к устройствам хранения информации, не зависящие от их реализации:  •  большая информационная емкость,  •  быстрый доступ к информации,  •  низкое энергопотребление,  •  высокое быстродействие при считывании и перезаписи информации,  •  надежность,  •  большой срок хранения,  •  низкая стоимость,  •  совместимость  •  масштабируемость.       Перечисленные требования являются противоречивыми и создание одного устройства, которое бы удовлетворяло всем им не реально. Поэтому, в настоящее время существует определенная иерархия устройств памяти. На верхнем уровне находится быстрая полупроводниковая память с ограниченной информационной емкостью, на нижнем уровне находится медленная память, способная хранить большие объемы информации.       Полупроводниковая память пока еще относится к быстродействующим , дорогостоящим устройствам со сравнительно небольшой емкостью. Основное её назначение – блоки, которые непосредственно определяют быстродействие обработки информации компьютером. Среди них:

• оперативная память, работающая в режиме непосредственного обмена информацией с процессором;

• регистровые ЗУ, входящие в состав процессора;

• кэш-память, для хранения копии информации, используемой в текущих операциях обмена;

• специализированные виды памяти, обеспечивающие решение задач с большими объемами обрабатываемой информации и жесткими лимитами на время этой обработки.

     В идеальном варианте было бы желательно во всех блоках компьютера использовать память, обладающую низкой ценой и энергопотреблением при максимально достижимых характеристиках хранения и обмена информацией. Однако, в настоящее время это не реально. Успехи последнего десятилетия в области технологии полупроводниковой памяти привели к значительному снижению стоимости полупроводниковой памяти, увеличению её информационной емкости, снижению энергопотребления при сохранении высокого быстродействия. В результате полупроводниковая память начала спускаться вниз по иерархической лестнице, постепенно вытесняя с нижних ступенек устройства с магнитной и оптической записью.  Далее перечислены основные свойства полупроводниковой памяти, которые могут быть использованы при её оценке и выборе.

1	Основные операционные рижимы	Запись-чтение, только чтение, программирование пользвателем
2	Режимы хранения	Энергозависимый, энергонезависимый
3	Режим доступа	Произвольный, последовательный, зависящий от содержания, смешанный
4	Операции с ячейками памяти	Динамические, статические, фиксированные, программируемые
5	Емкость памяти	Число бит или элементов памяти на чипе памяти
6	Организация	(Число слов) х (Число бит в слове)
7	Функционирование	Высокая скорость, низкая скорость, высокая надежность
8	Толерантность к окружающией среде	Коммерческая, космос, радиация, военная, высокотемпературная
9	Радиационная стойкость	Радиационно стойкие, радиационно не стойкие, толерантные
10	Воздействие считывания	разрушающее информацию, не разрушающее информацию
11	Архитектура	Линейная, иерархическая
12	Логика	Бинарная, тернарная, кватернарная, другая
13	Энергопитание	Стабилизированное, батарейное, фотоэлементы, другое
14	Среда хранения информации	Полупроводники, диэлектрики, сегнетоэлектрики, магнетики
15	Применение	Мэйнфрэйм, кэш, буфер, регистры, вспомогательное
16	Взаимодействие с системой	Синхронное, асинхронное