Joanna Fryca Elbląg 27.03.03

Joanna Ciszewska

IIS rokII PWSZ Elbląg

Sprzęt komputerowy- referat

Temat: Budowa komórki i matrycy pamięci

1.Pamiec RAM :

  Procesor jest sercem komputera, w którym są przetwarzane dane i wykonywane rozkazy. Z procesorem zintegrowany jest system pamięci operacyjnej komputera czyli RAM (Random Access Memory). Procesor i pamięć tworzą jądro komputera. Procesor używa pamięci jako miejsca przechowywania danych, wyników obliczeń i rozkazów. Aby zapisać lub odczytać dane z pamięci, procesor podaje adres odpowiedniego w niej miejsca. Magistrala adresowa umożliwia procesorowi przesłanie adresu do pamięci RAM, zaś magistrala danych umożliwia przesłanie samych danych do lub z procesora. "Magistrala" oznacza połączenie między dwoma urządzeniami, które dzięki niemu mogą wymieniać informacje. Bardzo ważnym parametrem określającym wydajność systemu pamięci jest jej czas dostępu. Dla przyśpieszenia działania procesor korzysta z pamięci podręcznej - cache memory.

Pamięć RAM jest pamięcią ulotną, co oznacza, iż po wyłączeniu komputera informacja w niej zawarta jest tracona. Procesor za pomocą swojej 32-bitowej szyny adresowej może obsługiwać pamięć o pojemności 4GB.
Wielkość pamięci RAM którą można zainstalować w komputerze IBM PC jest uzależniona od szerokości magistrali adresowej. 

1. Pierwsze pamieci operacyjne:

Pierwsze komputery IBM PC z procesorem 8086/88 (popularne XT) narzuciły pewien podział pamięci, kontynuowany w następnych generacjach komputerów. Całkowity obszar 1MB RAM dostępny dla procesora 8086 został podzielony, przez konstruktorów na IBM, na dwa obszary. Pierwszy z nich (0 - 640 KB) nazwany został pamięcią konwencjonalną, drugi (640 - 1 MB) to pamięć górna.

1.2 Obszary pamięci:

Początkowy obszar pamięci konwencjonalnej używany jest przez sprzęt i system operacyjny do przechowywania wektorów przerwań sprzętowych, danych BIOSU-u, obszarów buforów i uchwytów plików DOS, a w dalszej kolejności ewentualnych programów obsługi (tzw. Driverów) dodatkowych urządzeń ( np. myszy, klawiatury, itd.), plików systemowych (lo.sys i MsDOS.sys) oraz pierwszej kopii pliku Command.com.
Obszar ten może mieć różną wielkość, w zależności od konfiguracji systemu, zainstalowanych Driverów i wersji systemu operacyjnego. Zwykle zajmuje to do 300 KB. Pozostała przestrzeń do granicy 640 KB może być użyta przez aplikacje.
Pamięć górna (Upper Memory) zajmuje obszar do adresu A0000 do FFFFF (640 KB - 1 MB) niedostępny do oprogramowania użytkownika. Obszar ten (384 KB) podzielony jest na kilka części o ściele ustalonym przeznaczeniu:
Obszar A0000 - BFFFF (128 KB) przeznaczony jest dla pamięci ekranu. Końcowa część obszaru Upper Memory przeznaczona jest na ROM BIOS. W zależności od typu monitora i karty graficznej oraz wielkości obszaru zarezerwowanego na BIOS pozostaje nie wykorzystany obszar tej pamięci ok.160 -230 KB.

Pamięć rozszerzona (Extended Memory): Procesory 286 i nowsze posiadają ponad 20 bitową magistralę adresową umożliwiającą bezpośrednie adresowanie pamięci RAM powyżej 1 MB. Obszar ten może być wykorzystywany do dowolnych celów za wyjątkiem uruchamiana procesów, gdyż te ze względu na nieciągłość obszaru pamięci mogą być aktywne jedynie w obszarze pamięci konwencjonalnej. Wiąże się to właściwością systemu DOS, który może pracować tylko w trybie rzeczywistym. Lepsze wykorzystanie dają systemy operacyjne pracujące w trybie chronionym, takie jak Windows.

2.Komórka i matryca pamięci:

Rysunek 1 Ogólny symbol pamięci:

Odwolanie do komórki pamięci zachodzi poprzez dwa rejestry: A i S. Rejestr A jest rejestrem adresowym, polaczonym z magistrala adresowa komputera. Do rejestru tego wpisywany jest sygnalem impulsowym wea adres komorki, ktora ma zostac obsluzona.
Rejestr S przechowuje dana, ktora ma zostac zapisana lub odczytana z adresu znajdujacego sie w rejestrze A. Sygnaly sterujace to: wes. wprowadzajacy slowo maszynowe z magistrali do rejestru i wys, wyprowadzajacy je na magistrale. Sygnalami okreslajacymi rodzaj operacji przeprowadzanej na komorce o adresie w A sa pisz i czyt.

2.1.Komórka pamięci:

Na pamiec skladaja sie punkty pamieci (są to miejsce przechowywania danych jednobitowych) . Uporzadkowany zbior punktow pamieci tworzy komorkę pamięci zawierajaca slowo maszynowe.

Rysunek 2 Punkt pamięci: Znajduje sie tu linia bitu zapisu i odczytu oraz linie adresowe. Zespol takich punktow stanowi pamiec polprzewodnikowa o organizacji n*8.

2.2. Macierz pamieci:

Pamięć RAM fizycznie występuje w postaci układów scalonych (chipów). Każdy taki chip składa się z układów zwanych przerzutnikami, zazwyczaj są to przerzutniki bistabilne (flip-flop) typu D. Charakteryzują się one tym iż posiadają dwa stany równowagi trwałej, a więc mogą przechowywać jeden bit informacji (przyjmujący wartości 0 lub 1). Przerzutniki układane są w matrycę, dzięki czemu zapewniony jest swobodny dostęp do pamięci:

                                 

Specjalny układ zwany dekoderem adresu przekształca napływające adresy tak aby móc dokonać odczytu z matrycy. Sama matryca działa w ten sposób iż na żądaną linię słowa podajemy napięcie, po czym możemy pobrać/zapisać wartości na linii bitów. Pamiętać należy iż architektura komputerów PC uniemożliwia nam programowy odczyt pojedynczego bitu. Najmniejszą jednostką którą możemy odczytać jest bajt (8 bitów).

Nieco innym sposobem jest adresowanie przy użyciu tzw. matrycy 3D.Pamięć organizuje się tutaj dzieląc dostępne elementy na wiersze i kolumny. Dostęp do pojedynczego elementu pamiętającego można uzyskać po zaadresowaniu odpowiedniego wiersza i kolumny. Dlatego też komórka RAM obok wejścia i wyjścia musi dysponować jeszcze dwoma sygnałami wybierania, odpowiednio z dekodera kolumn i wierszy.Zaletą pamięci adresowanej liniowo jest prosty i szybszy dostęp do poszczególnych bitów niż w przypadku pamięci stronicowanej (3D), lecz niestety, przy takiej organizacji budowanie większych modułów RAM jest kłopotliwe. Dlatego też w przemyśle stosuje się zazwyczaj układy pamięci zorganizowanej w matrycę 3D, pozwala to na nieskomplikowane tworzenie większych modułów o jednolitym sposobie adresowania.W komputerach PC procesor uzyskuje dostęp do danych zawartych w pamięci DRAM w pakietach o długości 4-bitów (z pojedynczego rzędu), które przesyłane są sekwencyjnie lub naprzemiennie (tzw. przeplot - interleave). Optymalną wydajność można osiągnąć wtedy, gdy procesor otrzymuje dane równocześnie z taktem systemowego zegara. Jednak przy obecnie stosowanej częstotliwości taktowania magistrali wymaganiom tym nie jest w stanie sprostać nawet bardzo szybka pamięć cache drugiego poziomu. Pomimo tego, że ostatnie trzy bity dostarczane są wraz z taktem zegara, to konieczność odpowiedniego przygotowania transmisji sprawia, że przed pierwszym bitem "wstawiony" zostaje jeden cykl oczekiwania. Taki sposób transferu danych można oznaczyć jako cykl 2-1-1-1.

 

3. Typy pamieci:

Ze względu na różną budowę i dostęp, wśród pamięci RAM wyróżniamy poszczególne typy.

3.1. Podział ze względu na budowę

SRAM - (Static RAM), pamięć statyczna wykonana w oparciu o tranzystory bipolarne. Cechuje ją bardzo krótki czas dostępu do poszczególnej komórki i nieulotność. Niestety, pamięci SRAM są drogie, dlatego też wykorzystuje się je głównie jako pamięci cache.

DRAM - (Dynamic RAM) pamięć dynamiczna wykonana w oparciu o tranzystory MOS. Pamięć ta jest wolniejsza niż pamięć SRAM a w dodatku jest ona ulotna. Aby pamięć ta nie utraciła danych trzeba ją odświeżać z częstotliwością co najmniej kilkaset Hz. Odświeżanie polega na zwykłym odczycie zawartości komórki.

SDRAM - (Synchronous Dynamic RAM) pamięć dynamiczna, synchroniczna. Nowsze płyty główne zbudowane na układach Intel Triton VX i TX oraz VIA 580VP i 590VP potrafią współpracować z taką pamięcią. Najważniejszą cechą tego nowego rodzaju pamięci jest możliwość pracy zgodnie z taktem zegara systemowego. Podobnie do układów BEDO, SDRAM-y mogą pracować w cyklu 5-1-1-1. Istotną różnicą jest natomiast możliwość bezpiecznej współpracy z magistralą systemową przy prędkości nawet 100 MHz (10 ns). Technologia synchronicznej pamięci DRAM bazuje na rozwiązaniach stosowanych w pamięciach dynamicznych, zastosowano tu jednak synchroniczne przesyłanie danych równocześnie z taktem zegara. Funkcjonalnie SDRAM przypomina typową DRAM, zawartość pamięci musi być odświeżana. Jednak znaczne udoskonalenia, takie jak wewnętrzny pipelining czy przeplot (interleaving) sprawiają, że ten rodzaj pamięci oferuje bardzo wysoką wydajność. Warto także wspomnieć o istnieniu programowalnego trybu burst, gdzie możliwa jest kontrola prędkości transferu danych oraz eliminacja cykli oczekiwania (wait states).

 

3.2. Podział ze względu na dostęp

FPM RAM - (Fast Page Mode RAM), pamięć ta zorganizowana jest w strony, przy czym najszybciej realizowany jest dostęp do kolejnych komórek w obrębie strony.Czas dostępu wynosi zazwyczaj 70 lub 60 ns. Układy te charakteryzują się niską - jak na dzisiejsze czasy - wydajnością, dane przesyłane są jako seria 5-3-3-3 w cyklach pracy procesora. Sposób dostępu do komórek, zorganizowanych jako matryca 3D, jest zdeterminowany przez sygnały RAS i CAS. Sygnał RAS (Row Access Signal) odpowiada za wybranie bieżącego wiersza (strony), a CAS (Column Access Signal) wyznacza odpowiednią kolumnę. Proces odczytu z pamięci FPM rozpoczyna się od wybrania odpowiedniego wiersz sygnałem RAS, po czym w celu zaadresowania kolumny następuje uaktywnienie sygnału CAS. Każdy cykl sygnału CAS zawiera wybranie adresu kolumny, oczekiwanie na dane, przekazanie danych do systemu i przygotowanie następnego cyklu. W czasie cyklu CAS, gdy sygnał CAS przyjmuje wysoki poziom, wyjścia danych są zablokowane. Jest to istotne z tego względu, że zmiana sygnału na wysoki może nastąpić tylko po zakończeniu przesyłania danych. Mówiąc prościej, przed wyznaczeniem następnej komórki czyli zaadresowania jej w danej kolumnie, musi zakończyć się operacja na danych. Ponieważ często jest tak, że przesyłamy w jeden region pamięci dane w większych porcjach, Fast Page Mode RAM potrafi nieco skrócić czas potrzebny na dostęp do informacji, gdy jej poszczególne bity znajdują się na tej samej stronie pamięci.


EDO RAM - (Extended Data Output RAM), jest to pamięć w przypadku której w czasie odczytu danej komórki, może zostać pobrany adres następnej.Są one standardem w świecie PC . Czas dostępu wynosi tutaj 70 i 60 ns. Coraz częściej spotyka się także układy pracujące z szybkością 50 ns, są one szczególnie popularne w nowszych kartach graficznych. Stosowanie tego rodzaju pamięci wymaga odpowiedniej płyty głównej; obecnie praktycznie wszystkie takie urządzenia bazują na chipsecie Intel Triton, który posiada wsparcie dla modułów EDO. Najważniejszą zaletą pamięci typu EDO jest zmniejszenie liczby cykli oczekiwania podczas operacji sekwencyjnego odczytu. W przypadku modułów bazujących na FPM, cykl dostępu do pamięci wynosił 5-3-3-3, natomiast EDO może pracować przesyłając dane w serii 5-2-2-2. Termin Extended Data Out określa sposób, w jaki dane są przesyłane z pamięci. W przypadku FPM przed wybraniem następnej komórki w kolumnie, musiała zakończyć się operacja na danych. Natomiast EDO umożliwia rozpoczęcie wyznaczania następnego adresu w czasie, gdy dane są jeszcze odczytywane z poprzedniego miejsca. Tak naprawdę jedyna modyfikacja, jaka była konieczna, żeby osiągnąć ten efekt to zmiana zachowania się pamięci na sygnał CAS. Gdy sygnał CAS przyjmuje stan wysoki, wyjścia nie są blokowane, a przesyłanie danych jest kontynuowane dopóki CAS nie przyjmie ponownie wartości niskiej.

BEDO RAM - (Burst EDO RAM), w przypadku tej pamięci zamiast jednego adresu pobierane są cztery, przy czym na magistralę wystawiany jest tylko pierwszy co znacznie zwiększa szybkość dostępu.BEDO RAM jest rozwinięciem pamięci EDO Zasadniczą zmianą w przypadku BEDO jest sposób, w jaki dane przesyłane są po wyznaczeniu adresu. Otóż dzięki temu, że BEDO posiada wewnętrzny licznik adresów, kontroler pamięci odwołuje się tylko do pierwszej komórki pamięci, a pozostałe bity przesyła samoczynnie układ logiki. Jest to tak zwane przesyłanie w trybie burst, co pozwala na cykl pracy 5-1-1-1. Moduły BEDO posiadają także inne modyfikacje wpływające na ich wydajność, np. skrócenie odstępu pomiędzy zboczami sygnału CAS oraz opóźnienia pomiędzy sygnałem RAS i CAS. Nie zrezygnowano także z rozwiązania stosowanego w pamięciach EDO. W czasie przesyłania ostatniego bitu w pakiecie (burst) danych, wysterowywany jest już kolejny adres. Obecnie znaczenie opisywanych układów pamięci znacznie zmalało, gdyż można je stosować tylko w przypadku płyt głównych z chipsetem VIA 580VP, 590VP, 680VP, które nie należą, przynajmniej u nas, do najczęściej spotykanych. Nie wydaje się także, aby ten rodzaj RAM-u stał się popularny w przyszłości, ponieważ po zwiększeniu częstotliwości magistrali powyżej 66MHz, BEDO nie może dostarczać danych w sekwencji 5-1-1-1.

Pamięć fizycznie występuje w postaci kości (układów scalonych), które mogą być całkowicie od siebie różne. Dlatego też powstały standardy konstrukcyjne, wymuszające łączenie kości w funkcjonalne moduły, które są zwyczajnymi płytkami drukowanymi z wlutowanymi chipami pamięci. Wraz z rozwojem komputerów i poszerzaniem szyny adresowej powstały różne typy modułów.

SIMM - (Single Inline Memory Module), moduł 32-stykowy, w którym szerokość szyny adresowej wynosi 8 bitów. Moduły te obecnie wykorzystywane są jedynie w niektórych kartach rozszerzających, gdyż płyty główne już dawno przestały je obsługiwać.

        

DIMM - (Dual Inline Memory Module) moduł 128-stykowy w którym szyna adresowa ma 64 bity. Jest to najnowszy standard konstrukcyjny wykorzystywanych w płytach z procesorem Pentium.

PS/2 - moduł 72-stykowy z 32-bitową szyną adresową. Jego nazwa powstała od rodziny komputerów PS/2, w których pierwotnie zainstalowano te moduły.

4. Pamięc ROM:

   Oprócz pamięci RAM w komputerze znajduje się całkiem inny rodzaj pamięci. Jest to pamięć ROM (Read Only Memory) zwaną EPROM . Pamięć ta jest pamięcią stała co oznacza że po wytłoczeniu komputera pamięć ta nie ginie. Przechowuje ona podstawowe testy diagnostyczne mikrokomputera (POST - Power On Self Test) oraz oprogramowanie obsługujące urządzenia wejscia/wyjscia, dołączone do mikrokomputera (tzw. BIOS). Umieszczona jest w podstawce, dzięki czemu istnieje możliwość zmiany jej pojemności. Oczywiście o fakcie zmiany pojemności pamięci EPROM, musi być powiadomiony system, poprzez zmianę położenia odpowiedniej zworki na płycie głównej. Pamięć możemy również programować za pomocą odpowiedniego programu zwanego SETUP.

5. Pamięć Cache:

   
  Ze względu na bardzo dużą szybkość działania współczesnych procesorów, w komputerach PC stosowana jest szybka pamięć podręczna (Cache Memory), służą do często używanych danych, stanowiąca bufor pomiędzy wolną dynamiczną pamięcią operacyjną, a szybkim procesorem.
    
 Wszystkie obecnie produkowane procesory wyposażone są w wewnętrzną pamięć Cache o pojemności kilkunastu, kilkudziesięciu kilobajtów. Pamięć ta oznaczana jest symbolem L1.
   
  Ponadto na płytach głównych umieszcza się tzw. pamięć zewnętrzną Cache (zwaną też L2). Do tego celu wykorzystuje się bardzo szybkie pamięci statyczne RAM (ang. Static RAM, SRAM) o niewielkiej pojemności (256K - 1M.) i o krótkim czasie dostępu (rzędu kilkunastu nanosekund).
     
Obecnie produkuje się specjalne, scalone kontrolery (Cache Controller, np. 82385 firmy Intel), które sterują pracą pamięci podręcznej. Działanie kontrolera pamięci podręcznej wyjaśnimy na przykładzie odczytu danych przez procesor z pamięci operacyjnej: żądanie odczytu danych przez procesor jest przechwytywane przez kontroler, który sprawdza czy dane, które procesor chce odczytać znajdują się w pamięci podręcznej. W sytuacji trafienia (ang. Cache Hit), kontroler przesyła te dane do procesora, bez konieczności czytania ich z wolnej pamięci operacyjnej, a tym samym, bez konieczności wprowadzania cykli niegotowości. W przypadku chybienia, kontroler odczytuje dane z pamięci operacyjnej, przesyła je do procesora oraz jednoczenie wpisuje je do pamięci podręcznej. Liczba trafień do całkowitej liczby odczytów jest większa niż 90%, co oznacza że ponad 90% odczytów jest dokonywanych z pamięci podręcznej, a tylko 10% ze znacznej wolniejszej pamięci głównej. Pozwala to wydatnie zwiększyć szybkość pracy komputera. Zapis danych przesyłanych z procesora do pamięci operacyjnej DRAM odbywa się z wykorzystaniem jednej z dwóch metod: metody Write Through (zapis równoczesny) i Write Back (zapis opóźniony).
     
Metoda Write Through polega na zapisie danych z procesora do pamięci Cache i jednoczesnym uaktualnieniu ich w pamięci głównej.
   
  Metoda Write Back polega na tym, iż kontroler Cache uaktualnia dane w pamięci głównej tylko w szczególnych przypadkach, np. gdy blok danych w pamięci Cache ma być skasowany.

6. Nowe technologie pamięci:

Dotychczas w wypozazżeniu komputera wystepowały trzy typy pzmięci - operacyjnej RAM (tracącą swą zawartość po wyłączeniu zasilania), stałą ROM i masową, służącą do przechowywania danych. Jednak prace nad nowymi technologiami pamięci nieulotnych mogą sprawić, że wkrótce wykorzystywany będzie tylko jeden rodzaj pamięci uniwersalnej.

Rosnąca popularność miniaturowych, przenośnych urządzeń cyfrowych i związane z tym perspektywy ogromnych zysków zainicjowały intensywne prace nad nowymi technologiami pamięci .Część z opracowanych rozwiazańma już swoje działające prototypy, a niektóre doczekały się nawet produkcji seryjnej.

6.1. CD-RW w kostkach

Budowa komórki OUM

Przejście fazowe w nośniku OUM

Jednym z najciekawszych rodzajów nowych pamięci nieulotnych jest OUM - Ovonic Unified Memory. Jak sugeruje nazwa, ma to być pamięć uniwersalna, pełniąca zarówno rolę przestrzeni roboczej, jak i składnicy danych. Parametry szybkościowe (czas zapisu komórki ok. 100 ns) nie pozwalają jej co prawda konkurować z DRAM w systemach o dużej wydajności, wystarczają jednak do użycia jej w sprzęcie przenośnym, szczególnie przy zastosowaniu niewielkich buforów cache (SRAM lub DRAM).

Pamięci OUM działają na zasadzie zbliżonej do wielokrotnie zapisywalnych dysków CD-RW. Badania nad tego rodzaju pamięciami rozpoczęto już w połowie lat pięćdziesiątych. Nośnikiem informacji jest specjalny stop (Ge, Sb, Te - german, antymon, tellur), kodowanie bitów polega na zmianie fazy punktów nośnika z krystalicznej (logiczna jedynka) na amorficzną (logiczne zero) i odwrotnie. Różnica między CD-RW a OUM polega jednak nie tylko na braku elementów ruchomych - zmiana fazy wymuszana jest nie przez ogrzewanie laserem, lecz podgrzanie impulsem prądu. O zapisanej wartości decyduje wysokość napięcia i czas trwania impulsu. Odczyt wartości odbywa się przez pomiar oporności po przyłożeniu napięcia niższego od powodującego zmianę fazy i nie przyczynia się do utraty informacji (co ma miejsce w pamięciach wykorzystujących ładunki elektryczne). Co ciekawe, charakterystyka materiału pozwala na zapisywanie w jednej komórce kilku bitów - rozpiętość oporności między fazą amorficzną a krystaliczną jest około czterdziestokrotna, a stany pośrednie są stabilne i łatwe do określenia, pośrednim opornościom można więc przypisać np. wartości od 0 do 15; komórka ma wówczas pojemność czterech bitów. Do sterowania komórkami pamięci służy macierz tranzystorów MOS (po jednym na komórkę), umieszczone w strukturze będącej podkładem nośnika.

Pamięć OUM charakteryzuje się wysoką gęstością zapisu informacji i - w przeciwieństwie do klasycznych pamięci RAM - jej parametry poprawiają się nawet w miarę zmniejszania wymiaru technologicznego. OUM odznacza się też bardzo wysoką trwałością - wytrzymuje 1013 zapisów, zaś dane zachowywane są przez ponad 10 lat. Kolejną zaletą jest prosty proces produkcyjny - konwencjonalny proces CMOS zakończony dodaniem cienkowarstwowego nośnika.

Obecnie pamięci OUM znajdują się na etapie układów laboratoryjnych - na razie metodą litografii 180 nm udało się wykonać działający układ o pojemności 4 Mb. Autorem technologii jest firma Ovonyx, współpracująca z Intelem, BAe Systems i ST Microelectronics.

6.2. Terabajty z rolki

Łańcuch polimeru PFRAM

Budowa pamięci PFRAM

Ciekawym rozwiązaniem są polimerowe pamięci ferroelektryczne (PFRAM - Polymer Ferroelectric RAM), opracowywane przez powiązaną z Intelem firmę Thinfilm. Wykorzystują one cienkowarstwowy nośnik wykonany z polimeru, którego łańcuchy zawierają cząsteczki obdarzone momentem dipolowym. Zapis odbywa się przez zmianę polaryzacji dipolu po przyłożeniu napięcia do tworzących macierz adresową elektrod umieszczonych po obu stronach warstwy pamięciowej. Warto tu zauważyć, że komórka pamięci nie zawiera ani jednego tranzystora - za adresowanie, zapis i odczyt odpowiada jedynie macierz elektrod. Ona też definiuje położenie i rozmiary poszczególnych komórek pamięci. Cała elektronika sterująca może być umieszczona poza elementami pamięciowymi, warstwy polimeru i elektrody można też nanieść na układ sterujący wykonany w technologii CMOS.

Taka struktura umożliwia nakładanie jedna na drugą rozdzielonych cienkim izolatorem kolejnych warstw nośnika wraz z elektrodami. W ten sposób otrzymujemy pamięć o strukturze trójwymiarowej, co pozwala uzyskać olbrzymie pojemności na małej powierzchni. Jak twierdzą twórcy technologii, pamięć o wielkości karty kredytowej mogłaby pomieścić nawet 126... lat muzyki zapisanej w formacie MP3 lub zawartość 400 tysięcy dysków CD-ROM (ponad 250 tys. TB)!

Polimerowy nośnik odznacza się znakomitą trwałością i odpornością na temperatury od -40 do 110 stopni Celsjusza. Dużą zaletą pamięci polimerowych jest prostota produkcji. Proces nakładania warstw polimeru stawia nieporównanie mniejsze wymagania w stosunku do czystości i dokładności koniecznych przy wytwarzaniu krzemowych półprzewodników. Mało tego, PFRAM może być wytwarzany w procesie ciągłym, w którym materiał podłożowy podawany jest z roli. Mówi się nawet o możliwości drukowania kolejnych warstw - nośnika i elektrod - przy użyciu przemysłowych drukarek atramentowych. Koszt wyprodukowania hybrydowej pamięci PFRAM, z jedną warstwą polimerową naniesioną na sterującą strukturę CMOS, jest obecnie porównywalny z kosztem pamięci półprzewodnikowych, zaś w przypadku układów wielowarstwowych cena jednostki pojemności znacznie spada. Układy wytworzone w procesie ciągłym mają być nieprawdopodobnie tanie.

6.3.Kryształowy przełącznik

Kryształ PZT (FRAM)

Podobną zasadę działania wykorzystują pamięci ferroelektryczne FRAM (Ferroelectric RAM). Nośnikiem informacji są w nich kryształy specjalnie dobranej substancji - PZT (tlenki ołowiu, cyrkonu i tytanu - PbO, ZrO2, TiO2) lub SBT (tlenki strontu, bizmutu, tanatalu domieszkowane niobem - SrBi2Ta2O9), zawierające wewnątrz siatki krystalicznej atomy o dwóch stabilnych pozycjach. Przyłożenie napięcia o odpowiedniej polaryzacji powoduje "przestawienie" atomu w żądaną pozycję, oznaczającą jedynkę lub zero. Odczyt odbywa się również przez przyłożenie napięcia - w zależności od początkowego położenia atom przeskakuje, pochłaniając dawkę energii, lub pozostaje na swoim miejscu. Wymusza to oczywiście konieczność przywrócenia poprzedniej pozycji, jednak nie jest to wielki problem - analogicznie działają konwencjonalne półprzewodnikowe pamięci RAM. Każdej komórce pamięci odpowiada jeden tranzystor sterujący. FRAM odznaczają się wyjątkową trwałością - wytrzymują 1016 zapisów, są przy tym bardzo szybkie.

Pamięci FRAM są obecnie produkowane seryjnie. Przykładem mogą być inteligentne karty Fujitsu (mogące służyć jako karty płatnicze, identyfikacyjne itp.) zawierające 32-bitowy procesor RISC i 64 KB (512 Kb) pamięci FRAM wykonanej w procesie 0,35 mikrometra. W porównaniu do stosowanej w tego rodzaju urządzeniach pamięci EEPROM, FRAM jest 10 000 razy szybszy, 100 000 razy trwalszy i 400 razy bardziej energooszczędny. Według Fujitsu i współautora technologii PZT, firmy Ramtron, koszt produkcji FRAM 0,35 mm jest obecnie porównywalny z kosztami wytwarzania EEPROM.

6.4.Powrót do źródeł

Budowa pamięci MRAM

Kolejnym interesującym rozwiązaniem są półprzewodnikowe pamięci magnetyczne MRAM (Magnetic RAM). W pewnym sensie jest to powrót do źródeł - tzw. rdzeniowe pamięci operacyjne wczesnych komputerów były właśnie pamięciami magnetycznymi, zbudowanymi z tysięcy maleńkich koralików nanizanych na siatkę przewodów adresujących. Półprzewodnikowy MRAM zawiera również macierz linii adresujących, oplatających mikroskopijne komórki magnetyczne. Przepływ prądu powoduje powstanie pola magnetycznego, zmieniającego orientację domen. Odczyt odbywa się za pomocą elementów magnetorezystywnych - w przeciwieństwie do pamięci rdzeniowych nie powoduje więc uszkodzenia informacji. Każdej komórce pamięci odpowiada jeden tranzystor i jedno złącze tunelowe MTJ (Magnetic Tunnel Junction).

Zwolennicy konkurencyjnych rozwiązań twierdzą, że największą wadą MRAM są trudności ze zintegrowaniem nośnika magnetycznego ze strukturami CMOS. Nie jest to jednak problem nie do pokonania - w zakładach doświadczalnych Motoroli na początku tego roku wyprodukowano układ MRAM o pojemności 256 Kb i długości cyklu zapisu/odczytu krótszej niż 50 ns. Układ zasilany napięciem 3 V zużywał przy odczycie poniżej 24 mW. Według Motoroli, próbek produktu seryjnego można się spodziewać w roku 2003, produkcja masowa ma ruszyć już w roku 2004.

11

---