Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Классификация основных полупроводниковых устройств памятиСтр 1 из 4Следующая ⇒
ВВЕДЕНИЕ Основные требования к устройствам памяти Существуют общие требования к устройствам хранения информации, не зависящие от их реализации:
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.
Энергонезвисимые схемы памяти, предназначенные преимущественно для чтения. ROM Для классификации используется основные функциональные характеристики микросхем: необходимость внешнего источника энергии при сохранении информации, возможность перезаписи информации и способ доступа к данным. В таблице приведены основные типы полупроводниковых схем памяти в соответствии с В настоящее время практически все устройства памяти изготавливаются по MOS технологии. На правом рисунке приведена диаграмма, характеризующая взаимоотношение устройств приведенных в таблице. К устройствам памяти, требующим питания (англ. Volatile) относятся RAM (от англ. Random Acess Memory)? которые делятся на статические SRAM (от англ. Static Random Acess Memory) и динамические DRAM (от англ. Dynamic Random Acess Memory). К энергонезависимой памяти относятся схемы, предназначенные преимущественно для считывания информации ROM (от англ. Read Only Memory). Сред них не программируемые пользователем ROM и стираемые ROM - EPROM (от англ. E rasable P rogrammable R ead- O nly M emory). Этот тип памяти допускает одновременное стирание всей информации с последующим программированием. Более совершенным является память, в которой возможно -программирование и стирание информации электрическим путем - EEPROM (от англ. Electic Erase Programe ROM). Этот тип памяти допускает побитовую запись и стирание, в отличие от Flash памяти, которая допускает программирование и стирание только отдельными блоками. Flash в переводе с английского означает кадр, вспышка. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПАМЯТИ Сдвиговые регистры Сдвиговые регистры представляют линейную последовательность триггеров, в которой вход последующего регистра соединяется с выходом предыдущего. Перемещение за один такт осуществляется на одну ячейку. Сдвиговые регистры могут быть двунаправленными, кроме, они могут запускаться параллельно, иметь разветвления ( SIPO от англ. serial-in, parallel-out) и объединения ( PISO от англ. parallel-in, serial-out ). Если объединить и выход регистра, от образуется кольцевой регистр. more complex computation. На рисунке 1 показан пример сдвигового регистра 4-Bit SIPO.
Рисунок 1 – сдвиговый регистр 4-Bit SIPO На рисунке 2 показан пример сдвигового регистра 4-Bit PISO. Сдвиговые регистры широко применяются для преобразований, осуществляемых между последовательными и параллельными интерфейсами, в качестве линий задержки. Соединенные параллельно сдвиговые регистры используются для создания стека. Сдвиговый регистр может быть использован для генерации импульсов. В этом случае он должен иметь внешние часы. EPROM, PROM Энергонезависимая память на протяжении многих лет оставалась мечтой разработчиков. Действительно в целом ряде приложений запись производится очень редко (например при конфигурации компьютера пользователем) и до недавнего времени после выключения устройства необходимо было чтобы какой то источник оставался в работе и поддерживал хранение информации. Устройства с редкой перезаписью должны обеспечивать – энергонезависимость хранения и возможность быстрого считывания в любой момент. Стираемая, предназначенная только для считывания память EPROM ( от англ. E rasable P rogrammable R ead- O nly M emory )хранит данные при отключенном питании. Для записи информации ячейки памяти требуют специального режима с повышенным напряжением. Поэтому запись осуществляется чрезвычайно редко и устройство работает, в основном, только на считывание. Записанначя информация может быть стерта вся одновременно при освещении микросхемы ультрафиолетовым излучением. ( 235 нм) в течение определенного времени. Для доступа излучения к чипу над ним в корпусе монтировалось тонкое кврцевое окошко (см. рис. справа). EPROM могут хранить информацию не менее 10 - 20 лет и обеспечиваю не ограниченное число считываний. Первые микросхемы этого типа были предложены изрильским инженером D Frohman в 1971г. Каждая хапоминающая ячейка EPROM содержала один МДП транзистор с многослойным подзатворным диэлектриком, в который инжектировался статический заряд. EEPROM (E 2ROM), FLASH EEPROM ( от англ. E lectrically E rasable P rogrammable R ead- O nly M emory) относятся к программируемым потребителем энергонезависимым устройствам памяти. Основным элементом запоминающей ячейки в них является плавающий транизистор. EEPROM используются для записи небольших объемов информации. В тех случаях, когда требуется записывать большие объемы информации используется Flash память. В ячейке Flash так же используется траннзистор с плавающим затвором, однако применение в этих схемах покадровой (Flash) записи значительно уменьшает её время. Работы в области EEROM были начаты в 1983 George Perlegos (Intel) и продолжаются до настоящего времени. ЗАКОН МУРА На заре полупроводниковой электронике одним из ведущих специалистов Intel было высказано предположение, что число транзисторов на монтируемом в корпус кристалле (чипе) будет удваиваться примерно каждые два года [ 1]. Это гениальное предсказание, к удивлению потребителей, начало выполняться и получило название “Закона Мура”. Закон Мура не является неким естественным законом природы, выполняющимся вне зависимости от воли человека. Этот закон творят десятки тысяч разработчиков и технологов во всем мире. Он дал разработчикам микросхем цель, к которой надо стремиться, в которую они поверили и заложили во все свои планы. Был тщательно продуманы и увязаны между собой все планы развития физики, технологии и схемотехники полупроводниковой электроники. Такой подход позволил оптимальным образом использовать финансовые, технические и интеллектуальные ресурсы, к которым имеют доступ разработчики. Если на первых парах, для выполнения закона Мура достаточно было усилий отдельных фирм-производителей, то по мере усложнения задач для достижения поставленных целей потребовалась кооперация в рамках всей отрасли, затем страны и сейчас эта задача преобрела международное значение. Чему в немалой степени способствовал снижение угрозы мировой войны и соответственно снижение атмосферы секретности и недоверия.
МАСШТАБИРОВАНИЕ Закон Мура не работает автоматически. На каждом шагу приходится преодолевать технологические трудности, изобретать новые приемы. Это и есть принцип развития. Никогда ни один производственная закономерность не задана наперед. Есть общие принципы, которые, в частности, задаются правилами масштабирования. Далее необходим труд, квалификация и талант исполнителей. В качестве примера в таблице продемонстрировано влияние технологических усовершенствований внедренных для " поддержания" закона Мура при сокращении размеров элементов Flash памяти (при использовании принципа масштабирования).
В настоящее время МОS технология является основной технологией, развитие которой, обеспечивает выполнение закона Мура. На рисунке 4 показаны основные усовершенствования. К таким усовершенствованиям можно отнести: переход от поликремниевого затвора к металлическому (верхние картинки), переход к объемному транзистору с вертикальным каналом - средняя и нижние картинки, совершенствование планарной структуры - переход к объемному транзистору с высокой подвижностью носителей в канале (нижние картинки). Под картинками обозначены основные технологические узлы и годы внедрения соответствующей технологии, в том числе и прогнозируемые в соответствии с законом Мура.
Структура ЗУ На рисунке 2.1 приведены основные сигналы управления типовым блоком памяти. Рисунок 2.1-типовой блок памяти Где: A – адресная шина, DI – шина входных данных, DO – шина выходных данных, RW – сигнал операции чтения (1) или записи (0), CS – (от англ. Chip Select) разрешение на работу данной схемы, или CE (от англ. Chip Enable). Обычно для ЗУ характерна определенная последовательность сигналов. Прежде всего подается адрес (A), чтобы последующие операции не коснулись какой либо другой ячейки, кроме выбранной. Затем разрешается работа микросхемы (CS) и подается строб чтения / записи (RW). Получив эти сигналы, ЗУ готовит данные для записи (DI) или чтения (DO). Функциональное быстродействие ЗУ характеризуется временем доступа. Рисунок 2.2 диаграмма цикла считывания данных Функциональные возможности информационного блока характеризуются его максимально возможным объемом хранимой информации, выраженной в байтах (битах или словах ). Обычно считают, что бит хранится запоминающим элементом а слово запоминающей ячейкой. Запоминающая ячейка состоит из элементов, к которым возможно одновременное обращение, т.е. емкость запоминающей ячейки (длина слова) определяется разрядностью адресной шины. Структура ЗУ На рисунке 2.3 показана схема организации накопителя в матричной памяти (нижний уровень). Рисунок 2.3 – схема организации накопителя в матричной памяти Для схемы, характеризующей рассматриваемую структуру данных, число сигналов, необходимых для выборки слов равно N. При этом информационная емкость накопителя будет равна V=N*L Где: N- число слов L- длина слова.
Рисунок 2.4
Использование декодера позволяет сократить число сигналов выборки до величины K= log 2 N. При этом уменьшается общая длина линий. Показанные на рисунке 2.5 усилители (драйвера) обеспечивают амплитуду импульсов от минимального до максимального значений. При проектировании матрицы одна из подлежащих решению проблем заключается в выборе правильного отношения числа строк к числу столбцов ( Aspect Ratio ), т.е. правильной размерности матрицы.
Рисунок 2.5 Блочное построение ЗУ С технологической точки зрения целесообразно большие накопители информации структурировать в виде отдельных блоков рисунок 2.6. Рисунок 2.6- структура блочной ЗУ Блочная организация позволяет уменьшить общую длину соединительных дорожек. Поскольку адресуется только один блок это позволяет так же сократить энергетические затраты. При правильной организации блочной структуры памяти и её адресации уменьшается время доступа к данным. MOS NOR ROM На рисунке3.1 показана реализация накопителя MOS NOR ROM памяти, предназначенной только для считывания. На рисунке 3.1 дана электрическая схема, на рисунке 3.2 показана топология соответствующей области чипа. Линии WL служат для выборки слов, они адресуются с помощью декодера. Линии BL для считывания записанных данных, которые через усилители поступают на шину данных. Усилитель сигнала в линии данных повышает надежность считывания. Как видно из рисунков, каждая из ячеек содержит один MOS транзистор.
Рисунок 3.1-электрическая схема MOS NOR ROM памяти Рисунок 3.2 -Топология ячейки памяти Запись информации осуществляется путем изменения порогового напряжения транзистора. Программирование матрицы осуществляется производителем микросхем, как правило, на заключительном технологическом этапе. Для программирования матрицы используется только один слой. Выключение транзисторов осуществляется путем имплантации примеси, повышающей пороговое напряжение. Элемент памяти ROM На рисунке 3.3 показана электрическая схема элемента памяти ROM, которая может быть использована для расчета быстродействия.
Далее приведен пример соответствующего расчета парметров ячейки. Вначале рассчитаем параметры линии выборки слов LW: сопротивления R (с учетом удельного сопротивления квадрата), ёмкости адресной линии Сwa, емкости затвора Cg (при заданных типовых параметрах): Рассчитаем паразитные параметры битовой линии. Рассчитаем задержку по адресной линии tw (англ word) для матрицы M=(512)2 Ниже (слева) приведён пример расчета битовой линии. Справа приведены четыре различных способа борьбы с этой задержкой. NAND ROM На рисунке 3.4 показана реализация накопителя MOS NAND ROM памяти. На рисунке 3.5 дана электрическая схема, на правом рисунке показана топология соответствующей области чипа. Линии WL служат для выборки слов, линии BL для считывания записанных данных. Все линии WL находятся под высоким потенциалом, за исключением той линии, которая выбрана. В каждой из линий данных стоит усилитель сигнала, повышающий надежность считывания. Как видно из рисунка каждая из ячеек содержит один MOS транзистор. Использование этой схемы позволяет значительно сократить размеры запоминающего элемента за счет некоторого ухудшения его функциональных характеристик. рисунок 3.4-электрическая схема MOS NAND ROM памяти
Рисунок 3.5 –топология MOS NAND ROM памяти
Расчет NAND ячейки На нижнем рисунке показана схема замещения MOS NAND элемента памяти памяти. Справа приведен пример расчета паразитной емкости для WL. Рисунок 3.8-электрическая организация ячейки памяти RAM на триггере DRAM. Ячейка памяти DRAM На рисунке 4.1 приведена структура DRAM. Рисунок 4.1- архитектура DRAM Сигнал CE служит для активации соответствующего чипа, RAS - стробирующий сигнал, CAS -генерирует управляющие сигналы. Некоторые из этих сигналов дают разрешение на адресацию битов декодеру в в режиме мультиплексном режиме или режиме одновременного доступа. Мультиплексирование уменьшает количество электродов, однако за это приходится расплачиваться увеличением временем доступа. При мультиплексировании вначале адреса рядов и столбцов передаются в буфера. Затем декодер ряда выбирает линию одного слова из 2N линий слов. Выбранная линия слов активирует все 2N запоминающих ячейки в выбранном ряду, и 2N запоминающих ячейки создают пакет данных из 2N бит на o 2N битовых линиях данных. На терминалах битовых линий 2N усилителя тают и перезаписывают или просто записывают в соответствии с состоянием управляющего сигнала W. Из 2N битового пакета, декодер колонки выбирает один или несколько битов и эти данные передаются на выход буфера и на выход данных Q. DRAM для хранения информации использует конденсатор, который входит в структуру ячейки. Элемент памяти является однотранзисторным и имеет значительно меньшую площадь по сравнению со SRAM. Каждая битовая линия должна иметь чувствительный усилитель, обеспечивающий надежное считывание информации. На рисунке 4.2 показана схема элемента DRAM и сигналы поступающие на линию адресации (WL) и линию данных (BL). Δ V=VBL-VPRE= (VBL-VPRE)Cs/(Cs+CPRE) Δ V~250mV Рисунок 4.2- электрическая схема ячейки DRAM
На рисунке 4.3 показаны сравнительные диаграммы, характеризующие управляющие импульсы для DRAM и SRAM.
ФЛЭШ ПАМЯТЬ Принцип работы Флэш память относится к программируемой памяти с электрическим стиранием. Элементы флэш памяти так же как и элементы E2ROM используют транзисторы с плавающим затвором. При разработке Флэш основное внимание было уделено повышению информационной емкости схем, повышению их надежности, снижению стоимости. Именно обеспечение этих качеств определило массовое распространение этого вида, стимулировав развите целого ряда устройств нового типа (прежде всег мобильных). На нижне рисунке показан общий принцип записи и стирания информации в основном элементе Флэш памяти - транзисторе с плавающим затвором. Рисунок справа демонстрирует способ записи информации путем подачи на управляющий затвор высокого напряжения, стимулирующего туннелирование на затвор электронов из канала. Для стирания информации направление электрического поля между затвором и каналомм изменяется на обратное и электроны с плавающего затвора переходят в область канала. Нижние рисунки отображают основные емкости, которые характеризуют накопление заряда плавающим затвором, изменение потенциала плавающего затвора при накоплении заряда, ответствующее изменение характеристики исток-сток, измерение распределения заряда в канале.
ВВЕДЕНИЕ Основные требования к устройствам памяти Существуют общие требования к устройствам хранения информации, не зависящие от их реализации:
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.
Классификация основных полупроводниковых устройств памяти Для классификации используется основные функциональные характеристики микросхем: необходимость внешнего источника энергии при сохранении информации, возможность перезаписи информации и способ доступа к данным. В таблице приведены основные типы полупроводниковых схем памяти в соответствии с этими признаками.
В настоящее время практически все устройства памяти изготавливаются по MOS технологии. На правом рисунке приведена диаграмма, характеризующая взаимоотношение устройств приведенных в таблице. К устройствам памяти, требующим питания (англ. Volatile) относятся RAM (от англ. Random Acess Memory)? которые делятся на статические SRAM (от англ. Static Random Acess Memory) и динамические DRAM (от англ. Dynamic Random Acess Memory). К энергонезависимой памяти относятся схемы, предназначенные преимущественно для считывания информации ROM (от англ. Read Only Memory). Сред них не программируемые пользователем ROM и программируемые электрически EPROM (от англ. Electric programe ROM). Этот тип памяти не допускает перепрограммрования путем стирания информации, что возможно в памяти допускающей стирание информации электрическим путем - EEPROM (от англ. Electic Erase Programe ROM). Этот тип памяти допускает побитовую запись и стирание, в отличие от Flash памяти, которая допускает программирование и стирание только отдельными блоками. Flash в переводе с английского означает кадр, вспышка. |
Последнее изменение этой страницы: 2017-05-11; Просмотров: 1430; Нарушение авторского права страницы