Statik rastgele erişimli bellek - Static random-access memory

Nintendo Entertainment System klonundan (2K × 8 bit) statik bir RAM yongası

Statik rastgele erişimli bellek ( statik RAM veya SRAM ), her bir biti depolamak için kilitleme devresini (flip-flop) kullanan bir tür rastgele erişimli bellektir (RAM) . SRAM geçici bellektir ; güç kesildiğinde veriler kaybolur.

Statik terimi , SRAM'i periyodik olarak yenilenmesi gereken DRAM'den ( dinamik rastgele erişimli bellek) ayırır . SRAM, DRAM'den daha hızlı ve daha pahalıdır; genellikle bir CPU'nun önbelleği ve dahili kayıtları için kullanılırken, DRAM bir bilgisayarın ana belleği için kullanılır .

Tarih

Semiconductor bipolar SRAM, 1963 yılında Robert Norman tarafından Fairchild Semiconductor'da icat edildi. MOS SRAM, 1964 yılında John Schmidt tarafından Fairchild Semiconductor'da icat edildi. 64-bit MOS p-kanallı bir SRAM idi.

1965 yılında, 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 . 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.

Uygulamalar ve kullanımlar

STM32F103VGT6 mikrodenetleyicisinin kalıbındaki SRAM hücreleri, taramalı elektron mikroskobu tarafından görüldüğü gibi . 180 nanometre proses kullanılarak STMicroelectronics tarafından üretilmiştir .
Optik mikroskopta görüldüğü gibi bir STM32F103VGT6 mikrodenetleyici üzerindeki 180 nanometre SRAM hücrelerinin karşılaştırma görüntüsü

özellikleri

Uçucu bellek olarak nitelendirilebilmesine rağmen SRAM, veri kalıcılığı sergiler .

SRAM, basit bir veri erişim modeli sunar ve bir yenileme devresi gerektirmez. Performans ve güvenilirlik iyidir ve boştayken güç tüketimi düşüktür.

SRAM, uygulamak için daha fazla transistör gerektirdiğinden, DRAM'den daha az yoğun ve daha pahalıdır ve ayrıca okuma veya yazma erişimi sırasında daha yüksek güç tüketimine sahiptir. Güç SRAM tüketimi yaygın erişildiği ne sıklıkta bağlı olarak değişir.

Gömülü kullanım

Endüstriyel ve bilimsel alt sistemlerin, otomotiv elektroniğinin ve benzeri gömülü sistemlerin birçok kategorisi, bu bağlamda ESRAM olarak adlandırılabilecek statik RAM içerir . Bir miktar (kilobayt veya daha az) elektronik bir kullanıcı arayüzü uygulayan hemen hemen tüm modern cihazlara, oyuncaklara vb.

Çift kapılı biçimindeki SRAM , bazen gerçek zamanlı dijital sinyal işleme devreleri için kullanılır.

bilgisayarlarda

İşlemci: SRAM da kişisel bilgisayarlar, iş istasyonları, yönlendiriciler ve çevresel ekipman kullanılan sicil dosyaları , iç CPU önbelleklerini ve dış patlama modu SRAM önbelleklerini, sabit disk tampon, yönlendirici vb tamponlar, LCD ekranlar ve yazıcılar da normalde tutmak için statik RAM istihdam görüntülenen (veya yazdırılacak) görüntü. Statik RAM, ZX80 , TRS-80 Model 100 ve Commodore VIC-20 gibi eski kişisel bilgisayarların çoğunun ana belleği için kullanıldı .

Hobiler

Hobiler, özellikle ev yapımı işlemci meraklıları, arayüz kolaylığı nedeniyle genellikle SRAM'ı tercih eder. Yenileme döngüleri olmadığından ve adres ve veri yollarına genellikle doğrudan erişilebilir olduğundan DRAM ile çalışmak çok daha kolaydır. Bus ve güç bağlantılarına ek olarak, SRAM genellikle yalnızca üç kontrol gerektirir: Chip Enable (CE), Write Enable (WE) ve Output Enable (OE). Senkron SRAM'da Saat (CLK) de dahildir.

SRAM Türleri

Uçucu olmayan SRAM

Uçucu olmayan SRAM (nvSRAM) standart SRAM işlevine sahiptir, ancak güç kaynağı kesildiğinde verileri kaydederek kritik bilgilerin korunmasını sağlar. nvSRAM'ler, verilerin korunmasının kritik olduğu ve pillerin pratik olmadığı yerlerde ağ oluşturma, havacılık ve tıp gibi çok çeşitli durumlarda kullanılır.

sözde SRAM

Sözde statik RAM (PSRAM), kendi kendini yenileme devresiyle birleştirilmiş bir DRAM depolama çekirdeğine sahiptir. Harici olarak daha yavaş bir SRAM olarak görünürler. DRAM'ın erişim karmaşıklığı olmadan gerçek SRAM'a göre yoğunluk/maliyet avantajına sahiptirler. Cypress Semiconductor'ın HyperRAM'ı, JEDEC uyumlu 8 pinli HyperBusor Octal xSPI arabirimini destekleyen bir PSRAM türüdür. Bu düşük güçlü cihazlar, yüksek performansa ve düşük pin sayısına sahiptir, bu da onları arabellek olarak harici RAM gerektiren uygulamalar için ideal hale getirir.

Transistör tipine göre

Flip-flop tipine göre

fonksiyona göre

  • Asenkron  – saat frekansından bağımsız; veri girişi ve veri çıkışı adres geçişi ile kontrol edilir. Örnekler arasında, her yerde bulunan 28-pin 8K × 8 ve 32K × 8 yongaları (sıklıkla ancak her zaman değil , sırasıyla 6264 ve 62C256 satırları boyunca bir ad verilir) ve ayrıca yonga başına 16 Mbit'e kadar benzer ürünler bulunur.
  • Senkronize  – tüm zamanlamalar saat kenarları tarafından başlatılır. Adres, veri girişi ve diğer kontrol sinyalleri saat sinyalleriyle ilişkilendirilir.

1990'larda, hızlı erişim süresi için asenkron SRAM kullanılıyordu. Asenkron SRAM olarak kullanılmıştır ana bellekten gelen her şeyde kullanılan küçük önbellek az gömülü işlemciler için endüstriyel elektronik ve ölçüm sistemlerine karşı sabit disklerin birçok diğer uygulamalar arasında ve ağ donanımları,. Günümüzde, senkron SRAM (örn. DDR SRAM) asenkron DRAM yerine Senkron DRAM – DDR SDRAM bellek kullanılmasına benzer şekilde kullanılmaktadır. Senkron bellek arayüzü, boru hattı mimarisi kullanılarak erişim süresi önemli ölçüde azaltılabileceğinden çok daha hızlıdır . Ayrıca, DRAM, SRAM'den çok daha ucuz olduğu için, özellikle büyük miktarda veri gerektiğinde, SRAM genellikle DRAM ile değiştirilir. Bununla birlikte SRAM belleği, rastgele (blok / patlama değil) erişim için çok daha hızlıdır. Bu nedenle, SRAM bellek esas olarak CPU önbelleği , küçük çip üstü bellek, FIFO'lar veya diğer küçük arabellekler için kullanılır.

Özelliğe göre

  • Sıfır otobüsü dönüş (ZBT) - dönüş ondan SRAM değişiklik erişimi için gereken saat devri sayısıdır yazma için okumak tersi ve yardımcısı. ZBT SRAM'lerin geri dönüşü veya okuma ve yazma döngüsü arasındaki gecikme sıfırdır.
  • syncBurst (syncBurst SRAM veya senkron patlama SRAM) - SRAM'a yazma işlemini artırmak için SRAM'a eşzamanlı seri yazma erişimi sunar
  • DDR SRAM  – Senkron, tek okuma/yazma bağlantı noktası, çift veri hızlı G/Ç
  • Dörtlü Veri Hızı SRAM  – Senkronize, ayrı okuma ve yazma bağlantı noktaları, dörtlü veri hızlı G/Ç

çip üzerinde entegre

SRAM , x86 ailesi gibi güçlü mikroişlemcilerde birincil önbellekler olarak mikro denetleyicilerde (genellikle yaklaşık 32 bayttan 128 kilobayta kadar ) RAM veya önbellek olarak entegre edilebilir  ve diğerleri (8  KB'den birçok megabayt), bazı mikroişlemcilerde kullanılan durum makinelerinin kayıtlarını ve parçalarını ( kayıt dosyasına bakın ), uygulamaya özel IC'lerde veya ASIC'lerde (genellikle kilobayt düzeyinde) ve Alanda Programlanabilir Kapı Dizisi ve Karmaşık Programlanabilir Mantıkta depolamak için Cihaz

Tasarım

Altı transistörlü CMOS SRAM hücresi

Tipik bir SRAM hücresi altı MOSFET'ten oluşur . Bir SRAM'deki her bit , iki çapraz bağlı invertör oluşturan dört transistörde (M1, M2, M3, M4) depolanır . Bu depolama hücresi, 0 ve 1'i belirtmek için kullanılan iki kararlı duruma sahiptir . İki ek erişim transistörü, okuma ve yazma işlemleri sırasında bir depolama hücresine erişimi kontrol etmeye hizmet eder. Bu tür altı transistörlü (6T) SRAM'a ek olarak, diğer SRAM yongaları bit başına 4, 8, 10 (4T, 8T, 10T SRAM) veya daha fazla transistör kullanır. Dört transistörlü SRAM, bağımsız SRAM cihazlarında (CPU önbellekleri için kullanılan SRAM'ın aksine) oldukça yaygındır, özel işlemlerde fazladan bir polisilikon katmanı ile uygulanır ve çok yüksek dirençli çekme dirençlerine izin verir. 4T SRAM kullanmanın başlıca dezavantajı, aşağı açılan transistörlerden birinden sabit akım akışı nedeniyle artan statik güçtür .

Dört transistörlü SRAM, üretim karmaşıklığı pahasına yoğunlukta avantajlar sağlar. Dirençler küçük boyutlara ve büyük değerlere sahip olmalıdır.

Bu bazen belirli türde yararlı olabilir, birden fazla (okuma ve / veya yazma) portu, uygulamak için kullanılan video belleği ve dosyaları kayıt çoklu ported SRAM devresi ile uyguladı.

Genel olarak, hücre başına ne kadar az transistöre ihtiyaç duyulursa, her hücre o kadar küçük olabilir. Bir silikon gofreti işlemenin maliyeti nispeten sabit olduğundan, daha küçük hücreler kullanmak ve böylece bir gofrete daha fazla bit paketlemek, bellek biti başına maliyeti düşürür.

Dörtten daha az transistör kullanan bellek hücreleri mümkündür - ancak bu tür 3T veya 1T hücreleri DRAM'dir, SRAM değildir ( 1T-SRAM olarak adlandırılanlar bile ).

Hücreye Erişim iki kontrol eden kelime hattı (şekilde WL) olarak etkindir erişim transistörleri M 5 ve M 6 , hangi sırayla, hücre bit hatlarına bağlanması gerekip gerekmediğini kontrolü: BL ve BL. Hem okuma hem de yazma işlemleri için veri aktarmak için kullanılırlar. İki bit hattına sahip olmak kesinlikle gerekli olmasa da, gürültü marjlarını iyileştirmek için tipik olarak hem sinyal hem de tersi sağlanır .

Okuma erişimleri sırasında, bit hatları, SRAM hücresindeki invertörler tarafından aktif olarak yüksek ve alçak olarak sürülür. Bu, DRAM'lere kıyasla SRAM bant genişliğini iyileştirir - bir DRAM'de bit hattı depolama kapasitörlerine bağlanır ve yük paylaşımı , bit hattının yukarı veya aşağı sallanmasına neden olur. SRAM'lerin simetrik yapısı, küçük voltaj dalgalanmalarını daha kolay algılanabilir kılan farklı sinyalleşmeye de izin verir . DRAM ile SRAM'ı daha hızlı hale getirmeye katkıda bulunan diğer bir fark, ticari yongaların bir seferde tüm adres bitlerini kabul etmesidir. Karşılaştırıldığında, emtia DRAM'leri, boyutlarını ve maliyetlerini düşük tutmak için aynı paket pinleri üzerinde iki yarıya, yani daha yüksek bitleri daha düşük bitlerin izlediği adres çoğullamasına sahiptir.

m adres hattı ve n veri hattı içeren bir SRAM'ın boyutu 2 m kelime veya 2 m  × n bittir. En yaygın kelime boyutu 8 bittir, yani SRAM çipi içindeki 2 m'lik farklı kelimelerin her birine tek bir bayt okunabilir veya yazılabilir . Birkaç yaygın SRAM yongası 11 adres satırına (dolayısıyla 2 11  = 2.048 = 2 k word kapasiteli) ve 8 bitlik bir kelimeye sahiptir, bu nedenle "2k × 8 SRAM" olarak adlandırılırlar.

Bir IC üzerindeki bir SRAM hücresinin boyutları, IC'yi yapmak için kullanılan işlemin minimum özellik boyutu ile belirlenir.

SRAM işlemi

Bir SRAM hücresinin üç farklı durumu vardır: bekleme (devre boşta), okuma (veri talep edildi) veya yazma (içeriği güncelleme). Okuma modunda çalışan SRAM ve yazma modlarında sırasıyla "okunabilirlik" ve "yazma kararlılığı" olmalıdır. Üç farklı durum aşağıdaki gibi çalışır:

Yanında olmak

Kelime satırı belirtilmezse, erişim transistörleri M 5 ve M 6 , hücreyi bit satırlarından ayırır. M 1  – M 4 tarafından oluşturulan iki çapraz kuplajlı evirici , kaynağa bağlı oldukları sürece birbirlerini güçlendirmeye devam edecektir.

Okuma

Teorik olarak, sadece okuma kelime hat WL sürerek ve tek bir erişim transistörü ve bit hattı, örneğin M tarafından SRAM hücresi durumunu okuma gerektiren 6 , BL. Bununla birlikte, bit çizgileri nispeten uzundur ve büyük parazitik kapasitansa sahiptir . Daha karmaşık bir süreç uygulamasında kullanılan, okuma hızlandırmak için: okuma çevrimi her iki bit hatları BL ve önşarj başlatılır BL , en yüksek (mantık 1 ) gerilim. Daha sonra söz hattı WL iddia iki erişim transistörleri M sağlayan 5 ve M, 6 için bir bit hat BL gerilimi neden hafifçe bırakın. Daha sonra BL ve BL hatları arasında küçük bir voltaj farkı olacaktır. Bir algılama amplifikatörü, hangi hattın daha yüksek voltaja sahip olduğunu algılayacak ve böylece depolanan 1 veya 0 olup olmadığını belirleyecektir . Algı amplifikatörünün hassasiyeti ne kadar yüksek olursa, okuma işlemi o kadar hızlı olur. NMOS daha güçlü olduğu için aşağı çekme işlemi daha kolaydır. Bu nedenle, bit hatları geleneksel olarak yüksek voltaja önceden yüklenir. Birçok araştırmacı, güç tüketimini azaltmak için biraz düşük voltajda ön şarj etmeye çalışıyor.

yazı

Yazma döngüsü, yazılacak değeri bit satırlarına uygulayarak başlar. Biz yazmak istiyorsanız 0 , biz de geçerli olacak 0 yani ayar, bit hatlarına BL için 1 ve BL 0 . Bu, flip flop'un durumunu değiştirmesine neden olan bir SR mandalına sıfırlama darbesi uygulamaya benzer . Bir 1 bitlik çizgilerin değerlerini çevrilmesi ile yazılmıştır. Daha sonra WL onaylanır ve depolanacak değer kilitlenir. Bunun nedeni, bit hattı giriş sürücülerinin hücrenin kendisindeki nispeten zayıf transistörlerden çok daha güçlü olacak şekilde tasarlanmasıdır, böylece önceki durumu kolayca geçersiz kılabilirler. çapraz bağlı invertörler. Uygulamada, erişim NMOS transistörleri M 5 ve M, 6 (M ya da alt NMOS daha güçlü olması gerekir 1 , E 3 ) veya üst PMOS (M 2 , E 4 ) transistörler. Bu, PMOS transistörleri aynı boyutta olduğunda NMOS'tan çok daha zayıf olduğu için kolayca elde edilir. Bir transistör çifti (örneğin, E Neticede, 3 ve M, 4 ) sadece biraz yazma işlemi tarafından geçersiz, ters transistor çifti (M 1 ve M, 2 ) kapı voltajı da değiştirilir. Bu, M 1 ve M 2 transistörlerinin daha kolay geçersiz kılınabileceği ve bu şekilde devam edebileceği anlamına gelir . Böylece çapraz bağlı invertörler yazma sürecini büyütür.

Otobüs davranışı

70 ns erişim süresine sahip RAM , adres satırlarının geçerli olduğu andan itibaren 70 ns içinde geçerli verileri çıkaracaktır. Bazı SRAM'lerde, bir sayfanın kelimelerinin (256, 512 veya 1024 kelime) önemli ölçüde daha kısa bir erişim süresiyle (tipik olarak yaklaşık 30 ns) sırayla okunabildiği bir "sayfa modu" vardır. Üst adres satırları ayarlanarak sayfa seçilir ve daha sonra alt adres satırlarından geçilerek kelimeler sırayla okunur.

Ayrıca bakınız

Referanslar