1 из видов оперативной памяти состоящая из транзистора
Обновлено: 04.07.2024
На основе кремниевых КМДП транзисторов можно строить эффективные высокоинтегрированные устройства памяти. Элементарной ячейкой быстрой оперативной памяти с произвольным доступом, которую принято называть "статической памятью", является КМДП триггер , построенный из двух КМДП инверторов с перекрестной связью, и 2 ключевых транзисторов. Типичной для такой "статической" памяти является матричная организация , когда каждая ячейка присоединена к одной горизонтальной и к одной вертикальной шине. Записанная в статическую память информация сохраняется до тех пор, пока она подключена к источнику питания. Если питание (даже на короткое время) выключается, то записанная информация пропадает.
Одним из простейших и наиболее дешевых видов наноэлектронной памяти на МДП транзисторах является так называемая " динамическая " оперативная память . Ячейка такой памяти состоит из ключевого МДП транзистора и тонкопленочного конденсатора и занимает на пластине кремния площадь , на порядок меньше, чем ячейка статической оперативной памяти. Поэтому и плотность хранения информации здесь на порядок выше, и себестоимость производства одного мегабита памяти на порядок меньше.
Недостатком ячеек динамической памяти является то, что электрический заряд на конденсаторах из-за наличия паразитных токов утечки постепенно уменьшается, и спустя некоторое время записанная информация может пропасть. Чтобы этого не произошло, записанную информацию надо периодически возобновлять. Изобретено много архитектурных и схемотехнических решений для того, чтобы регенерация не оказывала большого влияния на задержку выполнения внешних запросов к динамической памяти на считывание или запись информации. Весь большой массив ячеек памяти (до сотни мегабайт на одном кристалле) разбивают на много отдельных матриц ("банков", "страниц") памяти. Те из них, в которые занесена нужная информация , но к которым в текущий момент обращений нет, находятся в режиме оптимизированной автономной регенерации. А те, к которым идут обращения, регенерируются во время считывания/записи. Наноэлектронная технология позволила встроить в кристалл динамической памяти буферные блоки быстрой статической памяти. При обращении к следующей странице динамической памяти записанные в ней данные быстро копируются в буферный блок статической памяти и дальше могут оперативно считываться или изменяться в нем. А информация из предыдущего буферного блока параллельно перезаписывается в соответствующую страницу динамической памяти.
В связи с большим объемом информации в наноэлектронных кристаллах динамической памяти значительно выросла и разрядность кода адреса. Чтобы не увеличивать количество внешних выводов, код адреса передают на кристалл двумя частями, сопровождая передачу каждой половины кода своим строб-импульсом. Такой же прием применяют и в случаях, когда необходимо считывать с кристалла памяти или записывать в него слова (двоичные числа) большой разрядности.
Дополнительные возможности оптимизации архитектуры динамической памяти появляются в системах обработки видеоизображений, где информация записывается и считывается по кадрам, довольно большими блоками с заведомо известной организацией их потоков.
Тактовая частота современных наноэлектронных микросхем динамической памяти доведена уже до 3 ГГц, а продолжительность цикла получения данных из последовательно размещенных ячеек памяти – до значений порядка 1 нс. Микросхемы динамической памяти промышленно выпускаются огромными тиражами и, благодаря их относительно небольшой стоимости, широко применяются в компьютерах, цифровых видеокамерах, цифровых системах передачи изображений, звуков и т.д.
Не менее популярной, чем динамическая оперативная память , стала также энергонезависимая наноэлектронная флеш-память на МДП транзисторах с плавающим затвором. Занесенный на него электрический заряд может сохраняться годами независимо от наличия напряжения питания. Память эта аналоговая, так как электрический ток сквозь транзистор монотонно зависит от величины электрического заряда на плавающем затворе. И в некоторых случаях это с успехом используется, например, для построения экономной аналоговой памяти изображений в цифровых фотоаппаратах, для записи, хранения и воспроизведения звуковой информации.
При хранении цифровой информации наноэлектронные МДП транзисторы с плавающим затвором чаще всего используют в режиме хранения одного бита информации. Однако промышленно выпускают уже и флеш-память с двухбитовыми ячейками, когда различают уже 4 уровня тока сквозь транзистор ("00", "01", "10" и "11") при подаче на управляющий затвор потенциала считывания. Для надежной работы в двухбитовом режиме надо обеспечить более высокий уровень идентичности всех ячеек в массиве памяти, но плотность хранения данных возрастает при этом вдвое, и на кристалле той же площади можно сохранять вдвое больше информации.
Для занесения электрического заряда на плавающий затвор и для его удаления используют туннельный эффект. На управляющий затвор подают положительный или отрицательный импульс напряжения, а величину перенесенного заряда определяет длительность импульса записи. Плавающий затвор не занимает дополнительной площади на кристалле кремния. И поэтому ячейка флеш-памяти имеет значительно меньшую площадь , чем ячейка динамической памяти. Соответственно и плотность размещения ячеек значительно выше, а себестоимость изготовления флеш-памяти ниже, чем схем динамической памяти.
В серийном промышленном производстве используют лишь два альтернативных принципа организации флеш-памяти, которые называют " NOR " и " NAND ". Плотность размещения ячеек памяти в матрицах типа " NAND " в несколько раз выше, и поэтому себестоимость одного мегабайта памяти здесь в несколько раз меньше. Ведущие фирмы изготовляют ее уже с проектно-технологическими нормами 22 нм и менее.
Очень популярными стали флеш-брелки, с помощью которых можно просто и быстро переносить большие объемы информации с одного компьютера на другой. Уже выпускаются модели с объемом памяти 1 Тб и больше и скоростью переноса данных от 1 до 100 Мб/с. Наноэлектронные флеш-карты памяти широко используют во всех современных интеллектуальных мобильных устройствах – в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах, в электронных книгах и учебниках, в сотовых телефонах, смартфонах, в мобильных медиаплеерах и устройствах для электронных игр, в навигаторах и т.д. Их начали все шире применять в новейших станках с числовым программным управлением и в новейшем автоматизированном промышленном оборудовании. Развернулось серийное производство флеш-дисков – "твердотельных" аналогов жестких магнитных дисков.
Свойства, подобные свойствам МДП транзисторов с плавающим затвором, имеют МДП транзисторы с зарядовыми ловушками. Размещенные над каналом МДП транзистора такие "ловушки" тоже эффективно регулируют электрический ток сквозь канал и позволяют десятки лет сохранять занесенный в них электрический заряд. Характеристики устройств памяти на таких транзисторах приблизительно такие же, как и флеш-памяти.
– в 300 лет. В 2011 г. освоен промышленный выпуск наноэлектронных кристаллов памяти на элементах ИФС объемом 512 Мб. Их применяют пока в основном в спецтехнике – там, где нужна повышенная радиационная стойкость, и там, где нужна высокая скорость записи, а также гарантированное количество циклов перезаписи свыше 10 млн.
Переход к нанометровым размерам ячеек памяти открыл "новое дыхание" также и для программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Стала возможной реализация на одном кристалле ПЛИС сложных специфических контроллеров, процессоров, блоков перекодировки информации, коммутаторов, цифровых фильтров, и т.п. с использованием уже миллионов доступных для записи и перезаписи ячеек памяти, т.е. миллионов эквивалентных логических вентилей, которые работают на частотах в сотни мегагерц с низким уровнем энергопотребления. Наноэлектронные ПЛИС стали также одной из наилучших элементных баз для реализации сложных нейронных сетей.
Сегодня разберёмся, почему в процессорах и различных видах памяти используются транзисторы и как они работают. Без сложной теории и скучных формул - объясняю понятным языком!
Почему так популярны транзисторы и что это такое?
Транзистор - это устройство, позволяющее управлять проходимым через него током (потоком электронов)
Принцип работы транзисторов лучше всего понятен при использовании аналогий с устройствами повседневной жизни, например, рукомойником.
Есть бак или ёмкость с водой (аналогия - источник тока , например, аккумулятор). Ёмкость соединена трубопроводом (аналогия - провод ) с шаровым краном (аналогия - транзистор ). За шаровым краном идёт сливная труба, из которой может (по необходимости) выливаться вода.
Принцип работы транзистора аналогичен работе шарового крана Принцип работы транзистора аналогичен работе шарового кранаЕсли шаровой кран закрыт, вода не проходит через него. Если же повернуть ручку крана, то вода устремляется наружу.
Перейдём теперь к транзисторам.
В компьютеростроении наибольшее распространение получили полевые транзисторы с изолированным затвором , или MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Они бывают разных форм и размеров. Вот так, например, выглядит силовой полевой транзистор:
MOSFET транзистор имеет 3 контакта со специальными названиями:
Исток - место, откуда начинает течь ток (аналог - конец шарового крана со стороны бака).
Сток - место, куда может течь ток (аналог - другой конец шарового крана со стороны сливной трубы).
Затвор - контакт, который управляет потоком тока (ручка шарового крана).
У MOSFET транзистора ток (поток электронов) хочет течь от истока к стоку , а затвор может или разрешить ему течь, или запретить.
Затвор тоже управляется током. Есть ток на затворе - транзистор пропускает ток от истока к стоку, нет тока - не пропускает.
Итак, MOSFET транзистор может либо проводить ток, либо не проводить его. Такое поведение отлично накладывается на компьютерную двоичную (булеву) логику: " 0 / 1 " или " включено / выключено ".
Современные микросхемы (микрочипы) процессоров, модулей оперативной (RAM) и постоянной (NAND) памяти состоят из миллиардов малюсеньких транзисторов, соединённых определённым образом. Как соединены транзисторы знают только сотрудники, занимающиеся разработкой архитектуры микрочипов.
Однако, в основе сложной архитектуры лежат простые соединения транзисторов для выполнения простейших двоичных (булевых) операций - "НЕ", "И" и "ИЛИ". Помните о таких из курса школьной информатики? Ничего, сейчас освежим память 😊
Операция "ИЛИ"
Рассмотрим тот же бак с водой. Только теперь к баку параллельно подключены 2 шаровых крана (смотрим рисунок). После шаровых кранов два трубопровода соединяются в один, из которого может вытекать вода.
Логическая операция "ИЛИ" на примере трубопровода. Вода не течёт, только когда оба крана закрыты Логическая операция "ИЛИ" на примере трубопровода. Вода не течёт, только когда оба крана закрытыДва крана дают 4 возможных состояния трубопровода. Вода будет течь, когда открыт хотя бы один кран, и не будет течь, только если оба крана закрыты.
Вода течёт, когда открыт ИЛИ верхний, ИЛИ нижний, ИЛИ оба крана.
Сказанное отражено в таблицах:
Кажется, что я слишком сложно объясняю простые вещи 😊
Операция "И"
Соединим теперь бак с двумя кранами, идущими последовательно друг за другом.
Логическая операция "И". Вода вытекает из трубопровода, только когда оба крана открыты, то есть открыт кран 1 И кран 2. Логическая операция "И". Вода вытекает из трубопровода, только когда оба крана открыты, то есть открыт кран 1 И кран 2.Здесь обратная ситуация. Вода будет вытекать только если оба крана открыты: кран 1, И кран 2.
Левая таблица - состояния трубопровода. Правая таблица - то же самое, но в булевой логике. Левая таблица - состояния трубопровода. Правая таблица - то же самое, но в булевой логике.Операция "НЕ"
Операция " НЕ " - это инверсия состояния, или операция отрицания.
Попытаемся представить неправдоподобную ситуацию, что когда Вы закрываете кран, то вода начинает течь, но когда открываете - вода течь перестаёт. Сложно такое представить, не так ли? 😊
В компьютере если на входе имеется логическая "1", то после операции НЕ на выходе имеем логический "0" и наоборот.
Заключительная часть
Из цепочек простых логических элементов " И ", " ИЛИ " и " НЕ " строятся различные сложные устройства: сумматоры , шифраторы , дешифраторы и т.д. - не будем забивать ими голову и оставим это специалистам.
И процессоры, и чипы памяти состоят из миллиардов различных транзисторов со сложными соединениями друг с другом. Такие соединения позволяют управлять током (потоком электронов) нужным образом, производя различные логические и арифметические операции.
Я постарался объяснить всё "на пальцах", не вдаваясь в физику полупроводниковых переходов.
1. Конденсаторы
Создателем первого компьютера в современном понимании этого слова принято считать немецкого инженера Конрада Цузе. Ещё в 30-е годы, работая в одиночку, он сумел спроектировать и построить в гостиной родительского дома устройство, способное автоматически выполнять различные вычисления по заданной программе. Машина, получившая название Z1, была электромеханической и потому не фигурирует в списках первых ЭВМ (электронных вычислительных машин). При этом она работала в двоичной системе счисления, как и современные компьютеры, а не в двоично-десятичной, как знаменитый ENIAC, созданный почти десятью годами позже.
Оперативная память Z1 была организована на конденсаторах, причём не покупных, а разработанных самим изобретателем. Конструкция, в которой чередовались слои стекла и металлические пластины, позволяла хранить 64 вещественных числа, каждое из которых состояло из 14 бит мантиссы и 8 бит, отводившихся под знак и порядок.
Стоит отметить, что эта вычислительная машина работала ненадёжно из-за низкой точности изготовления деталей, и последующие свои конструкции (Z2–Z4) Цузе создавал на базе выпускавшихся промышленностью телефонных реле.
В 1987–1989 гг. пожилой Цузе воссоздал компьютер Z1, утраченный во время войны, и теперь его рабочая копия выставлена в Немецком техническом музее. По ссылке доступна интерактивная панорама, позволяющая рассмотреть компьютер со всех сторон.
2. Электронные лампы
Первые ЭВМ, например, вышеупомянутый ENIAC или отечественная БЭСМ, использовали электронные лампы как для вычислений, так и для промежуточной записи команд и операндов. Чтобы хранить один бит данных, нужна была одна запоминающая ячейка (триггер), собранная на двух триодах. В ЭВМ ставили двойные триоды, у которых в одном баллоне размещались, по сути, две независимые электронные лампы, поэтому можно упрощённо говорить, что для хранения N бит информации требовалось N электронных ламп (без учёта обвязки).
Неудивительно, что эти машины имели огромный размер и потребляли колоссальное количество энергии. БЭСМ содержала около 4000 электронных ламп, а ENIAC — почти
18 000. Дело в том, что, в отличие от чисто двоичной БЭСМ, ENIAC использовал весьма своеобразную двоично-десятичную систему представления чисел. Младшие 5 битов в ней кодировали число от 0 до 4 в унитарной системе счисления (когда значение определяет номер позиции, на которой в коде стоит единица, — скажем, 01000 означает 3, а 00001 — 0), а два старших бита определяли определяли, нужно ли прибавлять к этому числу пятёрку (10 — да, 01 — нет).
В итоге запоминающая ячейка ENIAC всего лишь на одну десятичную цифру (правда, объединённая со счётчиком) выглядела вот так:
Запоминающая ячейка БЭСМ на 1 бит тоже особой компактностью не отличалась:
Хотя у меня есть подозрение, что подпись к этой фотографии из музея неверна, и на ней — тоже не просто запоминающая, а суммирующая ячейка. Дело в том, что у БЭСМ были и двухламповые ячейки, которые, скорее всего, как раз представляли собой просто триггеры. Но информации по ним я в интернете не нашёл, а запрос в музей ИТМиВТ остался без ответа.
Созданный в 1948 году, он оказался первым в мире электронным компьютером, построенным по принципу совместного хранения данных и программ в памяти (фон-неймановская архитектура). Также это была первая универсальная ЭВМ в Великобритании (созданный ранее компьютер Colossus, хотя и имел ограниченные возможности программирования, всё-таки предназначался для одной узкой задачи — взлома немецкого шифра Lorenz SZ).
В 1998 году с использованием оригинальных компонентов была построена реплика компьютера SSEM, которую теперь можно увидеть в Манчестерском музее науки и промышленности.
4. Декатроны
О компьютере, в котором использовалась такая память, у меня был отдельный пост. Это Harwell Dekatron, или WITCH, единственный компьютер первого поколения, сохранившийся до наших дней в рабочем состоянии. Он использует чисто десятичную систему счисления, и для хранения информации в нём используются декатроны — газоразрядные десятичные счётчики.
Поскольку разработчики компьютеров почти сразу отказались от десятичной системы счисления, оперативная память на декатронах быстро стала достоянием истории, хотя в других областях декатроны использовались ещё много лет.
5. Ртутные линии задержки.
Это, пожалуй, самая брутальная технология из всех, что будут рассмотрены в этом посте. Такую линию задержки можно представить себе как длинную заполненную ртутью колбу, на концах которой расположены пьезоэлементы — передатчик и приёмник. Передатчик возбуждает акустические колебания в ртути, и по ней бегут волны, как от камня, брошенного в воду. Когда колебания достигают приёмника, они усиливаются, при необходимости изменяются и вновь подаются на вход той же линии. Таким образом получается, что по линии задержки постоянно циркулирует пакет данных, представленный в виде цепочки волн. Память на линиях задержки не является дискретной и может хранить как цифровую, так и аналоговую информацию, что использовалось, например, в первых радарах.
Ртуть была выбрана благодаря тому, что её удельное акустическое сопротивление почти равно акустическому сопротивлению пьезокристаллов, а скорость распространения звуковых волн в ней выше, чем в других жидкостях.
Такая память была сложна в производстве, требовала тонкой настройки, представляла опасность в случае повреждения, нуждалась в системах поддержания постоянной температуры, а главное — предполагала только последовательный доступ (то есть приходилось ждать, пока на выходе линии задержки появится нужная информация). Почему же при таком огромном наборе недостатков её использовали? Всё дело в экономичности и надёжности. Одна ртутная линия задержки могла хранить несколько сотен бит информации (скажем, 576 бит в компьютере EDSAC). Чтобы реализовать такой же объём памяти на триггерах, понадобилось бы больше тысячи электронных ламп, которые занимали бы больше места и потребляли бы больше энергии, а главное — регулярно бы перегорали. Ртутные же линии, при всей их сложности, после грамотной настройки работали очень долго.
В 1953 г. оперативная память на ртутных трубках объёмом 1024 слова (по 39 бит в каждом) появилась и у отечественной БЭСМ.
6. Селектроны
Если трубка Уильямса и ртутные линии задержки считаются прототипами динамической памяти (DRAM), то следующее устройство можно назвать одним из прототипов статической памяти (SRAM).
Это — селектрон, особая электронная лампа, разработанная компанией RCA (кстати, под руководством небезызвестного В. К. Зворыкина) в конце 40-х — начале 50-х годов. На фоне памяти на триггерах, где одна электронная лампа была способна хранить в лучшем случае один бит данных, возможности этого устройства казались фантастическими: один селектрон мог иметь внутри матрицу ёмкостью до 4096 бит! Время доступа к информации при этом было на порядок меньше, чем у ртутной памяти (называлась цифра в 16 мкс).
Впечатление о компактности памяти на селектронах всё-таки немного обманчиво. Им требовалась довольно громоздкая обвязка, и на фотографии можно увидеть, как выглядело запоминающее устройство на 256-битных селектронах.
7. Магнитные барабаны
8. Ферритовые сердечники
Появление памяти на магнитных сердечниках, или ферритовой памяти, ознаменовало наступление новой эпохи. Идею такого ОЗУ предложил Джон Преспер Экерт (один из разработчиков ENIAC) в 1945 г., а первые практические реализации появились в начале 50-х. Патент на ферритовую память получили американские инженеры китайского происхождения Ван Ань и Во Вайдун в 1955 г.
Внешне память на магнитных сердечниках представляет собой матрицу из ферритовых элементов (обычно колец), пронизанных проволочками.
Для считывания информации используется третий провод, который змейкой проходит через все сердечники.
Вытеснила её уже привычная нам память на микросхемах, но это — уже совсем другая история.
Достаточно сказать, что за время перехода от первого поколения ЭВМ (на электронных лампах) ко второму (на транзисторах) сменилось не менее пяти технологий ОЗУ. Из этого поста вы узнаете, какие причудливые формы порой принимала такая вроде бы знакомая вещь, как «оперативка»
Конденсаторы
Создателем первого компьютера в современном понимании этого слова принято считать немецкого инженера Конрада Цузе. Ещё в 30-е годы, работая в одиночку, он сумел спроектировать и построить в гостиной родительского дома устройство, способное автоматически выполнять различные вычисления по заданной программе. Машина, получившая название Z1, была электромеханической и потому не фигурирует в списках первых ЭВМ (электронных вычислительных машин). При этом она работала в двоичной системе счисления, как и современные компьютеры, а не в двоично-десятичной, как знаменитый ENIAC, созданный почти десятью годами позже
Оперативная память Z1 была организована на конденсаторах, причём не покупных, а разработанных самим изобретателем. Конструкция, в которой чередовались слои стекла и металлические пластины, позволяла хранить 64 вещественных числа, каждое из которых состояло из 14 бит мантиссы и 8 бит, отводившихся под знак и порядок.
Стоит отметить, что эта вычислительная машина работала ненадёжно из-за низкой точности изготовления деталей, и последующие свои конструкции (Z2–Z4) Цузе создавал на базе выпускавшихся промышленностью телефонных реле.
В 1987–1989 гг. пожилой Цузе воссоздал компьютер Z1, утраченный во время войны, и теперь его рабочая копия выставлена в Немецком техническом музее. По ссылке доступна интерактивная панорама, позволяющая рассмотреть компьютер со всех сторон
Электронные лампы
Первые ЭВМ, например, вышеупомянутый ENIAC или отечественная БЭСМ, использовали электронные лампы как для вычислений, так и для промежуточной записи команд и операндов. Чтобы хранить один бит данных, нужна была одна запоминающая ячейка (триггер), собранная на двух триодах. В ЭВМ ставили двойные триоды, у которых в одном баллоне размещались, по сути, две независимые электронные лампы, поэтому можно упрощённо говорить, что для хранения N бит информации требовалось N электронных ламп (без учёта обвязки).
Неудивительно, что эти машины имели огромный размер и потребляли колоссальное количество энергии. БЭСМ содержала около 4000 электронных ламп, а ENIAC — почти
18 000. Дело в том, что, в отличие от чисто двоичной БЭСМ, ENIAC использовал весьма своеобразную двоично-десятичную систему представления чисел. Младшие 5 битов в ней кодировали число от 0 до 4 в унитарной системе счисления (когда значение определяет номер позиции, на которой в коде стоит единица, — скажем, 01000 означает 3, а 00001 — 0), а два старших бита определяли определяли, нужно ли прибавлять к этому числу пятёрку (10 — да, 01 — нет)
В итоге запоминающая ячейка ENIAC всего лишь на одну десятичную цифру (правда, объединённая со счётчиком) выглядела вот так:
Читайте также: