Dinamik Rasgele Erişim Belleği - Dynamic random-access memory

Micron Technology MT4C1024 DRAM entegre devresinin bir kalıp fotoğrafı (1994). 1 megabit bit eşdeğeri veya 128 kB kapasiteye sahiptir  .
NeXTcube bilgisayarın anakartı , 1990, 64 MiB ana bellek DRAM (sol üst) ve 256 KiB VRAM (alt kenar, sağ orta).

Dinamik rastgele erişimli bellek ( dinamik RAM veya DRAM ), her bir veri bitini , her ikisi de tipik olarak metal oksit-yarı iletkene (MOS) dayanan küçük bir kapasitör ve bir transistörden oluşan bir bellek hücresinde depolayan bir tür rastgele erişimli yarı iletken bellektir . ) teknoloji. Kondansatör şarj edilebilir veya boşaltılabilir; bu iki durum, geleneksel olarak 0 ve 1 olarak adlandırılan bir bitin iki değerini temsil etmek için alınır. Kondansatörlerin üzerindeki elektrik yükü yavaşça sızar, bu nedenle müdahale olmadan çip üzerindeki veriler kısa sürede kaybolur. Bunu önlemek için DRAM , kapasitörlerdeki verileri periyodik olarak yeniden yazan ve onları orijinal şarjlarına geri getiren harici bir bellek yenileme devresi gerektirir . Bu yenileme işlemi, verilerin yenilenmesini gerektirmeyen statik rastgele erişimli belleğin (SRAM) aksine dinamik rastgele erişimli belleğin tanımlayıcı özelliğidir . Flaş bellekten farklı olarak , DRAM geçici bellektir ( geçici olmayan belleğe karşı ), çünkü güç kesildiğinde verilerini hızla kaybeder. Ancak, DRAM sınırlı veri kalıntısı sergiler .

DRAM tipik olarak , düzinelerce ila milyarlarca DRAM bellek hücresinden oluşabilen bir entegre devre çipi şeklini alır . DRAM yongaları, düşük maliyetli ve yüksek kapasiteli bilgisayar belleğinin gerekli olduğu dijital elektronikte yaygın olarak kullanılmaktadır . DRAM için en büyük uygulamalardan biri, modern bilgisayarlarda ve grafik kartlarında ("ana bellek" grafik belleği olarak adlandırılır) ana bellektir (halk dilinde "RAM " olarak adlandırılır ). Birçok taşınabilir cihazda ve video oyun konsollarında da kullanılmaktadır . Hız gibi maliyet ve boyuttan büyük endişe ait olduğu Aksine, daha hızlı ve daha pahalı DRAM daha olduğunu SRAM, genellikle kullanılır önbellek anılar içinde işlemciler .

Yenileme gerçekleştirmek için bir sisteme ihtiyaç duyması nedeniyle, DRAM, SRAM'den daha karmaşık devre ve zamanlama gereksinimlerine sahiptir, ancak çok daha yaygın olarak kullanılmaktadır. DRAM'ın avantajı, bellek hücrelerinin yapısal basitliğidir: SRAM'deki dört veya altı transistöre kıyasla, bit başına yalnızca bir transistör ve bir kapasitör gerekir. Bu, DRAM'in çok yüksek yoğunluklara ulaşmasını sağlayarak DRAM'i bit başına çok daha ucuz hale getirir. Kullanılan transistörler ve kapasitörler son derece küçüktür; milyarlarca kişi tek bir bellek yongasına sığabilir. Bellek hücrelerinin dinamik yapısı nedeniyle, DRAM, güç tüketimini yönetmek için farklı yollarla nispeten büyük miktarlarda güç tüketir.

DRAM, 2017'de bit başına fiyatta %47'lik bir artışa sahipti; bu, 1988'deki %45'lik artıştan bu yana 30 yıldaki en büyük artış olurken, son yıllarda fiyat düşüyor.

Tarih

Orijinal tek transistörlü, tek kapasitörlü NMOS DRAM hücresinin kesitini gösteren şematik bir çizim . 1968 yılında patenti alınmıştır.

Kriptoanalitik makine kod adlı "Kova" kullanılan Bletchley Park sırasında Dünya Savaşı sabit kablolu dinamik bellek dahil etti. Kağıt bant okundu ve üzerindeki karakterler "dinamik bir mağazada hatırlandı. ... Mağaza, yüklü olan veya olmayan büyük bir kapasitör bankası, çapraz (1) ve yüksüz bir kapasitör noktasını temsil eden yüklü bir kapasitör kullandı ( 0) Yük yavaş yavaş sızdığından, hala yüklü olanları doldurmak için periyodik bir darbe uygulandı (dolayısıyla 'dinamik' terimi)".

1964'te IBM için çalışan Arnold Farber ve Eugene Schlig, bir transistör kapısı ve tünel diyot mandalı kullanarak kablolu bir bellek hücresi yarattılar . Mandalı , Farber-Schlig hücresi olarak bilinen bir konfigürasyon olan iki transistör ve iki dirençle değiştirdiler . O yıl bir buluş kapanışı sundular, ancak başlangıçta reddedildi. 1965'te Benjamin Agusta ve IBM'deki ekibi, 80 transistör, 64 direnç ve 4 diyot içeren, Farber-Schlig hücresine dayalı 16 bitlik bir silikon bellek yongası yarattı. Toshiba "Toscal" BC-1411 elektronik hesap Kasım 1965 tanıtılan, ayrık inşa kapasitif DRAM (180 bit) bir form kullanılan iki kutuplu bellek hücreleri.

Yukarıda bahsedilen en eski DRAM formları bipolar transistörler kullandı. İki kutuplu DRAM, manyetik çekirdekli bellek üzerinde gelişmiş performans sunarken , o zamanlar baskın olan manyetik çekirdekli belleğin daha düşük fiyatıyla rekabet edemezdi. Kapasitörler, Atanasoff-Berry Bilgisayarının tamburu , Williams tüpü ve Selectron tüpü gibi daha önceki bellek şemaları için de kullanılmıştı .

Buluş MOSFET (metal oksit yarı iletken alan etkili transistor tarafından da, MOS transistörü olarak da bilinir), Mohamed atalla ve Dawon Kahng de Bell Labs gelişmesine yol 1959, metal oksit yan iletken- (MOS) DRAM . 1966'da IBM Thomas J. Watson Araştırma Merkezi'nden Dr. Robert Dennard , MOS bellek üzerinde çalışıyordu ve her veri biti için altı MOS transistörü gerektiren SRAM'a bir alternatif yaratmaya çalışıyordu . MOS teknolojisinin özelliklerini incelerken, kapasitörler oluşturabildiğini ve MOS kapasitöründe bir yük veya yüksüz depolamanın bir bitin 1 ve 0'ını temsil edebileceğini, MOS transistörünün ise yükün bilgisayara yazılmasını kontrol edebileceğini buldu. kapasitör. Bu, tek transistörlü MOS DRAM bellek hücresini geliştirmesine yol açtı. 1967'de bir patent başvurusunda bulundu ve 1968'de ABD patent numarası 3,387,286'yı aldı. MOS bellek, manyetik çekirdekli belleğe göre daha yüksek performans sundu, daha ucuzdu ve daha az güç tüketiyordu.

MOS DRAM yongaları 1969 yılında Advanced Memory system, Inc of Sunnyvale, CA tarafından ticarileştirildi . Bu 1000 bitlik çip Honeywell , Raytheon , Wang Laboratories ve diğerlerine satıldı . Aynı yıl Honeywell, Intel'den geliştirdikleri üç transistörlü bir hücreyi kullanarak bir DRAM yapmasını istedi . Bu, 1970'in başlarında Intel 1102 oldu. Ancak, 1102'nin birçok sorunu vardı ve Intel'in Honeywell ile çatışmayı önlemek için gizlilik içinde kendi geliştirilmiş tasarımları üzerinde çalışmaya başlamasına neden oldu. Bu , maskelerin beşinci revizyonuna kadar düşük verimle ilgili ilk sorunlara rağmen, Ekim 1970'de ticari olarak satılan ilk DRAM olan Intel 1103 oldu . 1103, Joel Karp tarafından tasarlandı ve Pat Earhart tarafından tasarlandı. Maskeler Barbara Maness ve Judy Garcia tarafından kesildi. MOS bellek, 1970'lerin başında baskın bellek teknolojisi olarak manyetik çekirdekli belleği geride bıraktı.

Birden fazla mesaj göndermiş satır ve sütun ilk DRAM adres hatları olan Mostek DRAM, Robert Proebsting göre tasarlanmış ve bu adresleme şeması, düşük yarım ve hafıza hücresinin adresi yüksek yarısını almak için aynı adres pim kullanır 1973 tanıtılan MK4096 4 kbit referans alındığında, alternatif veri yolu döngülerinde iki yarı arasında geçiş yapılır. Bu radikal bir ilerlemeydi, gereken adres satırı sayısını etkin bir şekilde yarıya indirdi, bu da daha az pinli paketlere sığmasını sağladı, bellek boyutundaki her sıçramayla birlikte artan bir maliyet avantajıydı. MK4096, müşteri uygulamaları için çok sağlam bir tasarım olduğunu kanıtladı. 16 kbit yoğunlukta maliyet avantajı arttı; 1976'da tanıtılan 16 kbit Mostek MK4116 DRAM, dünya çapında DRAM pazar payının %75'inden fazlasını elde etti. Ancak, 1980'lerin başında yoğunluk 64 kbit'e yükselince, Mostek ve diğer ABD'li üreticiler, 1980'ler ve 1990'larda ABD ve dünya pazarlarına hakim olan Japon DRAM üreticileri tarafından geride bırakıldı.

1985'in başlarında, Gordon Moore Intel'i DRAM üretmekten geri çekmeye karar verdi. 1986'ya gelindiğinde, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki tüm yonga üreticileri DRAM üretmeyi bırakmıştı.

1985 yılında, 64K DRAM bellek yongaları bilgisayarlarda kullanılan en yaygın bellek yongalarıyken ve bu yongaların yüzde 60'ından fazlası Japon şirketleri tarafından üretildiğinde, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki yarı iletken üreticileri, Japon şirketlerini tahrik amacıyla ihracat dampingi yapmakla suçladı . Amerika Birleşik Devletleri'ndeki üreticiler emtia bellek yongası işinden çıktı.

Senkronize dinamik rastgele erişimli bellek (SDRAM), Samsung tarafından geliştirilmiştir . İlk ticari SDRAM yongası, 16 Mb kapasiteye sahip olan ve 1992'de tanıtılan Samsung KM48SL2000'di . İlk ticari DDR SDRAM ( çift ​​veri hızı SDRAM) bellek yongası, Samsung'un 1998'de piyasaya sürülen 64 Mb DDR SDRAM yongasıydı.   

Daha sonra, 2001 yılında, Japon DRAM üreticileri, Koreli DRAM üreticilerini damping yapmakla suçladı.

2002'de ABD'li bilgisayar üreticileri DRAM fiyat sabitlemesi iddiasında bulundular .

Çalışma prensipleri

Basit bir 4 4 DRAM dizisini okumak için çalışma prensipleri
DRAM hücre dizisinin temel yapısı

DRAM genellikle veri biti başına bir kapasitör ve transistörden oluşan dikdörtgen bir dizi şarj depolama hücresinde düzenlenir. Sağdaki şekil, dörte dört hücre matrisi ile basit bir örneği göstermektedir. Bazı DRAM matrisleri, yükseklik ve genişlikte binlerce hücredir.

Her satırı birbirine bağlayan uzun yatay çizgiler, kelime satırları olarak bilinir. Her hücre sütunu, her biri sütundaki diğer tüm depolama hücrelerine bağlı iki bit satırından oluşur (sağdaki resim bu önemli ayrıntıyı içermez). Genellikle "+" ve "-" bit çizgileri olarak bilinirler.

Bir duyu yükselticisi , esas olarak , bit hatları arasında bir çift çapraz bağlı invertördür . İlk invertör, + bit hattından giriş ve - bit hattına çıkış ile bağlanır. İkinci inverterin girişi, çıkışı olan − bit hattından + bit hattınadır. Bu, bir bit hattı tamamen en yüksek voltajda ve diğer bit hattı mümkün olan en düşük voltajda olduktan sonra stabilize olan pozitif geri besleme ile sonuçlanır.

DRAM depolama hücresinden veri biti okuma işlemleri

  1. Duyu yükselticilerinin bağlantısı kesildi.
  2. Bit hatları, yüksek ve düşük mantık seviyeleri arasındaki tam olarak eşit voltajlara önceden yüklenir (örneğin, iki seviye 0 ve 1 V ise 0,5 V). Bit çizgileri, kapasitansı eşit tutmak için fiziksel olarak simetriktir ve bu nedenle bu zamanda voltajları eşittir.
  3. Ön şarj devresi kapatılır. Bit hatları nispeten uzun olduğu için, kısa bir süre için önceden yüklenmiş voltajı korumak için yeterli kapasitansa sahiptirler. Bu, dinamik mantığın bir örneğidir .
  4. İstenen satırın kelime satırı daha sonra bir hücrenin depolama kapasitörünü bit hattına bağlamak için yükseğe sürülür. Bu, transistörün , depolama hücresinden bağlı bit hattına (depolanan değer 1 ise) veya bağlı bit hattından depolama hücresine (depolanan değer 0 ise) yük transfer etmesine neden olur . Bit hattının kapasitansı tipik olarak depolama hücresinin kapasitansından çok daha yüksek olduğundan, bit hattındaki voltaj, depolama hücresinin kapasitörü boşalırsa çok az artar ve depolama hücresi şarj edilirse çok az düşer (örn. 0,54 ve 0,45 V iki durumda). Diğer bit hattı 0,50 V tuttuğundan, iki bükülmüş bit hattı arasında küçük bir voltaj farkı vardır.
  5. Duyu yükselticileri artık bit-çizgi çiftlerine bağlanmıştır. Daha sonra çapraz bağlı invertörlerden pozitif geri besleme meydana gelir, böylece belirli bir sütunun tek ve çift satır bit hatları arasındaki küçük voltaj farkını, bir bit hattı tamamen en düşük voltajda ve diğeri maksimum yüksek voltajda olana kadar yükseltir. Bu gerçekleştiğinde, satır "açıktır" (istenen hücre verileri mevcuttur).
  6. Açık sıradaki tüm depolama hücreleri aynı anda algılanır ve algılama amplifikatörü çıkışları kilitlenir. Bir sütun adresi daha sonra harici veri yoluna bağlanacak mandal bitini seçer. Aynı satırdaki farklı sütunların okumaları , açık satır için tüm veriler zaten algılanmış ve kilitlenmiş olduğundan, satır açma gecikmesi olmadan gerçekleştirilebilir .
  7. Açık bir sıradaki sütunların okunması meydana gelirken, akım, duyu yükselticilerinin çıkışından bit hatlarını geri akar ve depolama hücrelerini yeniden şarj eder. Bu, başlangıçta şarj edilmişse depolama kapasitöründeki voltajı artırarak veya boşsa boşta tutarak depolama hücresindeki yükü güçlendirir (yani "tazeler"). Bit hatlarının uzunluğundan dolayı, yükün hücrenin kondansatörüne geri aktarılması için oldukça uzun bir yayılma gecikmesi olduğuna dikkat edin. Bu, duyu amplifikasyonunun sona ermesinden sonra önemli ölçüde zaman alır ve bu nedenle bir veya daha fazla sütun okumasıyla örtüşür.
  8. Geçerli açık satırdaki tüm sütunların okunması bittiğinde, depolama hücresi kapasitörlerinin bit satırlarından bağlantısını kesmek için kelime satırı kapatılır (sıra "kapalıdır"). Algılama yükselticisi kapatılır ve bit hatları yeniden önceden yüklenir.

Belleğe yazmak için

DRAM hücresine yazma

Veri depolamak için bir satır açılır ve belirli bir sütunun algılama yükselticisi geçici olarak istenen yüksek veya düşük voltaj durumuna zorlanır, böylece bit hattının hücre depolama kapasitörünü istenen değere şarj etmesine veya boşaltmasına neden olur. Algılama yükselticisinin pozitif geri besleme konfigürasyonu nedeniyle, zorlama gerilimi kaldırıldıktan sonra bile bir bit hattını kararlı gerilimde tutacaktır. Belirli bir hücreye yazma sırasında, bir satırdaki tüm sütunlar aynı okuma sırasında olduğu gibi aynı anda algılanır, bu nedenle yalnızca tek bir sütunun depolama hücresi kapasitör yükü değişse de, resimde gösterildiği gibi tüm satır yenilenir (yeniden yazılır). sağdaki şekil.

Yenileme hızı

Tipik olarak üreticiler, JEDEC standardı tarafından tanımlandığı gibi her satırın her 64 ms'de veya daha kısa sürede yenilenmesi gerektiğini belirtir .

Bazı sistemler, her 64 ms'de bir tüm satırları içeren bir etkinlik patlamasında her satırı yeniler. Diğer sistemler, 64 ms'lik aralık boyunca kademeli olarak bir satırı yeniler. Örneğin, 2 13  = 8.192 satıra sahip bir sistem , 64 ms bölü 8.192 satır olan her 7.8 µs'de bir satırlık kademeli yenileme hızı gerektirir . Birkaç gerçek zamanlı sistem, video ekipmanında her 10-20 ms'de bir meydana gelen dikey boşluk aralığı gibi, sistemin geri kalanının çalışmasını yöneten harici bir zamanlayıcı işlevi tarafından belirlenen bir zamanda belleğin bir bölümünü yeniler .

Daha sonra yenilenecek satırın satır adresi, harici mantık veya DRAM içindeki bir sayaç tarafından korunur . Satır adresini (ve yenileme komutunu) sağlayan bir sistem, bunu ne zaman yenileneceği ve hangi satırın yenileneceği üzerinde daha fazla kontrole sahip olmak için yapar. Bu, bellek erişimleriyle çakışmaları en aza indirmek için yapılır, çünkü böyle bir sistem hem bellek erişim kalıpları hem de DRAM'in yenileme gereksinimleri hakkında bilgi sahibidir. Satır adresi DRAM içindeki bir sayaç tarafından sağlandığında, sistem hangi satırın yenileneceği üzerindeki kontrolü bırakır ve yalnızca yenileme komutunu sağlar. Bazı modern DRAM'ler kendi kendini yenileme yeteneğine sahiptir; DRAM'a yenileme talimatı vermek veya bir satır adresi sağlamak için harici bir mantık gerekmez.

Bazı koşullar altında, DRAM'deki verilerin çoğu, DRAM birkaç dakika boyunca yenilenmese bile kurtarılabilir.

Bellek zamanlaması

DRAM işleminin zamanlamasını tam olarak tanımlamak için birçok parametre gereklidir. Burada, 1998'de yayınlanan bir veri sayfasından iki zamanlama derecesi asenkron DRAM için bazı örnekler verilmiştir:

"50 ns" "60 ns" Açıklama
t RC 84 ns 104 ns Rastgele okuma veya yazma döngüsü süresi (bir tam /RAS döngüsünden diğerine)
t RAC 50 ns 60 ns Erişim süresi: /RAS düşükten geçerli veri çıkışına
t RCD 11 ns 14 ns /RAS düşük ila /CAS düşük zaman
t RAS 50 ns 60 ns /RAS darbe genişliği (minimum /RAS düşük süresi)
t RP 30 saniye 40 ns /RAS ön şarj süresi (minimum /RAS yüksek süresi)
t PC 20 ns 25 saniye Sayfa modu okuma veya yazma döngü süresi (/CAS - /CAS)
t AA 25 saniye 30 saniye Erişim zamanı: Geçerli veri çıkışı için geçerli olan sütun adresi ( /CAS low'dan önceki adres kurulum süresini içerir )
t CAC 13 ns 15 saniye Erişim süresi: /CAS düşükten geçerli veri çıkışına
t CAS 8 saniye 10 saniye /CAS düşük darbe genişliği minimum

Bu nedenle, genel olarak alıntılanan sayı /RAS erişim süresidir. Bu, önceden yüklenmiş bir DRAM dizisinden rastgele bir bit okuma zamanıdır. Açık bir sayfadan ek bit okuma süresi çok daha azdır.

Böyle bir RAM'e saatli mantıkla erişildiğinde, zamanlar genellikle en yakın saat döngüsüne yuvarlanır. Örneğin, 100 MHz'lik bir durum makinesi (yani 10 ns'lik bir saat) tarafından erişildiğinde, 50 ns'lik DRAM, ilk okumayı beş saat döngüsünde ve her iki saat döngüsünde aynı sayfada ek okumaları gerçekleştirebilir. Bu genellikle "5-2-2-2" zamanlaması olarak tanımlandı , çünkü bir sayfa içinde dört okumanın sık aralıklarla okunması yaygındı.

Eşzamanlı belleği tanımlarken, zamanlama, kısa çizgilerle ayrılmış saat döngüsü sayılarıyla tanımlanır. Bu sayılar t CL - t RCD - t RP - t RAS'ı DRAM saat çevrim süresinin katları olarak temsil eder. Çift veri hızı sinyali kullanıldığında bunun veri aktarım hızının yarısı olduğuna dikkat edin . JEDEC standart PC3200 zamanlaması 200 MHz saat hızıyla 3-4-4-8'dir , yüksek fiyatlı yüksek performanslı PC3200 DDR DRAM DIMM ise 2-2-2-5 zamanlamasında çalıştırılabilir .

PC-3200 (DDR-400) PC2-6400 (DDR2-800) PC3-12800 (DDR3-1600) Açıklama
Tipik Hızlı Tipik Hızlı Tipik Hızlı
döngüler zaman döngüler zaman döngüler zaman döngüler zaman döngüler zaman döngüler zaman
t CL 3 15 saniye 2 10 saniye 5 12,5 ns 4 10 saniye 9 11.25 saniye 8 10 saniye /CAS düşük ila geçerli veri çıkışı ( t CAC'ye eşdeğer )
t RCD 4 20 ns 2 10 saniye 5 12,5 ns 4 10 saniye 9 11.25 saniye 8 10 saniye /RAS düşük ila /CAS düşük zaman
t RP 4 20 ns 2 10 saniye 5 12,5 ns 4 10 saniye 9 11.25 saniye 8 10 saniye /RAS ön şarj süresi (etkin süreye minimum ön şarj)
t RAS 8 40 ns 5 25 saniye 16 40 ns 12 30 saniye 27 33.75 ns 24 30 saniye Satır aktif süresi (ön şarj süresi için minimum aktif)

Minimum rastgele erişim süresi t RAC  = 50 ns'den t RCD + t CL = 22,5 ns'ye yükseldi ve premium 20 ns çeşidi bile tipik duruma kıyasla sadece 2,5 kat daha iyi (~ 2,22 kat daha iyi). CAS gecikmesi , t CAC = 13 ns'den 10 ns'ye daha da az iyileşti . Ancak DDR3 bellek 32 kat daha yüksek bant genişliği elde ediyor; dahili boru hattı ve geniş veri yolları nedeniyle, her 1,25  ns'de (1 600 Mword/s) iki kelime çıktısı verebilir , EDO DRAM ise t PC  = 20 ns (50 Mword/s) başına bir kelime çıktısı verebilir .

Zamanlama kısaltmaları

  • t CL – CAS gecikmesi
  • t CR – Komut hızı
  • t PTP – ön şarjdan ön şarja kadar gecikme
  • t RAS – RAS aktif zamanı
  • t RCD – RAS - CAS gecikmesi
  • t REF – Yenileme süresi
  • t RFC – Satır yenileme çevrim süresi
  • t RP – RAS ön şarjı
  • t RRD – RAS - RAS gecikmesi
  • t RTP – Ön şarj gecikmesini oku
  • t RTR – Okumak için okuma gecikmesi
  • t RTW – Okuma gecikmesi yazma
  • t WR – Yazma kurtarma süresi
  • t WTP – Ön şarj gecikmesine yaz
  • t WTR – Okuma gecikmesi için yazma
  • t WTW – Yazma gecikmesi

Bellek hücresi tasarımı

DRAM'deki her veri biti, kapasitif bir yapıda pozitif veya negatif elektrik yükü olarak depolanır. Kapasiteyi sağlayan yapı ve buna erişimi kontrol eden transistörler topluca DRAM hücresi olarak adlandırılır . DRAM dizilerindeki temel yapı taşıdır. Çoklu DRAM bellek hücresi varyantları mevcuttur, ancak modern DRAM'lerde en yaygın olarak kullanılan varyant, tek transistörlü, tek kapasitörlü (1T1C) hücredir. Transistör, yazma sırasında kondansatöre akım vermek ve okuma sırasında kondansatörü boşaltmak için kullanılır. Erişim transistörü, sürücü gücünü en üst düzeye çıkarmak ve transistör-transistör sızıntısını en aza indirmek için tasarlanmıştır (Kenner, sayfa 34).

Kondansatörün, biri erişim transistörüne, diğeri ise toprağa veya V CC /2'ye bağlı olan iki terminali vardır . Modern DRAM'lerde, daha hızlı çalışmaya izin verdiği için ikinci durum daha yaygındır. Modern DRAM'lerde, bir mantık depolamak için kapasitör boyunca +V CC /2'lik bir voltaj gereklidir; ve bir mantık sıfırını depolamak için kapasitör boyunca -V CC /2'lik bir voltaj gereklidir. Kondansatörde depolanan elektrik yükü coulomb cinsinden ölçülür . Bir mantık için, yük: burada Q , coulomb cinsinden yük ve C , farad cinsinden kapasitanstır . Bir mantık sıfırının yükü: .

Bir mantığın okunması veya yazılması, kelime satırının V CC ve erişim transistörünün eşik voltajının (V TH ) toplamından daha büyük bir voltaja sürülmesini gerektirir . Bu gerilim denir V CC pompalanır (V CCP ). Bir kondansatörü boşaltmak için gereken süre, kapasitörde hangi mantık değerinin depolandığına bağlıdır. Mantık içeren bir kapasitör, erişim transistörünün kapı terminalindeki voltaj V CCP'nin üzerinde olduğunda boşalmaya başlar . Kondansatör bir mantık sıfırı içeriyorsa, kapı terminal voltajı V TH'nin üzerinde olduğunda boşalmaya başlar .

Kapasitör tasarımı

1980'lerin ortalarına kadar, DRAM hücrelerindeki kapasitörler erişim transistörü ile aynı düzlemdeydi (alt tabakanın yüzeyi üzerine inşa edilmişlerdi), bu nedenle düzlemsel kapasitörler olarak adlandırılıyordu . Hem yoğunluğu hem de daha az ölçüde performansı artırma dürtüsü, daha yoğun tasarımlar gerektiriyordu. Bu, DRAM cihazları, özellikle ticari DRAM'ler için önemli bir husus olan ekonomi tarafından güçlü bir şekilde motive edildi. DRAM hücre alanının en aza indirilmesi, daha yoğun bir cihaz üretebilir ve bit depolama maliyetini azaltabilir. 1980'lerin ortalarından başlayarak, bu hedeflere ulaşmak için kondansatör silikon substratın üstüne veya altına taşındı. Alt tabakanın üzerinde kapasitörler içeren DRAM hücrelerine yığılmış veya katlanmış plaka kapasitörleri denir . Alt tabaka yüzeyinin altına gömülü kapasitörlere sahip olanlara hendek kapasitörleri denir . 2000'lerde üreticiler, DRAM'lerinde kullanılan kapasitör tipine göre keskin bir şekilde bölündü ve her iki tasarımın göreli maliyeti ve uzun vadeli ölçeklenebilirliği kapsamlı tartışmaların konusu oldu. Hynix , Micron Technology , Samsung Electronics gibi büyük üreticilerin DRAM'lerinin çoğu , yığın kapasitör yapısını kullanırken Nanya Technology gibi daha küçük üreticiler, hendek kapasitör yapısını kullanır (Jacob, s. 355–357).

Yığılmış kapasitör şemasındaki kapasitör, alt tabakanın yüzeyinin üzerine inşa edilmiştir. Kondansatör, iki polisilikon plaka katmanı (üst plaka bir IC'deki tüm DRAM hücreleri tarafından paylaşılır) arasına sıkıştırılmış bir oksit-nitrür-oksit (ONO) dielektrikten yapılmıştır ve şekli bir dikdörtgen, silindir veya başka bir karmaşık şekil. Bit hattına göre konumuna bağlı olarak yığılmış kapasitörün iki temel varyasyonu vardır: bitline kapasitör (COB) ve bitline kapasitör (CUB). Eski bir varyasyonda, kapasitör, genellikle metalden yapılan bit hattının altındadır ve bit hattı, onu erişim transistörünün kaynak terminaline bağlamak için aşağı doğru uzanan bir polisilikon kontağa sahiptir. İkinci varyasyonda, kapasitör, neredeyse her zaman polisilikondan yapılan, ancak COB varyasyonu ile aynı olan bit hattının üzerinde oluşturulur. COB varyantının sahip olduğu avantaj, fiziksel olarak substrat yüzeyine yakın olduğu için, bit hattı ile erişim transistörünün kaynağı arasındaki temasın üretilmesi kolaylığıdır. Ancak bu, aktif alanın yukarıdan bakıldığında 45 derecelik bir açıyla düzenlenmesini gerektirir, bu da kapasitör kontağının bit hattına dokunmamasını sağlamayı zorlaştırır. CUB hücreleri bundan kaçınır, ancak yüzeye bu kadar yakın olan özelliklerin boyutu, proses teknolojisinin minimum özellik boyutunda veya buna yakın olduğundan, bit çizgileri arasına temas eklemede zorluklar yaşar (Kenner, s. 33–42).

Siper kondansatörü, silikon alt tabakaya derin bir delik oyularak oluşturulur. Deliği çevreleyen alt tabaka hacmi daha sonra gömülü bir n + plakası üretmek ve direnci azaltmak için yoğun bir şekilde katkılanır . Bir oksit-nitrür-oksit dielektrik tabakası büyütülür veya biriktirilir ve son olarak, kapasitörün üst plakasını oluşturan katkılı polisilikon bırakılarak delik doldurulur. Kondansatörün üst kısmı, bir polisilikon kayış aracılığıyla erişim transistörünün boşaltma terminaline bağlanır (Kenner, s. 42–44). 2000'lerin ortalarındaki DRAM'lerde bir hendek kapasitörünün derinlik-genişlik oranı 50:1'i aşabilir (Jacob, s. 357).

Hendek kapasitörlerinin sayısız avantajı vardır. Kondansatör, yüzeyinde yatmak yerine alt tabakanın yığınına gömüldüğünden, kapladığı alan, kapasitörün boyutunu ve dolayısıyla kapasitansı düşürmeden onu erişim transistörünün boşaltma terminaline bağlamak için gereken alana en aza indirilebilir (Jacob, s. 356–357). Alternatif olarak kapasitans, yüzey alanında herhangi bir artış olmaksızın daha derin bir delik oyularak arttırılabilir (Kenner, s. 44). Hendek kondansatörünün bir başka avantajı, yapısının metal ara bağlantı katmanlarının altında olması ve bu katmanların daha kolay düzlemsel hale getirilmesine olanak tanımasıdır, bu da alt katmanın üzerinde birçok ara bağlantı düzeyine sahip mantık açısından optimize edilmiş bir işlem teknolojisine entegre edilmesini sağlar. . Kondansatörün mantık altında olması, transistörlerden önce yapıldığı anlamına gelir. Bu, aksi takdirde mantık transistörlerini ve performanslarını düşürecek olan yüksek sıcaklıklı süreçlerin kapasitörleri üretmesine izin verir. Bu, hendek kapasitörlerini gömülü DRAM (eDRAM) oluşturmaya uygun hale getirir (Jacob, s. 357). Hendek kapasitörlerinin dezavantajları, kapasitör yapılarının derin delikler içinde güvenilir bir şekilde inşa edilmesinde ve kondansatörün erişim transistörünün boşaltma terminaline bağlanmasındaki zorluklardır (Kenner, s. 44).

Tarihsel hücre tasarımları

Birincisi Intel 1103 olan birinci nesil DRAM IC'ler (1 kbit kapasiteli olanlar), üç transistörlü, tek kapasitörlü (3T1C) bir DRAM hücresi kullandı. İkinci nesil tarafından, belirli bir alana daha fazla bit sığdırarak yoğunluğu artırma gereksinimi veya aynı miktarda biti daha küçük bir alana sığdırarak maliyeti düşürme gereksinimi, 1T1C DRAM hücresinin neredeyse evrensel olarak benimsenmesine yol açar, 4 ve 16 kbit kapasiteli birkaç cihaz performans nedenleriyle 3T1C hücresini kullanmaya devam etmesine rağmen (Kenner, s. 6). Bu performans avantajları, en önemlisi, kondansatör tarafından depolanan durumu boşaltmadan okuma ve okunanları geri yazma (tahribatsız okuma) ihtiyacını ortadan kaldırma yeteneğini içeriyordu. İkinci bir performans avantajı, 3T1C hücresinin okuma ve yazma için ayrı transistörlere sahip olmasıyla ilgilidir; bellek denetleyicisi, bir değerin okunduğu, değiştirildiği ve daha sonra tek, bölünmez bir işlem olarak geri yazıldığı atomik okuma-değiştirme-yazma işlemlerini gerçekleştirmek için bu özelliği kullanabilir (Jacob, s. 459).

Önerilen hücre tasarımları

Tek transistörlü, sıfır kapasitörlü (1T) DRAM hücresi, 1990'ların sonlarından beri bir araştırma konusu olmuştur. 1T DRAM , klasik tek transistör/tek kapasitör (1T/1C) DRAM hücresinden farklı olarak temel DRAM bellek hücresi oluşturmanın farklı bir yoludur; 1970'lerde yerini aldığı 3T ve 4T DRAM.

1T DRAM hücrelerinde, veri biti hala bir transistör tarafından kontrol edilen kapasitif bir bölgede depolanır, ancak bu kapasitans artık ayrı bir kapasitör tarafından sağlanmaz. 1T DRAM, yalıtkan (SOI) transistörler üzerindeki silikona özgü parazitik gövde kapasitansını kullanarak verileri depolayan "kapasitörsüz" bir bit hücre tasarımıdır . Mantık tasarımında bir sıkıntı olarak kabul edilen bu yüzen cisim efekti , veri depolama için kullanılabilir. Bu, 1T DRAM hücrelerine en yüksek yoğunluğu verir ve aynı SOI proses teknolojileri ile yapıldıkları için yüksek performanslı mantık devreleriyle daha kolay entegrasyona izin verir.

Hücrelerin yenilenmesi gerekli olmaya devam eder, ancak 1T1C DRAM'den farklı olarak 1T DRAM'de okumalar yıkıcı değildir; depolanan yük , transistörün eşik voltajında saptanabilir bir kaymaya neden olur . Performans açısından erişim süreleri, kapasitör tabanlı DRAM'lerden önemli ölçüde daha iyidir, ancak SRAM'den biraz daha kötüdür. Ticarileşmiş: 1T DRAM'ların çeşitli türleri vardır , Z-RAM yenilikçi silikon, Renesas gelen TTRAM ve A-RAM gelen UGR / CNRS konsorsiyum.

dizi yapıları

Kendinden hizalı depolama düğümü konumları, modern DRAM'de üretim sürecini basitleştirir.

DRAM hücreleri, kontrollerini ve kelime satırları ve bit satırları aracılığıyla erişimlerini kolaylaştırmak için düzenli dikdörtgen, ızgara benzeri bir düzende düzenlenir. Bir dizideki DRAM hücrelerinin fiziksel yerleşimi, tipik olarak, bir sütundaki iki bitişik DRAM hücresi, alanlarını azaltmak için tek bir bit hattı temasını paylaşacak şekilde tasarlanmıştır. Olarak DRAM hücre alanı verilir n F 2 burada, n, DRAM hücre tasarımına türetilmiş bir sayıdır ve F , belirli bir işlem teknolojisi küçük özelliği boyutudur. Bu şema, DRAM hücre alanı, özellik boyutuna göre doğrusal veya doğrusala yakın oranlarda ölçeklendiğinden, farklı işlem teknolojisi nesilleri üzerinden DRAM boyutunun karşılaştırılmasına izin verir. Modern DRAM hücreleri için tipik alan 6-8 F 2 arasında değişir .

Yatay tel, wordline, kendi sırasındaki her erişim transistörünün kapı terminaline bağlanır. Dikey bit hattı, sütunundaki transistörlerin kaynak terminaline bağlanır. Sözcük satırlarının ve bit satırlarının uzunlukları sınırlıdır. Kelime satırı uzunluğu, dizinin istenen performansı ile sınırlıdır, çünkü kelime satırını geçmesi gereken sinyalin yayılma süresi RC zaman sabiti tarafından belirlenir . Bit hattı uzunluğu, uygun algılama için bir aralık içinde tutulması gereken (uzunlukla birlikte artan) kapasitansı ile sınırlıdır (DRAM'ler, bit hattına bırakılan kapasitörün yükünü algılayarak çalıştığı için). Bit hattı uzunluğu, DRAM'ın çekebileceği çalışma akımı miktarı ve gücün nasıl dağıtılabileceği ile de sınırlıdır, çünkü bu iki özellik büyük ölçüde bit hattının şarj edilmesi ve boşaltılması tarafından belirlenir.

Bitline mimarisi

DRAM hücrelerinde bulunan durumu okumak için duyu yükselticileri gereklidir. Erişim transistörü etkinleştirildiğinde, kapasitördeki elektrik yükü bit hattı ile paylaşılır. Bit hattının kapasitansı, kapasitörünkinden çok daha büyüktür (yaklaşık on kat). Bu nedenle, bit hattı voltajındaki değişiklik dakikadır. Gerilim farkını mantık sinyalizasyon sistemi tarafından belirtilen seviyelere çözmek için duyu yükselticileri gereklidir. Modern DRAM'ler, diferansiyel algılamalı yükselteçler kullanır ve DRAM dizilerinin nasıl oluşturulduğuna ilişkin gereklilikler eşlik eder. Diferansiyel duyu yükselteçleri, bit hattı çiftleri üzerindeki nispi voltajlara dayalı olarak çıkışlarını zıt uç noktalara sürerek çalışır. Algılama yükselteçleri, yalnızca bu bit hattı çiftlerinin kapasitans ve voltajları yakından eşleştirilirse etkin ve verimli çalışır. Bit hatlarının uzunluklarının ve bunlara bağlı bağlı DRAM hücrelerinin sayısının eşit olmasını sağlamanın yanı sıra, dizi tasarımına yönelik iki temel mimari, duyu yükselticilerinin gereksinimlerini sağlamak için ortaya çıkmıştır: açık ve katlanmış bit hattı dizileri.

Bitline dizilerini aç

İlk nesil (1 kbit) DRAM IC'leri, 64 kbit nesline kadar (ve bazı 256 kbit nesil cihazlar) açık bitline dizi mimarilerine sahipti. Bu mimarilerde, bit çizgileri çoklu bölümlere ayrılır ve diferansiyel duyu yükselteçleri bit çizgisi bölümleri arasına yerleştirilir. Duyu yükselteçleri, çıktılarını dizinin dışına yönlendirmek için bit hattı bölümleri arasına yerleştirildiğinden, kelime satırlarını ve bit satırlarını oluşturmak için kullanılanların üzerine yerleştirilmiş ek bir ara bağlantı katmanı gereklidir.

Dizinin kenarlarındaki DRAM hücrelerinin bitişik bölümleri yoktur. Diferansiyel duyu yükselteçleri, her iki bölümden aynı kapasitans ve bit hattı uzunlukları gerektirdiğinden, sahte bit hattı segmentleri sağlanır. Açık bit hattı dizisinin avantajı, daha küçük bir dizi alanıdır, ancak bu avantaj sahte bit hattı segmentleri tarafından biraz azaltılır. Bu mimarinin neredeyse kaybolmasına neden olan dezavantaj , diferansiyel duyu yükselteçlerinin etkinliğini etkileyen, gürültüye karşı doğal kırılganlıktır . Her bit hattı parçasının diğeriyle herhangi bir uzamsal ilişkisi olmadığından, gürültünün iki bit hattı segmentinden sadece birini etkilemesi muhtemeldir.

Katlanmış bitline dizileri

Katlanmış bit çizgisi dizisi mimarisi, bit çizgilerini dizi boyunca çiftler halinde yönlendirir. Eşleştirilmiş bit hatlarının yakınlığı, açık bit hattı dizilerine göre üstün ortak mod gürültü reddetme özellikleri sağlar. Katlanmış bitline dizisi mimarisi, 1980'lerin ortalarında 256 kbit neslinden başlayarak DRAM IC'lerinde görünmeye başladı. Bu mimari, üstün gürültü bağışıklığı nedeniyle modern DRAM IC'lerde tercih edilir.

Bu mimari, devre şeması perspektifinden temelini açık dizi mimarisinden aldığı için katlanmış olarak adlandırılır . Katlanmış dizi mimarisi, DRAM hücrelerini alternatif çiftler halinde (çünkü iki DRAM hücresi tek bir bit hattı temasını paylaşır) bir sütundan çıkarır, ardından DRAM hücrelerini bitişik bir sütundan boşluklara taşır.

Bit çizgisinin büküldüğü yer ek alanı kaplar. Alan yükünü en aza indirmek için mühendisler, gürültüyü belirtilen sınırın altında azaltabilen en basit ve en az alan büküm şemasını seçerler. Proses teknolojisi, minimum özellik boyutlarını azaltmak için geliştikçe, bitişik metal teller arasındaki bağlantı, perdeleriyle ters orantılı olduğundan, sinyal-gürültü sorunu kötüleşir. Kullanılan dizi katlama ve bitline büküm şemaları, yeterli gürültü azaltmayı sürdürmek için karmaşıklık açısından artmalıdır. Alanda minimum etki için arzu edilen gürültü bağışıklığı özelliklerine sahip olan şemalar, mevcut araştırma konusudur (Kenner, s. 37).

Geleceğin dizi mimarileri

Süreç teknolojisindeki gelişmeler, daha iyi uzun vadeli alan verimlilikleri sunabiliyorsa, açık bitline dizi mimarilerinin tercih edilmesine neden olabilir; çünkü katlanmış dizi mimarileri, süreç teknolojisindeki herhangi bir ilerlemeye uyum sağlamak için giderek daha karmaşık katlama şemaları gerektirir. Süreç teknolojisi, dizi mimarisi ve alan verimliliği arasındaki ilişki, aktif bir araştırma alanıdır.

Satır ve sütun fazlalığı

İlk DRAM entegre devrelerinde yedeklilik yoktu. Arızalı bir DRAM hücresine sahip bir entegre devre atılır. 64 kbit neslinden başlayarak, DRAM dizileri, verimi artırmak için yedek satırlar ve sütunlar içeriyor. Yedek satırlar ve sütunlar, az sayıda satır veya sütunun çalışmamasına neden olan küçük üretim kusurlarına karşı tolerans sağlar. Arızalı satırlar ve sütunlar, programlanabilir bir sigortayı tetikleyerek veya bir lazerle teli keserek dizinin geri kalanından fiziksel olarak ayrılır . Yedek satırlar veya sütunlar, satır ve sütun kod çözücülerdeki mantığın yeniden eşlenmesiyle değiştirilir (Jacob, pp. 358–361).

Hata algılama ve düzeltme

Bir bilgisayar sistemi içindeki elektriksel veya manyetik parazit, tek bir DRAM bitinin kendiliğinden ters duruma dönmesine neden olabilir . Bir defalık ( "büyük bir kısmı , yumuşak DRAM fiş") hataların bir sonucu olarak meydana gelen arka plan radyasyon , en başta nötronların gelen kozmik ışın , bir ya da daha fazla bellek hücre içeriğini değiştirmek veya okumak için kullanılan devre müdahale edebilir sekonder parça, / onları yaz.

Yazılım hatalarını tespit etmek ve düzeltmek için yedekli bellek bitleri ve bu bitleri kullanan ek devreler kullanılarak sorun azaltılabilir . Çoğu durumda, algılama ve düzeltme, bellek denetleyicisi tarafından gerçekleştirilir ; bazen, gerekli mantık, DRAM yongaları veya modülleri içinde şeffaf bir şekilde uygulanır ve aksi takdirde ECC'ye sahip olmayan sistemler için ECC bellek işlevselliğini etkinleştirir. Ekstra bellek bitleri, eşlik kaydetmek ve eksik verilerin hata düzeltme kodu (ECC) ile yeniden oluşturulmasını sağlamak için kullanılır . Eşlik, tüm tek bitlik hataların (aslında, herhangi bir tek sayıda yanlış bitin) algılanmasına izin verir. En yaygın hata düzeltme kodu, SECDED Hamming kodu , tek bitlik bir hatanın düzeltilmesine ve olağan konfigürasyonda, ekstra bir eşlik biti ile çift bitlik hataların algılanmasına izin verir.

Son çalışmalar , her gigabayt bellek başına saatte yaklaşık bir bitlik hata olan 10 -10 −10 -17 hata/bit·s ile yüzyılda bir bitlik hata arasında değişen yedi büyüklük mertebesinden fazla değişen hata oranları verir. gigabayt bellek başına. Schröder ve ark. 2009 araştırması, kendi çalışmasındaki belirli bir bilgisayarın yılda en az bir düzeltilebilir hataya maruz kalması olasılığının %32 olduğunu bildirdi ve bu tür hataların çoğunun geçici hatalardan ziyade aralıklı sabit olduğuna dair kanıt sağladı. Rochester Üniversitesi'nde 2010 yılında yapılan bir araştırma, bellek hatalarının önemli bir bölümünün aralıklı sabit hatalar olduğuna dair kanıt verdi. PC'lerde ve dizüstü bilgisayarlarda ECC olmayan ana bellek üzerine yapılan büyük ölçekli çalışmalar, tespit edilmeyen bellek hatalarının önemli sayıda sistem hatasından sorumlu olduğunu öne sürüyor: çalışma, test edilen belleğin %1,5'i başına 1700'de 1'lik bir şans bildirdi (yaklaşık %26'ya çıkarım yaparak) toplam bellek şansı) bir bilgisayarın her sekiz ayda bir bellek hatasına sahip olacağı anlamına gelir.

Güvenlik

Veri kalıcılığı

Dinamik belleğin yalnızca güçle sağlandığında ve her kısa sürede (genellikle 64 ms ) yenilendiğinde içeriğini koruyacağı belirtilmiş ve garanti edilmiş olsa da , bellek hücresi kapasitörleri , özellikle düşük sıcaklıklarda, değerlerini önemli ölçüde daha uzun süre korurlar. Bazı koşullar altında, DRAM'deki verilerin çoğu, birkaç dakika boyunca yenilenmese bile kurtarılabilir.

Bu özellik, güvenliği aşmak ve ana bellekte depolanan ve güç kesintisi sırasında yok edildiği varsayılan verileri kurtarmak için kullanılabilir. Bilgisayar hızla yeniden başlatılabilir ve ana belleğin içeriği okunur; veya bir bilgisayarın bellek modüllerini çıkararak, veri kalıcılığını uzatmak için soğutarak ve sonra bunları okunmak üzere farklı bir bilgisayara aktararak. Böyle bir saldırı gibi hileli popüler disk şifreleme sistemlerine gösterilmiştir açık kaynak TrueCrypt , Microsoft'un BitLocker Sürücü Şifreleme ve Apple 'ın FileVault . Bir bilgisayara yönelik bu tür saldırıya genellikle soğuk önyükleme saldırısı denir .

bellek bozulması

Dinamik bellek, tanımı gereği, periyodik yenileme gerektirir. Ayrıca, dinamik belleğin okunması, okunan satırdaki depolama hücrelerinin yeniden yüklenmesini gerektiren yıkıcı bir işlemdir. Bu işlemler kusurluysa, bir okuma işlemi yazılım hatalarına neden olabilir . Özellikle, bir satırın yenilenmesinin veya okunmasının bitişik veya hatta yakın bir satırda bir bozulma hatasına neden olmasına neden olarak, yakındaki hücreler arasında bir miktar yükün sızması riski vardır . Bozulma hatalarının farkındalığı, 1970'lerin başında piyasada bulunan ilk DRAM'e ( Intel 1103 ) kadar uzanır . Üreticiler tarafından kullanılan azaltma tekniklerine rağmen, ticari araştırmacılar bir 2014 analizinde, 2012 ve 2013'te üretilen ticari olarak satılan DDR3 DRAM yongalarının bozulma hatalarına açık olduğunu kanıtladı . Gözlemlenen uç dönmelerine yol açan ilgili yan etki, sıralı çekiç olarak adlandırılmıştır .

Ambalajlama

Hafıza modülü

Dinamik RAM IC'ler genellikle silikon kalıp ve paket uçları arasındaki ara bağlantılar için dahili bir kurşun çerçeve ile kalıplanmış epoksi kasalarda paketlenir. Orijinal IBM PC tasarımı, çift ​​sıralı paketlerde paketlenmiş , doğrudan ana karta lehimlenmiş veya soketlere monte edilmiş IC'leri kullandı . Bellek yoğunluğu hızla arttığından, DIP paketi artık pratik değildi. Kullanım kolaylığı için, tek bir bellek modülüne birkaç dinamik RAM tümleşik devre monte edilebilir, bu da yükleyicinin birden fazla bireysel ekleme gereksinimi olmadan tek bir ünitede 16 bit, 32 bit veya 64 bit geniş belleğin kurulmasına izin verir. Entegre devreler. Bellek modülleri, eşlik denetimi veya hata düzeltme için ek aygıtlar içerebilir. Masaüstü bilgisayarların evrimi boyunca, çeşitli standartlaştırılmış bellek modülü türleri geliştirilmiştir. Dizüstü bilgisayarlar, oyun konsolları ve özel cihazlar, paketleme veya mülkiyet nedenleriyle standart masaüstü parçalarıyla değiştirilemeyen kendi bellek modülü biçimlerine sahip olabilir.

gömülü

Mantık açısından optimize edilmiş bir süreçte ( uygulamaya özel bir entegre devre , mikroişlemci veya bir çip üzerindeki tüm sistem gibi) tasarlanmış bir entegre devreye entegre edilen DRAM, gömülü DRAM (eDRAM) olarak adlandırılır . Gömülü DRAM DRAM hücresi olabilir tasarımların imal DRAM hücre yapıları inşa etmek için gerekli olan işlem adımları için uygun yüksek performanslı mantığı kullanılan hızlı açılan transistörlerin imalat engellemeden ve temel mantık optimize edilmiş işlem teknolojisinin modifikasyonu.

Sürümler

Temel DRAM hücresi ve dizisi uzun yıllar aynı temel yapıyı koruduğundan, DRAM türleri esas olarak DRAM yongaları ile iletişim için birçok farklı arabirim ile ayırt edilir.

Asenkron DRAM

Şimdi " eşzamansız DRAM " olarak bilinen orijinal DRAM, kullanımda olan ilk DRAM türüydü . 1960'ların sonlarında ortaya çıktığı andan itibaren, çoğunlukla Senkronize DRAM ile değiştirildiği 1997 yılına kadar bilgi işlemde yaygındı . Günümüzde asenkron RAM üretimi nispeten nadirdir.

Çalışma prensipleri

Asenkron bir DRAM yongasında güç bağlantıları, belirli sayıda adres girişi (tipik olarak 12) ve birkaç (tipik olarak bir veya dört) çift yönlü veri hattı bulunur. Dört aktif-düşük kontrol sinyali vardır:

  • RAS , Satır Adresi Strobe. Adres girişleri, RAS'ın düşen kenarında yakalanır ve açılacak bir satır seçin. RAS düşük olduğu sürece sıra açık tutulur .
  • CAS , Sütun Adresi Strobe. Adres girişleri, CAS'ın düşen kenarında yakalanır ve okumak veya yazmak için o anda açık olan satırdan bir sütun seçin.
  • WE , Yazmayı Etkinleştir. Bu sinyal, CAS'ın belirli bir düşen kenarının okuma (yüksekse) veya yazma (düşükse) olup olmadığını belirler. Düşükse, veri girişleri de CAS'ın düşen kenarında yakalanır .
  • OE , Çıkış Etkin. Bu, veri G/Ç pinlerine çıkışı kontrol eden ek bir sinyaldir. RAS ve CAS düşükse, WE yüksekse ve OE düşükse veri pinleri DRAM yongası tarafından sürülür . Birçok uygulamada, OE kalıcı olarak düşük bağlanabilir (çıkış her zaman etkindir), ancak birden fazla bellek yongasını paralel olarak bağlarken faydalı olabilir.

Bu arayüz, dahili zamanlamanın doğrudan kontrolünü sağlar. Tüm RAS düşük sürülür, bir CAS sens amplifikatörler bellek durumu algılanan kadar çevrim teşebbüs edilmeyecektir ve RAS depolama hücreleri yenilenir kadar yüksek geri edilmemelidir. Ne zaman RAS yüksek tahrik edilmektedir, bu tamamlanmasını ön şarjı uzun yeterince yüksek tutulmalıdır.

DRAM eşzamansız olmasına rağmen, sinyaller tipik olarak, zamanlamalarını denetleyicinin saat döngüsünün katları ile sınırlayan, saatli bir bellek denetleyicisi tarafından üretilir.

Yalnızca RAS Yenile

Klasik asenkron DRAM, her satırı sırayla açarak yenilenir.

Yenileme döngüleri, tüm satırlar gerekli aralık içinde yenilenecek şekilde tüm yenileme aralığı boyunca dağıtılır. Yalnızca RAS yenileme (ROR) kullanarak bellek dizisinin bir satırını yenilemek için aşağıdaki adımlar gerçekleştirilmelidir:

  1. Yenilenecek satırın satır adresi adres giriş pinlerinde uygulanmalıdır.
  2. RAS , yüksekten düşüğe geçmelidir. CAS yüksek kalmalıdır.
  3. Gerekli sürenin sonunda, RAS yüksek dönmelidir.

Bu, bir satır adresi sağlayarak ve RAS'ı düşük olarak titreştirerek yapılabilir ; herhangi bir CAS döngüsü gerçekleştirmek gerekli değildir . Sıra adresleri üzerinde yineleme yapmak için harici bir sayaç gereklidir.

RAS yenilemeden önce CAS

Kolaylık sağlamak için sayaç, hızlı bir şekilde DRAM yongalarının içine dahil edildi. Eğer CAS hattı önce düşük sürülür RAS (normal olarak geçersiz bir işlem), daha sonra DRAM adres girişi göz ardı eder ve açık için satırı seçmek için bir iç sayaç kullanır. Bu, CAS -önce- RAS (CBR) yenilemesi olarak bilinir . Bu, asenkron DRAM için standart yenileme biçimi haline geldi ve genellikle SDRAM ile kullanılan tek biçimdir.

Gizli yenileme

Desteğini göz önüne alındığında CAS -before- RAS yenileme, deassert mümkündür RAS tutarken CAS veri çıkışını sürdürmek düşük. Daha sonra RAS yeniden etkinleştirilirse, bu, DRAM çıkışları geçerli kalırken bir CBR yenileme döngüsü gerçekleştirir. Veri çıkışı kesintiye uğramadığından, bu gizli yenileme olarak bilinir .

Sayfa modu DRAM

Sayfa modu DRAM , farklı bir sütuna erişmek için aynı satırı tekrar tekrar açmanın ve ön yüklemenin verimsizliğinden kaçınarak bir satıra okuma ve yazma performansını artıran birinci nesil DRAM IC arabiriminde yapılan küçük bir değişikliktir. Sayfa modunda DRAM'de, RAS düşük tutularak bir satır açıldıktan sonra, satır açık tutulabilir ve satırdaki herhangi bir sütuna birden çok okuma veya yazma yapılabilir. Her sütun erişimi, CAS'ın onaylanması ve bir sütun adresi sunulmasıyla başlatıldı . Okumalar için, bir gecikmeden sonra ( t CAC ), geçerli veriler ortaya çıkmadan önce yüksek Z'de tutulan veri çıkış pinlerinde geçerli veriler görünecektir. Yazma işlemleri için, yazma etkinleştirme sinyali ve yazma verileri, sütun adresiyle birlikte sunulur.

Sayfa modu DRAM daha sonra gecikmeyi daha da azaltan küçük bir değişiklikle geliştirildi. Bu iyileştirmeye sahip DRAM'lere hızlı sayfa modu DRAM'leri ( FPM DRAM'ler ) adı verildi. DRAM sayfa modunda , sütun adresi sağlanmadan önce CAS iddia edildi. FPM DRAM'de, sütun adresi, CAS hala onaylanmamışken sağlanabilir . Sütun adresi, sütun adresi veri yolu aracılığıyla yayıldı, ancak CAS onaylanana kadar veri pinlerinde veri çıkışı yapmadı . CAS öne sürülmeden önce , veri çıkış pinleri yüksek Z'de tutuldu. FPM DRAM, indirgenmiş t CAC gecikme. Hızlı sayfa modu DRAM 1986'da tanıtıldı ve Intel 80486 ile birlikte kullanıldı.

Statik sütun , sütun adresinin saklanmasının gerekmediği, bunun yerine adres girişlerinin CAS düşük tutularak değiştirilebildiği ve veri çıkışının birkaç nanosaniye sonra buna göre güncelleneceği hızlı sayfa modunun bir çeşididir .

Nibble modu , sıradaki dört ardışık konuma dört ardışık CAS darbesi ile erişilebildiği başka bir değişkendir . Normal sayfa modundan farkı, adres girişlerinin ikinci ila dördüncü CAS kenarları için kullanılmamasıdır; ilk CAS kenarı için sağlanan adresten başlayarak dahili olarak oluşturulurlar .

Genişletilmiş veri çıkışı DRAM
Bir çift 32  MB EDO DRAM modülü

Genişletilmiş veri çıkışı DRAM (EDO DRAM), 1990'larda Micron Technology tarafından icat edildi ve patenti alındı ​​ve daha sonra teknolojiyi diğer birçok bellek üreticisine lisansladı. Bazen Hiper Sayfa Modu etkin DRAM olarak da adlandırılan EDO RAM, önceki döngünün veri çıkışını aktif tutarken yeni bir erişim döngüsünün başlatılabilmesi ek özelliği ile Hızlı Sayfa Modu DRAM'a benzer. Bu, operasyonda (boru hattında) belirli bir miktarda örtüşmeye izin vererek, performansın biraz artmasına izin verir. 1995'te Intel'in EDO DRAM destekli 430FX yonga setini piyasaya sürmesiyle değiştirmeye başladığı FPM DRAM'den %30'a kadar daha hızlıdır . Performans kazanımlarından bağımsız olarak, FPM ve EDO SIMM'ler birçok (ancak hepsinde değil) uygulamada birbirinin yerine kullanılabilir.

Kesin olmak gerekirse, EDO DRAM veri çıkışını CAS'ın düşen kenarında başlatır , ancak CAS tekrar yükseldiğinde çıkışı durdurmaz . Çıktıyı geçerli tutar (böylece veri çıkış süresini uzatır), RAS kaldırılana veya yeni bir CAS düşen kenar farklı bir sütun adresi seçene kadar.

Tek çevrimli EDO, bir saat çevriminde tam bir bellek işlemi gerçekleştirme yeteneğine sahiptir. Aksi takdirde, aynı sayfadaki her ardışık RAM erişimi, sayfa seçildikten sonra üç yerine iki saat döngüsü alır. EDO'nun performansı ve yetenekleri, o zamanlar yavaş olan PC'lerin L2 önbelleklerinin bir şekilde yerini almasına izin verdi. Sistemlerin daha ucuza kurulmasını sağlarken, L2 önbelleği eksikliğinden kaynaklanan büyük performans kaybını azaltmak için bir fırsat yarattı. Bu, sınırlı form faktöründeki zorluklar ve pil ömrü sınırlamaları nedeniyle dizüstü bilgisayarlar için de iyiydi. L2 önbelleğe sahip bir EDO sistemi, eski FPM/L2 kombinasyonundan somut olarak daha hızlıydı.

Tek çevrimli EDO DRAM, 1990'ların sonuna doğru video kartlarında çok popüler oldu. Çok düşük maliyetliydi, ancak performans açısından neredeyse çok daha maliyetli VRAM kadar verimliydi.

Patlama EDO DRAM

EDO DRAM'in bir evrimi olan burst EDO DRAM (BEDO DRAM), bir çoğuşmada dört bellek adresini maksimum 5-1-1-1 için işleyebilir ve optimum şekilde tasarlanmış EDO belleğine ek üç saat tasarrufu sağlar. Bir sonraki adresi takip etmek için çip üzerine bir adres sayacı eklenerek yapıldı. BEDO ayrıca sayfa erişim döngüsünün iki parçaya bölünmesine izin veren bir ardışık düzen aşaması ekledi. Bir bellek okuma işlemi sırasında, ilk kısım, bellek dizisinden çıkış aşamasına (ikinci mandal) verilere erişti. İkinci kısım, veri yolunu bu mandaldan uygun mantık seviyesinde sürdü. Veriler zaten çıktı arabelleğinde olduğundan, geleneksel EDO'ya göre daha hızlı erişim süresi elde edilir (büyük veri blokları için %50'ye kadar).

BEDO DRAM, EDO'ya göre ek optimizasyon gösterse de, piyasaya sürüldüğü zaman, piyasa senkron DRAM'a veya SDRAM'e [1] önemli bir yatırım yapmıştı . BEDO RAM bazı yönlerden SDRAM'den üstün olsa da, ikinci teknoloji hızla BEDO'nun yerini aldı.

Senkronize dinamik RAM

Senkronize dinamik RAM (SDRAM), bir saat (ve bir saat etkinleştirme) satırı ekleyerek asenkron bellek arayüzünü önemli ölçüde revize eder. Diğer tüm sinyaller saatin yükselen kenarında alınır.

RAS ve CAS girişleri artık çakar olarak hareket edebilir, ama / WE, 3-bitlik komut bir parçası ile birlikte, bunun yerine şunlardır:

SDRAM Komut özeti
CS RAS CAS BİZ Adres Emretmek
H x x x x Komut engelleme (işlem yok)
L H H H x İşlem yok
L H H L x Burst Terminate: sürmekte olan bir okuma veya yazma patlamasını durdurun.
L H L H Kolon Şu anda etkin olan satırdan oku.
L H L L Kolon Şu anda aktif olan satıra yaz.
L L H H Sıra Okuma ve yazma için bir satırı etkinleştirin.
L L H L x Geçerli satırı ön şarj edin (devre dışı bırakın).
L L L H x Otomatik yenileme: dahili bir sayaç kullanarak her bankanın bir satırını yenileyin.
L L L L mod Yükleme modu kaydı: adres veri yolu DRAM çalışma modunu belirtir.

OE hattı işlevi başına bir bayt "DQM" sinyali, genişletilmiş olan kontrol veri giriş veri çıkışı (okuma) ek olarak (yazma). Bu, DRAM yongalarının 8 bitten daha geniş olmasına ve yine de bayt ayrıntı düzeyinde yazmaları desteklemesine olanak tanır.

Birçok zamanlama parametresi DRAM kontrolörünün kontrolü altında kalır. Örneğin, etkinleştirilen bir satır ile bir okuma veya yazma komutu arasında minimum bir süre geçmelidir. Önemli bir parametre, SDRAM yongasının kendisine programlanmalıdır, yani CAS gecikmesi . Bu, bir okuma komutu ile veri yolunda görünen ilk veri kelimesi arasındaki dahili işlemler için izin verilen saat döngüsü sayısıdır. Bu değeri SDRAM çipine aktarmak için "Load mode register" komutu kullanılır. Diğer yapılandırılabilir parametreler, okuma ve yazma çoğuşmalarının uzunluğunu, yani okuma veya yazma komutu başına aktarılan kelime sayısını içerir.

En önemli değişiklik ve SDRAM'in asenkron RAM'in yerini almasının birincil nedeni, DRAM yongası içindeki çoklu dahili bankaların desteklenmesidir. Her komuta eşlik eden birkaç bit "banka adresi" kullanılarak, ikinci bir banka etkinleştirilebilir ve birinci bankadan bir okuma devam ederken verileri okumaya başlayabilir . Sıraları değiştirerek, bir SDRAM cihazı, asenkron DRAM'ın yapamayacağı şekilde veri yolunu sürekli olarak meşgul tutabilir.

Tek veri hızı senkronize DRAM

Tek veri hızı SDRAM (SDR SDRAM veya SDR), orijinal SDRAM neslidir; saat döngüsü başına tek bir veri aktarımı yaptı.

Çift veri hızı senkronize DRAM

Kalıp Samsung DDR-SDRAM 64MBit paketinin

Çift veri hızı SDRAM (DDR SDRAM veya DDR), 2000'den başlayarak PC belleğinde kullanılan SDRAM'ın daha sonraki bir gelişimiydi. Sonraki sürümler sıralı olarak numaralandırılır ( DDR2 , DDR3 , vb.). DDR SDRAM dahili olarak saat hızında çift genişlikli erişimler gerçekleştirir ve her saat kenarında bir yarımı aktarmak için çift ​​veri hızı arayüzü kullanır . DDR2 ve DDR3, bu faktörü sırasıyla 4× ve 8×'e yükselterek sırasıyla 2 ve 4 saat döngüsünde 4 kelimelik ve 8 kelimelik patlamalar sağladı. Dahili erişim hızı çoğunlukla değişmez (DDR-400, DDR2-800 ve DDR3-1600 bellek için saniyede 200 milyon), ancak her erişim daha fazla veri aktarır.

Doğrudan Rambus DRAM

Doğrudan RAMBUS DRAM ( DRDRAM ) Rambus tarafından geliştirilmiştir. İlk olarak 1999'da anakartlarda desteklendi, bir endüstri standardı haline gelmesi amaçlandı, ancak DDR SDRAM tarafından geride bırakıldı ve 2003 yılına kadar teknik olarak geçersiz hale geldi.

Azaltılmış Gecikme DRAM

Azaltılmış Gecikme DRAM (RLDRAM), hızlı, rastgele erişim ile yüksek bant genişliğini birleştiren yüksek performanslı çift veri hızlı (DDR) bir SDRAM'dir ve esas olarak ağ oluşturma ve önbelleğe alma uygulamaları için tasarlanmıştır.

Grafik RAM'i

Grafik RAM'leri, video kartlarında bulunan doku belleği ve çerçeve arabellekleri gibi grafikle ilgili görevler için tasarlanmış asenkron ve senkronize DRAM'lerdir .

Video DRAM'i

Video DRAM (VRAM), bir zamanlar bazı grafik bağdaştırıcılarında çerçeve arabelleğini depolamak için yaygın olarak kullanılan çift ​​bağlantı noktalı bir DRAM çeşididir .

Pencere DRAM'i

Window DRAM (WRAM), bir zamanlar Matrox Millennium ve ATI 3D Rage Pro gibi grafik adaptörlerinde kullanılan bir VRAM çeşididir . WRAM, VRAM'den daha iyi performans gösterecek ve daha düşük maliyetli olacak şekilde tasarlanmıştır. WRAM, VRAM'den %25'e kadar daha fazla bant genişliği sundu ve metin çizimi ve blok doldurma gibi yaygın olarak kullanılan grafik işlemlerini hızlandırdı.

Çok Bankalı DRAM

Multibank DRAM (MDRAM), MoSys tarafından geliştirilen bir tür özel DRAM'dir. Bu küçük inşa edilir bellek banka arasında 256 kB bir çalıştırılır, araya sokulmuş gibi belleklere daha düşük bir maliyetle grafik kartları için uygun bant genişliği sunan bir şekilde SRAM . MDRAM ayrıca, erişimlerin bağımsız olması durumunda birden çok eşzamanlı erişimin gerçekleşmesine izin vererek, tek bir saat döngüsünde iki bankanın çalışmasına izin verir. MDRAM, öncelikle Tseng Labs ET6x00 yonga setlerine sahip olanlar gibi grafik kartlarında kullanıldı . Bu yonga setini temel alan kartlar, MDRAM'in bu tür kapasitelerle daha kolay uygulanabilmesi nedeniyle genellikle olağandışı 2.25 MB kapasiteye sahipti . 2,25 MB MDRAM'li bir grafik kartı , o zamanlar çok popüler bir ayar olan 1024×768 çözünürlükte 24 bit renk sağlamak için yeterli belleğe sahipti.

Senkron grafik RAM'i

Eşzamanlı grafik RAM'i (SGRAM), grafik bağdaştırıcıları için özel bir SDRAM biçimidir. Bit maskeleme (diğerlerini etkilemeden belirli bir bit düzlemine yazma) ve blok yazma (bir bellek bloğunu tek bir renkle doldurma) gibi işlevler ekler . VRAM ve WRAM'den farklı olarak, SGRAM tek bağlantı noktalıdır. Ancak, aynı anda iki bellek sayfası açabilir, bu da diğer video RAM teknolojilerinin çift bağlantı noktalı yapısını simüle eder.

Grafik çift veri hızı SDRAM

512 MBit Qimonda GDDR3 SDRAM paketi
Samsung GDDR3 256MBit paketinin içinde

Grafik çift veri hızı SDRAM, grafik işleme birimlerinin (GPU'lar) ana belleği olarak kullanılmak üzere tasarlanmış özel bir DDR SDRAM türüdür . GDDR SDRAM, bazı temel teknolojileri paylaşsalar da, DDR3 gibi ticari DDR SDRAM türlerinden farklıdır. Birincil özellikleri, GPU'lar için daha fazla bellek bant genişliği sağlayan hem DRAM çekirdeği hem de G/Ç arabirimi için daha yüksek saat frekanslarıdır. 2020 itibariyle, yedi ardışık GDDR nesli vardır: GDDR2 , GDDR3 , GDDR4 , GDDR5 , GDDR5X , GDDR6 ve GDDR6X .

psödostatik RAM

Toshiba tarafından yapılan 1 Mbit yüksek hızlı CMOS sözde statik RAM

Sözde statik RAM (PSRAM veya PSDRAM), statik RAM'e (SRAM) benzer şekilde davranmasını sağlamak için yerleşik yenileme ve adres kontrol devresine sahip dinamik RAM'dir. Yüksek DRAM yoğunluğunu gerçek SRAM'ın kullanım kolaylığı ile birleştirir. PSRAM (tarafından yapılan Numonyx ) Apple iPhone ve böyle XFlar Platformu gibi diğer gömülü sistemlerde kullanılır.

Bazı DRAM bileşenlerinin "kendi kendini yenileme modu" vardır. Bu, sözde statik işlem için gerekli olan mantığın çoğunu içerse de, bu mod genellikle bekleme moduna eşdeğerdir. PSRAM'de olduğu gibi ayrı bir DRAM denetleyicisi olmadan çalışmaya izin vermek yerine, öncelikle bir sistemin DRAM'de depolanan verileri kaybetmeden güç tasarrufu yapmak için DRAM denetleyicisinin çalışmasını askıya almasına izin vermek için sağlanmıştır.

Bir gömülü PSRAM varyantı adı altında MoSys tarafından satılan 1T-SRAM . SRAM gibi davranmasını sağlamak için önünde bir SRAM önbelleği bulunan bir dizi küçük DRAM bankasıdır. Bu kullanılan Nintendo GameCube ve Wii video oyun konsolları.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar