PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE



PAMIĘCI W SYSTEMACH MIKROPROCESOROWYCH

PAMIĘCI W SYSTEMACH MIKROPROCESOROWYCH

System mikroprocesorowy – samodzielny układ mikroprocesora, współpracujących

System mikroprocesorowy – samodzielny układ mikroprocesora, współpracujących

z nim pamięci

z nim pamięci

oraz urządzeń wejścia-wyjścia.

oraz urządzeń wejścia-wyjścia.

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

Pamięci półprzewodnikowe - klasyfikacja

Pamięci półprzewodnikowe - klasyfikacja

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

Schemat funkcjonalny modułu pamięci ROM

Schemat funkcjonalny modułu pamięci RAM

 Charakterystyka ogólna

Podstawowe parametry pamięci :



pojemność



organizacja



czas dostępu – czas od podania adresu na wejście A do chwili pojawienia się na wyjściu danych z komórki

pamięci o
podanym adresie

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

 Pamięć ROM



sterowanie linii – po

zaadresowaniu komórki
stan komórki przenoszony
jest na linię bitu (BL)



multiplekser – wybieranie

linii bitu.

 



 komórki diodowe – mała

szybkość, na linii bitu
tworzą wielowejściową
bramkę logiczną OR.



 komórki z tranzystorem

bipolarnym – szybsze,
tranzystor szybko ładuje C

L



komórki z tranzystorem

MOS – szybkie
rozładowanie C

L

, na linii

bitu tworzą bramkę
logiczną NOR



Komórki pamięci ROM :

Komórka diodowa Komórka
Komórka

z tranzystorem

bipolarnym z tranzystorem MOS

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

e

– sygnał zezwolenia EN;

E – Enable wejście sygnału e.

Np.:

EN = 1 – zezwolenie

EN = 0 – stan spoczynku pamięci,

obniżona moc

Sygnały selekcjonujące (zezwalające) :

S – słowo sterujące

S = A – EN ;

A – adres

CE – Chip Enable

CS – Chip Select

Pojemność pamięci :

N  w
N = 2

n

– liczba słów

w – liczba bitów w słowie wyjściowym



Schemat ogólny pamięci ROM

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE



Budowa pamięci MOS ROM

Zalety :



niska cena przy dużej liczbie egzemplarzy



duże pojemności



zachowuje informacje po odłączeniu

zasilania



mały pobór mocy



proste układy aplikacyjne

Wady :



brak możliwości modyfikacji zawartości



wysoki koszt opracowania pamięci o nowej

zawartości informacji

Zastosowanie :



do przechowywania oprogramowania

standardowego



generatory znaków

Odczyt pamięci :



wybór odpowiedniego wiersza



gdy na przecięciu wiersza i kolumny

znajduje się tranzystor następuje
obniżenie napięcia na linii bitu (kolumny)



inaczej napięcie linii bitu w zakresie

napięć stanu wysokiego



zdekodowanie adresów kolumn



dane na wyjściach pamięci

Programowanie pamięci :



wprowadzenie odpowiednich masek podczas
procesu

technologicznego



selektywne wytwarzanie tranzystorów MOS

(wytworzenie i przyłączenie bramki

tranzystora do

odpowiedniej linii wiersza w matrycy)



proces jednorazowy i nieodwracalny

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

Programowanie



w sposób trwały przez użytkownika



pamięć „czysta” - 0 lub 1 w każdej komórce



selektywne przepalanie połączeń emiter – linia

bitów

Proces programowania (przykład) :



stan pierwotny – wszystkie połączenia s

istnieją



pamięć zapełniona zerami



programowanie – ustalenie adresu



napięcie U

CC

= 5V podnoszone do 12V



odcięcie tranzystorów wyjściowych



przepalanie połączeń s 

Wady :



bardzo ograniczone możliwości

modyfikacji
wprowadzonej informacji



duży pobór mocy



małe pojemności



Pamięć PROM 

Zalety :



łatwość wprowadzania informacji przez użytkownika



duża szybkość



zachowanie informacji po odłączeniu zasilania



proste układy aplikacyjne

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

Symbol elektryczny



magazynowanie ładunku w podbramkowej warstwie dielektrycznej



struktury dielektryczne: azotek krzemu (MNOS), tlenek aluminium (MAOS), poli-Si (FAMOS – Floating

Avalanche-Injested)

– struktura swobodnej bramki

Proces programowania :



ustalenie wystarczająco dużego napięcia

sterującego na

bramce sterującej i drenie



elektrony w obszarze zubożonym przyśpieszane są

w kierunku

największego natężenia pola



przy natężeniu pola >10

5

V/cm elektrony zyskują

dużą energię



komórka zaprogramowana, stan 0 oznacza nie

przewodzenie czyli napięcie bramki sterującej jest
za małe



Pamięć EPROM (MOS, HMOS, CMOS)

Programowanie komórki

EPROM

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

Proces kasowania :



kasowanie komórki, kasowanie całej pamięci EPROM



naświetlenie kostki układowej ze źródła promieniowania nadfioletowego o długości 2537A (4.9

eV)



fotony absorbowane są przez elektrony w swobodnej bramce



zwiększenie energii elektronów (opuszczenie bramki) powoduje wchłonięcie ich przez bramkę

sterującą lub

podłoże



wzbudzenie elektronów z pasma walencyjnego wymaga energii większej od 4.3 eV , a z pasma

przewodnictwa tylko

3.2 eV.

Parametry kasowania :



wymagana dawka promieniowania nadfioletowego 15 - 25 Ws/cm

3



czas naświetlenia zwykle 15  45 minut



nadmierna dawka = zmniejszenie trwałości i niezawodności pamięci



sztuczne światło = skasowanie pamięci po 1  3 latach



światło słoneczne = skasowanie już po około 7 dniach



układy 2716 firmy Intel – ulotność w czasie 10 lat

Kasowanie komórki EPROM

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

Izolowana warstwa azotku krzemu :



przechowywanie ładunku

elektrycznego



ładowanie inicjowane poprzez efekt

tunelowy

Sposoby realizacji komórek :



MNOS ze strukturą: cztero, dwu i pseudojednotranzystorową



Pamięć EEPROM (MOS, HMOS)



pamięci te powstały w wyniku modyfikacji

komórki pamięci

UV - EPROM



pamięć o zawartości zmienianej elektrycznie



wygodniejsza w użyciu niż pamięć o zawartości

kasowanej

nadfioletem

Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa
procesu Fowlera-Nordeheima



nachylenie: 1 dekada / 0,8V



dla 11 rzędów różnicy pomiędzy I programowania

i
ulotności, różnica napięć ΔU  8,8V =

nieulotność ok. 10 lat
(125

0

C)

Wykorzystywane
jako element
pamięciowy

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

Pamięć EEPROM (MOS,HMOS)



Struktura FLOTOX stosowana w pamięciach EEPROM

Proces zapisu danych

Zapis :



poprzedzony kasowaniem

zawartości

komórek (wprowadzenie w

stan

naładowania komórek, do

których

informacja jest wpisywana)

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

Kasowanie danych



zapis bajtu zawierającego

same

jedynki wymaga dwóch

kolejnych

zapisów :
 zapisu bajtu jedynkowego

 selektywnego wpisu zer

Odczyt danych



przy podaniu napięcia +5V na linię programowania i linię słowa komórka jest w stanie nie

przewodzenia, a

komórka rozładowana przewodzi



odczyt nie pogarsza żywotności pamięci EEPROM, nie wymaga stosowania wysokich napięć

na końcówkach

tranzystorów pamiętających

Zalety :



możliwość wprowadzania i modyfikacji

informacji

w układzie aplikacyjnym



mały pobór mocy



zachowanie informacji po odłączeniu

zasilania

Wady :



wysoka cena



dość długi czas zapisu

informacji



średnia pojemność

Pamięć EEPROM (MOS,HMOS)

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE



FLASH EEPROM (MOS, HMOS)

– pamięć kasowalna elektrycznie

Rodzaje pamięci FLASH :



NOR

 wiele tranzystorów połączonych drenami do wspólnych

linii bitu

 prosty odczyt, polegający na zaadresowaniu jednej

linii słowa WL

oraz odczycie stanów na liniach bitu BL



NAND

 prosta budowa

 czas dostępu przy odczycie znacznie dłuższy

 wszystkie niezaadresowane komórki łańcucha

są w stanie przewodzenia

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

Wady :



dość wysoki koszt



mniejsza pojemność w porównaniu

z dyskami twardymi

Zalety :



szybsze kasowanie, większy stopień integracji



mała powierzchnia komórki (porównywalna z komórkami

FAMOS)



większa niezawodność na wielokrotne kasowanie/zapis

niż EEPROM



tańsze niż EEPROM (ok. 5-krotnie)

Programowanie (wpis zera) :



wstrzykiwanie gorących elektronów (jak w

EPROM)

Kasowanie (wpis jedynki) :



wykonywane w procesie tunelowym Fowlera-Nordheima poprzez uziemienie bramki sterującej i

przyłączenie źródła do

podwyższonego napięcia dodatniego

Pamięć FLASH EEPROM (MOS, HMOS)

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

 Pamięć

RAM



Linie bitu – realizacja dostępu do

kolumny

matrycy



Matryca pamięciowa – zespół komórek

pamięciowych



Adresowanie wierszy i kolumn w

matrycy w kodzie „1 z N”



Linie słowa – realizacja dostępu do

wiersza

matrycy



Układ sterujący – wybór trybu pracy

(zapis / odczyt)



RAS

– Row Address Select



CAS

– Kolumn Address Select



WE

– Write Enable (tryb pracy zapis /

odczyt

danych)



Wzmacniacze odczytu – odczyt danych

z

komórek matrycy



Budowa układu pamięci półprzewodnikowej RAM :

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE



Pamięć S–RAM (MOS)



dostęp do komórki –

uaktywnienie

linii słowa (wybranie wiersza) i

linii

bitu (wybór kolumny)



zapis danych – wymuszenie

odpowiedniego stanu na

liniach

bitu



odczyt danych –

uaktywnienie

wzmacniacza odczytu przy
nieaktywnych wyjściach
wzmacniaczy zapisu

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

T1, T2

– przerzutnik

SR

‘1’ – T1

– przewodzi

T2

– zatkany

‘0’ – T1

– zatkany

T2

– przewodzi



wybór linii słowa – złącza

emiterów linii słowa
spolaryzowane zaporowo



zaporowa polaryzacja

emiterów linii bitów –
odcięcie komórki
od linii bitów



przepływ prądu przez

emiter linii bitów R

3

do U

EE

–

możliwość odczytu komórki



przepływ prądu do linii

słowa



Pamięć S–RAM (Bi)

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

Pamięć S–RAM (Bi)

Budowa komórek bipolarnych w nowoczesnych pamięciach bipolarnych RAM :

schemat komórki z diodami

Schottky’ego

schemat struktury scalonej

schemat komórki z tranzystorami pnp i npn

schemat struktury scalonej

Właściwości :



minimalna powierzchnia, prosta struktura



zmniejszenie mocy strat w stanie nieaktywnym



diody Schottky’ego – duża rezystancja obciążenia w stanie nieaktywnym i mała w stanie aktywnym

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE



Pamięć S-RAM (Bi-CMOS)

Budowa pamięci statycznej RAM 64x1

Sposób scalania tranzystorów bipolarnych npn i
tranzystorów CMOS

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE



Pamięć S-RAM – charakterystyka ogólna

Definicja czasu dostępu do pamięci

Cykl odczytu pamięci statycznej

t

rc

– długość cyklu odczytywania

t

a

– czas dostępu mierzony od ustalenia adresu

t

oh

– czas przetrzymania danych po zmianie adresu

t

ace

– czas dostępu mierzony od opadającego zbocza

sygnału CE

t

clz

– opóźnienie otwarcia bramek wyjściowych na liniach

danych po

opadającym zboczu sygnału CE
t

chz

– opóźnienie zamknięcia bramek wyjściowych na

liniach danych

po narastającym zboczu sygnału CE
t

pu

– czas narastania prądu zasilania

t

pd

– czas opadania prądu zasilania

Wady :



wymaga ciągłego zasilania

dla zachowania informacji



wysoka cena

Zalety :



bardzo łatwe i szybkie

zapisywanie informacji



duża szybkość działania



proste układy aplikacyjne



dość duże pojemności

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE



Pamięć D-RAM

Odświeżanie pamięci:



co 2 – 4 ms powtórny

zapis każdej komórki



przeplatanie cykli

zapis / odczyt

WE

– Write Enable

(tryb
pracy zapis /
odczyt
danych)

CAS

– Column Addreess

Select

RAS

– Row Addreess

Select

Schemat struktury pamięci dynamicznej

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE



1 metoda

 cała pamięć odświeżana co ~2ms

 blokowanie dostępu do mikroprocesora na

kilkadziesiąt s

 uniemożliwienie szybkiej reakcji na przerwania



2 metoda

 przeplatanie cykli zapis / odczyt z mikroprocesora z cyklami odświeżania

kolejnych wierszy
 kolejne cykle odświeżania inicjowane co kilkanaście s

 po zakończeniu cyklu stan licznika wierszy zwiększany o 1



Układ

arbitrażu

–

rozstrzyga
konflikt
jednoczesnego
żądania
dostępu
do P i układu

odświeżania
pamięci

Odświeżanie pamięci D-RAM :

Sterowanie pamięci dynamicznej

Pamięć D – RAM

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE



Pamięć D-RAM (MOS, CMOS)

Dynamiczna komórka pamięciowa

Skład elektryczny

Właściwości :



niewielka powierzchnia



komórka składa się z 2 elementów: tranzystora i

mikrokondensatora



efektywność odczytu informacji



minimalne koszty produkcji

Pamiętanie bitu :



1, 0 – stany naładowania i neutralny



0 – stan trwały



1 – stan nietrwały (konieczność odświeżania co kilka ms)

Tendencje rozwojowe :



zmniejszenie powierzchni komórki, strat mocy



wzrost pojemności = wzrost współczynnika podziału ładunku

Struktura Dennarda

Struktura

Kosonocky’ego

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

Schemat blokowy (Intel 2400)



Pamięć NVRAM (HMOS)

Komórka pamięci ulotnej S-RAM

Komórka nieulotnej pamięci EEPROM



Struktura SRAM

 każda komórka (przerzutnik SR) jest równolegle połączona z komórką pamięci EEPROM



Właściwości



nieulotność informacji przy krótszym czasie zapisu niż w przypadku pamięci EEPROM

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

Współczesne technologie pamięci NVRAM :



FRAM - nośnikiem danych jest kryształ (konstrukcja prototypowa)



MEMS - pamięć mikroelektromechaniczna (konstrukcja eksperymentalna)



MRAM - nośnikiem danych są magnetyczne złącza tunelowe (konstrukcja prototypowa)



NRAM - pamięć zbudowana z węglowych nanorurek (konstrukcja eksperymentalna)



PRAM - elementem pamięciowym jest kryształ (konstrukcja prototypowa)

FRAM (FeRAM, Ferroelectric RAM) – pamięć nieulotna oparta na nośniku krystalicznym - kryształach stopu cyrkonianu
i tytanianu ołowiu (perowskitu). Kryształy te zawierają wewnątrz siatki atomy o dwóch stabilnych pozycjach.

Właściwości :



przyłożenie napięcia o odpowiedniej polaryzacji wymusza zmianę pozycji atomu



odczyt polega na pomiarze pochłanianej energii po kolejnym przyłożeniu napięcia – wiąże się to z

koniecznością
regeneracji zapisu w komórce.

Zalety :



mały pobór energii



stosunkowo duża trwałość (10¹² cykli)



stosunkowo duża szybkość

Wady :



duży rozmiar komórki



kłopotliwe odświeżanie



mała kompatybilność z technologia CMOS

Zastosowanie :



używane jako wbudowane elementy produktów półprzewodnikowych w platformie telefonów

komórkowych OMAP

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

MEMS (ang. "Micro Electro-Mechanical Systems") – popularne określenie miniaturowych urządzeń elektro
– mechanicznych,
o rząd wielkości większych niż te zbudowane przy użyciu nanotechnologii

Przyrządy MEMS :



to elementy mikromechaniczne o wymiarach mikrometrowych zawierające trójwymiarowe

mikrostruktury wykonane
często metodami litografii



są zazwyczaj wykonane za pomocą technologii mikroelektroniki, podobnych do wykorzystywanych

przy wytwarzaniu
przyrządów półprzewodnikowych i układów scalonych



wytwarzane są za pomocą zmodyfikowanych technologii obróbki krzemu, wytłaczania (ang.

molding), platerowania (ang.
plating) i innych technologii przydatnych do tworzenia miniaturowych przyrządów

MRAM – rodzaj pamięci nieulotnej RAM wykorzystującej tunelowy efekt magnetorezystancyjny

Właściwości :



element pamięciowy zbudowany jest z trzech warstw : miękkiej warstwy ferromagnetycznej,

niemagnetycznej bariery
tunelowej i twardej warstwy ferromagnetycznej, oraz z oplotu przewodnika



zapis polega na przemagnesowaniu miękkiego materiału magnetycznego przez płynący prąd, co

powoduje zmianę
rezystancji złącza



odczytu dokonuje się mierząc rezystancję

Zalety :



praktycznie nieograniczony czas przechowywania informacji bez zasilania



praktycznie nieograniczona ilość cykli zapis / odczyt



duża szybkość działania – czas zapisu ok. 30 ns (porównywalny z DRAM)

Wady :



niezgodność z technologią CMOS



stosunkowo wysokie koszty produkcji



stosunkowo duże rozmiary elementarnej komórki pamięci

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

NRAM – układy wykorzystujące węglowe nanorurki o średnicy wynoszącej miliardową część metra

Właściwości :



technologia produkcji odbywa się z wykorzystaniem fotolitografii



proces przebiega w sposób bardzo zbliżony do produkcji zwykłych układów pamięci



nośnikiem danych są nanorurki, a precyzyjniej – ich zmienne ustawienie

Zalety :



duża szybkość, mały pobór mocy



niskie koszty produkcji, właściwe układom DRAM z zaletami chipów flash



stosunkowo łatwy odczyt danych



duża wytrzymałość nanorurek = ok. biliona cykli zapisu

Zastosowanie :



mogą zastąpić nie tylko pamięci DRAM i flash, ale także np. dyski twarde

PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE

PRAM (PCRAM – Phase Change RAM) – typ pamięci nieulotnej opartej na nośniku krystalicznym

Właściwości :



wykorzystują zjawisko zmiany fazy punktów nośnika z krystalicznej na amorficzną (i odwrotnie) za

pomocą podgrzewania
impulsami elektrycznymi



odczyt dokonywany jest przez pomiar rezystancji nośnika (różna dla różnych faz)



nośnikiem jest stop tellurku antymonu i tellurku galu, podobny do stosowanego w płytach CD-RW

Zalety :



możliwość zapisu w jednej komórce więcej niż 1 bitu informacji



stosunkowo duża szybkość zapisu i odczytu – ok. 300 ns



stosunkowo duża trwałość – 1012 cykl



długi czas przechowywania informacji



stosunkowo prosta produkcja przy zastosowaniu istniejącego sprzętu



bezpośrednia zamienność z pamięciami typu Flash EEPROM

Wady :



na obecnym etapie wysoki koszt produkcji



wysokie temperatury występujące podczas zapisu mogą pogorszyć niezawodność w rzeczywistych

układach



ciągle zbyt mała prędkość zapisu i trwałość

Zastosowanie :



przeznaczone w miejsce obecnych pamięci RAM