14.4 Типы памяти



==1014

В §14.1.2 упоминалось, что компьютеру нужна быстрая память со «случайным доступом» ( т.е. такая, в которой доступ к конкретному элементу памяти не требует перемотки носителя, как это происходит в устройствах с последовательным доступом - ленточных накопителях ). Такая память чаще всего имеет вид модулей динамической оперативной памяти . Это тонкие узкие печатные платы о 240 контактах, которые вставляются в слоты памяти на материнской плате. В настоящее время активнее всего используется форм-фактор SODIMM с размерами 3×13.3 cm , заполненный микросхемами памяти общей ёмкостью, исчисляемой гигабайтами. Шина данных в таких сборках может иметь ширину 64 или 72 разряда. Это компоненты, обычно встречающиеся на коммерческих материнских платах. Требуется просто подобрать нужную модель памяти ²⁶ , для чего приходится изучать справочные данные на материнскую плату и спецификации предложений от фирм Corsair, Crucial, Kingston.

Но, если хочется разобраться в том, как это всё работает, или требуется спроектировать вычислительную систему, использующую внешнюю память, потребуется разобраться в том, как память работает. В этой главе разбираются различные виды памяти: статическая и динамическая оперативная, а также постоянная, включая «флэш-ОЗУ».

14.4.1 Постоянная и оперативная память



==1015

Во многих задачах память, сохраняющая записанные в неё данные при пропадании питания, не нужна. Скажем, компьютер каждый раз заново грузит в рабочую память операционную систему, приложения и данные в ходе начальной инициализации. Здесь отлично работает обычная оперативная память. Сами приложения, операционная система и исходные данные должны, понятно, где-то храниться, пока питание выключено. Именно для таких задач используется постоянная память. Обычно это накопители в виде жёстких дисков ( с вращающимся магнитным носителем ) или твердотельных дисков ( название «диск» перешло по наследству, а физически такое хранилище выглядит как набор микросхем флэш-памяти ) ²⁷ . Оперативная память быстрее, имеет большую ёмкость, ресурс ( количество циклов стирание-запись до появления ошибок ) и цену за единицу информации, если сравнивать с современными технологиями постоянной памяти. Оба вида оперативной памяти - и статическая SRAM, и динамическая DRAM – «помнят» записанные в них данные, пока есть питание ²⁸ , а флэш и EEPROM ( а также некоторые современные технологии ) позволяют хранить информацию и в его отсутствие.

14.4.2 Статическая и динамическая память

Статическая память хранит данные в массиве триггеров, а динамическая - в виде заряда на конденсаторе. Бит данных, записанный в статическую оперативную память, будет храниться в ней, пока его не перезапишут, или пока не отключится питание. В динамической памяти данные исчезают примерно за секунду, если их не «освежать». Иначе говоря, DRAM всегда пытается забыть данные, и предотвратить это можно только периодическим обращением ко всем рядам двухкоординатного массива элементов хранения. Например, в DRAM объёмом 1 Gb надо обращаться к каждому из 8192 рядов каждые 64 ms ( т.е. 1 ряд в 7.8μs ).

Вы, возможно, захотите узнать, почему вообще находятся желающие использовать динамическую память? Дело в том, что отсутствие триггеров существенно увеличивает плотность хранения информации и в десятки раз снижает стоимость единицы объёма.

Теперь вы недоумеваете, кому вообще нужна статическая память? ( В «динамичности» вам не откажешь ). Основным преимуществом SRAM является простота использования: нет ни циклов регенерации, ни забот о временных соотношениях сигналов ( циклы регенерации конкурируют с обычными циклами обращения и требуют корректной синхронизации ). Поэтому для небольших систем с несколькими микросхемами памяти SRAM будут удобнее. Нулевое потребление статической памяти в отсутствие обращений делает её естественным выбором в батарейных устройствах ( у DRAM имеется существенный динамический ток холостого хода из-за постоянной регенерации ). Существует даже статическая память со встроенной батарейкой, которая продолжает сохранять данные в отсутствие внешнего питания. Она может служить альтернативой обычной постоянной памяти при существенно лучших параметрах скорости доступа и без ограничения числа циклов стирания-записи. Ещё одним достоинством является наличие очень быстрых асинхронных версий с временем доступа менее 8 ns и синхронных вариантов с тактовой частотой 400 MHz и более. Есть, наконец, и псевдостатическая память PSRAM, которая сочетает низкую стоимость и высокую плотность DRAM с простым интерфейсом SRAM ( это динамическая память со встроенным модулем регенерации ). Разберём их все подробнее.



==1016

14.4.3 Статическая память

Статическая память сохраняет каждый бит в триггере ( рис. 14.20 ). Сам триггер состоит из двух встречно-параллельных инверторов, собранных на комплементарных p- и n-МОП ключах, и подключён к двум шинным трансляторам. Последние передают состояние триггера на две дифференциальные линии бита , При чтении линии бита заводятся на вход дифференциального усилителя с защёлкой на выходе, а при записи «передавливают» состояние триггера. Такая конфигурация зовётся «6T» по числу используемых транзисторов.

Как и во всех прочих типах памяти, одиночные триггеры в SRAM организуются в слова, считываемые или записываемые параллельно в ходе одного цикла. Ширина слова может быть от 8 до 32 бит, а с учётом бита чётности 9, 18 или 36 разрядов. Слова организуются в двухкоординатные массивы ( рис. 14.21 ) так, чтобы каждое слово определялось координатами ( адресом ) в массиве. На рисунке показана память на 4 Mb ( 512K 8-разрядных слов ²⁹ ), организованная в 8 блоков ( по числу разрядов в слове ) по 1024 рядов и 512 колонок каждый.

14.4.3.A Временная диаграмма асинхронной статической памяти



==1017

Классическая статическая память является асинхронной, т.е. входа тактирования у неё нет. Нужно просто подать сигналы, выдержав правильные временные соотношения, и данные будут записаны ( или считаны ). Использовать элементарно: для чтения слова надо выставить адрес, активировать сигнал «CE'» ( разрешение кристалла ) и «OE'» ( разрешение выхода ). Запрошенные данные появятся на выходах с третьим состоянием на позднее, чем через \(t_{AA}\) ( время выборки адреса ). Для записи подаётся адрес, данные и «CE'», а затем - после \(t_{AS}\) ( времени установления адреса ) - подаётся импульс разрешения записи «WE'». Данные защёлкиваются в памяти по заднему фронту «WE'». По рис. 14.22 и 14.23 видно, что быструю статическую память ( \(t_{AA}\)=8 ns , \(t_{AS}\)=0 ns ) можно использовать в качестве внешнего кэша. «Скорость» памяти устанавливается по времени между подачей адреса и появлением правильных данных для этого адреса ( для чтения ) или по завершении цикла записи ( для записи ). Предполагается, что прочие сигналы ( «CS'», «WE'» или «OE'» ) подаются в нужное время.

Микросхемы статической памяти сейчас имеют максимальный объём 16 Mb и размер слова от 1 до 32 разрядов. Есть варианты с раздельными входными и выходными шинами, низкопотребляющие: ∼1μA в режиме ожидания, 1 mA при обращении с частотой 1 MHz . А есть микросхемы двухпортовой памяти: два независимых набора линий адреса, данных и управления, имеющих доступ к одному массиву ячеек памяти и «семафорам», помогающим избегать столкновений при обращении с разных портов.

Отметим, что, независимо от прочей схемотехники, линии данных статической памяти не обязаны идти на одноимённые линии в процессоре ( или любом ином устройстве, к которому надо подключить оперативную память ). В данном случае связи можно вести как угодно, т.к. путь данных и при записи и при чтении будет одним и тем же.

[* То же самое можно сказать и о линиях адреса ОЗУ. Но! Оба эти утверждения не верны в случае ПЗУ всех видов, т.к. записываются такие микросхемы в одном месте, а считываются в другом. Или как минимум оба места должны придерживаться одной схемы разводки. Это один из методов защиты ПО встраиваемых систем, использовавшийся во времена микроконтроллера i8031 и внешних микросхем программной памяти. Кроме того, нельзя путать линии DDR памяти: эти микросхемы получают внешние команды конфигурации, поэтому ни линии адресов, ни линии данных в этих ИМС не равнозначны. С другой стороны, найти сейчас микроконтроллер без внутренней программной памяти крайне сложно, а подключить DDR модуль «на коленке» не получится, поэтому указанные сведения вам, скорее всего, в жизни не пригодятся ].

14.4.3.B Псевдостатическая память

Преимуществом статической памяти является простая схема управления и низкое потребление. Но 6-транзисторный триггер занимает больше места, чем однотранзисторная ячейка динамической памяти. В итоге её цена выше, а плотность информации ниже. Зато более ёмкая динамическая память нуждается в регенерации, а мультиплексированная шина адреса усложняет подключение.



==1018

Псевдостатическая память сочетает в себе лучшие стороны двух технологий: массив ячеек динамической памяти снабжается схемой регенерации и внешним интерфейсом, имитирующим обычную статику ( рис. 14.24 ). В настоящий момент можно найти PSRAM объёмом до 128 Mb . Некоторые модели прямо совместимы по разводке с асинхронной статической памятью. Время случайного доступа составляет ∼50 ns , но ниже ( ∼20 ns ) при последовательном постраничном считывании. Регенерация скрыта от внешнего наблюдателя и не интерферирует с внешним обменом данными. Из-за постоянной активности схемы регенерации ток покоя имеет величину порядка 100 μA . Есть и режим «выключения», при котором потребление падает до нескольких микроампер, но отключение регенерации вызывает полную потерю записанных данных.

Ток холостого хода PSRAM заметно выше, чем у обычной статической памяти, но остаётся в допустимых рамках для мобильных устройств, типа сотовых телефонов, имеющих батарею высокой ёмкости. В результате псевдостатика вытесняет обычную асинхронную SRAM, исключая области с очень низким потреблением или очень высоким быстродействием ( <10 ns ).

14.4.3.C Синхронная статическая память

В Части 11 авторы пели осанну синхронной логике, имеющей массу преимуществ в области шума ( все сигналы устаканиваются до прихода активного фронта ), предсказуемости временных характеристик, отсутствие метастабильности [* см. §10.4.2.D ]   и т.д. А раз так, зачем использовать асинхронную память ?

А никто не обязывает её использовать. Ничто не мешает обернуть массив асинхронной памяти синхронной машиной состояний с синхронными же регистрами данных. Так можно получить синхронную SRAM ³⁰ . Т.к. речь идёт о тактируемой системе, скорость синхронной SRAM выражается в мегагерцах максимальной рабочей частоты . На данный момент цифры лежат в диапазоне 100...400 MHz , а объём одного кристалла от 1 до 72 Mb . Ширина слова варьируется кратно 9 разрядам: 9, 18, 36 или 72 бита, где каждый 9-ый разряд отвечает за чётность.

Синхронная память ( и статика, и динамика ) - более сложная штука, чем асинхронные предшественники. Ситуация осложняется обилием режимов работы, например, удвоенной скоростью выдачи данных: достаточно удобным методом ускорения блочной передачи данных ( каковой предполагает использование обоих фронтов тактового сигнала, см. рис. 14.25 ). Но, чтобы воспользоваться удобствами, приходится разбираться со всеми этими режимами и их настройкой. А ещё потребуется источник чистого тактового сигнала ( дифференциального ), потому что пакеты идут с промежутком всего несколько наносекунд. Иначе говоря, синхронная SRAM предложена для увеличения скорости и пропускной способности, поэтому плюсы синхронных операций идут в комплекте с минусами быстрого тактирования и жёстких временнЫх ограничений.

14.4.4 Динамическая память

Как отмечалось ранее, можно сильно выиграть в ёмкости, если использовать 1-транзисторную ячейку памяти, хранящую информацию в небольшом конденсаторе, а необходимость проводить периодическую регенерацию данных не пугает. Такой способ хранения называется «динамической» памятью, а базовая ячейка именуется «1T1C» ( рис. 14.26 ). Это рабочая лошадка современной подсистемы временного хранения данных, имеющая ёмкость несколько гигабит на кристалл. Поставляется модулями ёмкостью до 16 GB ( 128 Gb ) ³¹ .

Подобно статической памяти, классическая DRAM является асинхронной , но её временная диаграмма гораздо запутаннее простой и понятной диаграммы SRAM. Причём картина усложняется ещё больше, если дополнить её циклами регенерации. Из динамической памяти можно сделать синхронный вариант ( SDRAM ), если встроить асинхронный массив ячеек памяти в синхронную машину состояний. На данный момент асинхронная динамическая память стала достоянием истории, тем не менее, заглянуть ей внутрь будет полезно.

14.4.4.A Асинхронная динамическая память

На рис. 14.27 в упрощённой форме показана DRAM на 16 слов шириной 1 бит, что недостаточно для работы, но удобно для разбора принципов работы. Каждый n-МОП транзистор содержит внутри конденсатор величиной примерно 30 fF между каналом ( стоком ) и землёй. Все транзисторы организованы в массив 4 ряда по 4 элемента. Драйвер рядов с защёлками на каждом выходе ( старшая половина адреса ) используется для подачи ВЫСОКОГО уровня на выбранные затворы массива транзисторов, включая их и подсоединяя соответствующие конденсаторы к вертикальным линиям, а через них к усилителям считывания ( SA ) с фиксацией выхода. Выход одного из усилителей подключается через заданный канал двунаправленного мультиплексора ( младшая половина адреса ) к буферам шины данных. Таким образом, число линий адреса динамической памяти уменьшается в 2 раза за счёт мультиплексирования старшей и младшей половины [* и по той же причине добавление одного адресного разряда к внешней шине учетверяет объём памяти ] .



==1019

Теперь, как она работает. Начнём с цикла чтения. Будем считать, что какие-то конденсаторы ( каждый для своего бита ) уже получили заряд в предшествующих циклах записи и либо имеют заряд ( потенциал ∼1V ), либо не имеют его. Базовый цикл чтение-запись по одному адресу для асинхронной DRAM со скоростью 70 ns показан на рис. 14.28 ³² . Адресные линии мультиплексированы. Старшая половина ( ряд ) передаётся первой и сопровождается стробом ряда ( «RAS'» ), с помощью которого адресные биты фиксируются, переводя затворы выбранных транзисторов в активное состояние и подключая конденсаторы к усилителям считывания. На схеме изображены неинвертирующие усилители с обратной связью, но на самом деле они выполнены в виде триггера, который начинает цикл в сбалансированном состоянии и переходит в несбалансированное за счёт инжекции заряда из конденсатора ³³ . В течение первой части цикла усилитель считывания делает две вещи: защёлкивает состояние, соответствующее заряду конденсатора в своей ячейке выбранного ряда и «регенерирует» заряд, подавая защёлкнутый уровень обратно на конденсатор.



==1020

Во второй половине цикла динамической памяти адресные линии задают младшую половину адреса, которая защёлкивается по стробу адреса колонок ( «CAS'» ). Зафиксированная младшая половина адреса подаётся на линии выбора мультиплексора колонок, который подключает к выходу нужный усилитель считывания. Рассматривается цикл чтения, следовательно, «WE'» в пассивном состоянии, и сигнал с выхода усилителя считывания проходит на выход «DQ0». Т.к. память асинхронная , правильное состояние появляется на выходе с некоторой гарантированной задержкой относительно установившегося адреса и фронтов стробирующих сигналов. В отличие от синхронной DRAM, в микросхеме отсутствует сигнал общего тактирования.

Цикл записи аналогичен, но «WE'» активируется где-то рядом с фронтом «CAS'». Низкий уровень «WE'» превращает линию «DQ0» во входную, а значит, сигнал с шины данных передавит состояние усилителя считывания на выбранном канале, а уже защёлкнутое в усилителе значение зарядит или разрядит конденсатор хранения.

Схема 14.27 имеет некоторую особенность. Как только ряд выбран ( RAS-полуцикл ), и выбрана колонка для чтения, нет никаких причин повторять адрес ряда, если требуется читать другие колонки того же ряда. Эта мысль является основой «страничного режима» и «расширенного вывода данных». Идея очень продуктивная, ведь большая часть обращений к памяти выглядит как выборка по смежным адресам ( последовательные команды, работа со строками, массивами и т.д. ).



==1021

14.4.4.B Синхронная динамическая память

Современная динамическая память имеет синхронную архитектуру ( SDRAM ). Внешний тактовый сигнал ³⁴ синхронизирует работу внутренней машины состояний, которая обрамляет асинхронный массив динамической памяти. Исходная SDRAM с однократной скоростью выдачи данных прошла несколько этапов развития ( DDR, DDR2 и т.д., где первая «D» отвечает за удвоенную скорость передачи данных ). Фронты тактового сигнала синхронизируют загрузку половин адреса и движение данных. Обычный режим работы синхронной DRAM – «пакетный» , когда несколько последовательных слов из ячеек памяти с одним адресом ряда выдаются в виде непрерывной последовательности ( см. описание MODE ниже ).

В отличие от асинхронной DRAM, синхронная версия дьявольски сложна и даже имеет набор «команд» ( которые также надо синхронизировать ), задающих детали взаимодействия. Команда определяется тремя битами, которые, возможно, в насмешку над асинхронной DRAM называются «RAS», «CAS» и «WE». Но теперь эти три линии устанавливаются до появления активного фронта и задают поведение схемы в момент его прохождения. Пять основных команд показаны на рис. 14.29 . «ACTIVATE ROW» загружает адрес ряда, «READ» и «WRITE» загружают адрес колонки и инициализируют передачу данных 4-, 8- или 16-разрядными словами ( в зависимости от разрядности кристаллов памяти ) по активному фронту ( для SDR, рис. 14.29 ) или на удвоенной скорости по обоим фронтам ( для DDR ).

Обратите внимание на последовательность событий при чтении. Данные выходят из микросхемы с частотой тактового сигнала, но между подачей адреса колонки и появлением данных есть задержка в несколько тактов. Эта задержка именуется «латентностью CAS». На рис. 14.29 показано, как она выглядит для случая CL=3 . Каждая конкретная микросхема сообщает минимальную латентность CAS для некоторой частоты тактирования ( каталожным наименованием модели ). Например, MT47H128M8HQ-25E - DDR2 SDRAM объёмом 128 MB с шириной слова 8 разрядов, упакованная в корпус BGA, с CL=5 при частоте \(t_{CLK}\)=2.5 ns . Остальная вычислительная система должна знать реальную латентность CAS ( предполагается, что цифры попадают в допустимые пределы ). Требуемое значение передаётся в кристалл командой «LOAD MODE» ( входы «RAS», «CAS» «WE» в момент прихода тактового фронта в НИЗКОМ состоянии, а собственно режим индицируется адресными линиями ). MODE включает не только латентность CAS, но также одноадресную/пакетную передачу ( с пакетами длиной 2, 4 или 8 последовательных слов ) и ещё несколько узкоспециальных опций. На следующем уровне сложности приходится учитывать латентность цикла записи , которая довольно логично именуется «WL» и требует учёта, т.е. вставки задержки между снятием адреса колонки и подачей данных на вход.

Сам факт внешнего тактирования синхронной DRAM переводит понятие скорости доступа в термины частоты . Скажем, обозначение «DDR3-1600» соответствует SDRAM, удовлетворяющей требованиям стандарта DDR3 и выдающей данные на обоих фронтах тактового сигнала частотой 800 MHz . ИМС, выпускаемые в момент выхода книги, имели скорость 400...1600 MT/s ( мегатрансферов в секунду ), содержали до 4 Gb на кристалл и имели ширину слова данных 4, 8 или 16 разрядов. Следующее поколение DDR4 поднимает скорость до 1600...3200MT/s , а ёмкость до 16 Gb .

14.4.5 Постоянная память



==1022

Память, не требующая питания для хранения информации ( NVM ) - совершенно необходимая в мире вычислительных систем вещь. В ней хранится:

1. стартовый ( startup / boot ) код/настроечные параметры,
2. программное обеспечение и
3. данные ( текст, музыка, фото и т.п. ). Память, разбиравшаяся до настоящего времени для таких задач не подходит, т.к. «забывает» все записанные данные при отключении питания.

Одним из решений будет внешняя батарейка, не позволяющая питанию пропадать. Такой вариант с резервным источником подкрепляется наличием малопотребляющей памяти и используется для сохранения настроек в компьютерах ( где их чаще всего упоминают в качестве «КМОП настроек» ). Кроме того, батарейная статическая память не подвержена ограничениям, свойственным постоянной памяти: неторопливое стирание ( временной масштаб - миллисекунды ), большое, но всё же ограниченное число циклов записи ( \(∼10\space^5...10\space^6\) ). Против работает само наличие батареи, за зарядом которой, к тому же, необходимо присматривать ³⁵ .

Другое решение - использование памяти, не требующей питания в режиме хранения. Здесь, как и в области динамической памяти происходят активные подвижки. Все современные устройства используют некоторую форму хранения заряда на «плавающем затворе» МОП транзистора. На таком принципе построена флэш-память, составляющая основу USB и SSD накопителей. Технология имеет впечатляющие параметры: ёмкость измеряется уже в терабитах, время хранения превышает десять лет, а цена ниже $0.50 за гигабайт. Но хранение заряда на плавающем затворе имеет свои недостатки, и основные - ограниченное число циклов стирания-записи ( ресурс ) и относительно медленная запись ( и стирание ): масштаб времени - миллисекунды. И наоборот, обычная статическая и динамическая память имеет неограниченное число циклов стирания-записи и очень высокую скорость передачи данных - десятки наносекунд. Некоторые технологии постоянного хранения, появившиеся в последнее время исправляют некоторые перечисленные недостатки. К таким технологиям относятся ферроэлектрическая ( FRAM ), магниторезистивная ( MRAM ) и память на разнице фаз ( PRAM )

Рассмотрим сначала некоторые прежние технологии хранения, а затем разберём самый массовый на данный момент вариант – флэш-память с плавающим затвором.



==1023

14.4.5.A Архаичные технологии постоянной памяти

Масочные ПЗУ

Они были первыми. Это просто вентили со связями, жёстко заданными при производстве. Они не предусматривают возможности модификации. Информация хранится в простой таблице соединений, рассчитанной только на считывание данных ( отсюда и термин «память только для чтения» ). Метод по-прежнему используется для создания простых таблиц преобразования в заказных микросхемах и гарантированно не нуждается в питании для хранения данных, но не вполне отвечает современным представлениям об удобстве.

PROM

Программируемая память только для чтения. Её можно было записать один раз. Ещё одно название – «память на пережигаемых перемычках», потому что внутри она выглядела как набор предохранителей ( металлических или полупроводниковых ), которые нужно было пережигать, оставляя только требуемые связи. Появление перепрограммируемых ( стираемых ) технологий памяти полностью вытеснило PROM с рынка.

EPROM

Следующей была стираемая программируемая память. Теперь информация хранилась в маленьких конденсаторах в формате плавающего затвора, скрытого слоем диэлектрика. Заряд затвора меняет пороговое напряжение МОП транзистора ( рис. 14.30 ). Эта же технология хранения используется по сию пору во флэш-памяти. [* См. ещё одно применение этой технологии - опорный источник с плавающим затвором, см. §9.10.4 ] . Для считывания используется «контрольный затвор»: когда конденсатор заряжен и имеет отрицательный потенциал за счёт набежавших электронов, порог переключения равен нескольким вольтам, а при разряженной ёмкости затвора порог переключения уходит в отрицательную область, т.е. транзистор начинает проводить ток даже при 0V на контрольном затворе. Прямой электрической связи с конденсатором хранения нет, поэтому для стирания и записи информации требуется особый приём. При записи отрицательный заряд попадает на затвор с помощью «инжекции горячих электронов» ( CHE ), каковая предусматривает включение транзистора при повышенном напряжении на затворе ( 12...27 V ). Для снятия заряда при стирании требовалось облучать кристалл ультрафиолетовым светом ( отсюда ещё одно название – «УФ-память» ), т.е. процесс проходил в формате «кристалл за раз». Керамический корпус с кварцевым окошком существенно увеличивал стоимость и габариты, а процесс стирания-записи требовал извлечения микросхемы из целевого устройства, поэтому с появлением технологии электрического стирания ультрафиолетовая память быстро сошла со сцены.

Рис. 14.30   Ячейка с «плавающим затвором». Используется в микросхемах постоянной памяти вроде EEPROM и флэш. Данные записываются на плавающий затвор за счёт эффекта туннелирования или инжекции «горячих» электронов. Накопленный в результате заряд изменяет пороговое напряжение, а линия данных ( «BL» ) и управления ( «WL» ) позволяют обнаружить изменения. Утечка с плавающего затвора столь мала, что данные гарантированно хранятся более 10 лет, не требуя питания и регенерации

OTP EPROM

Однократная стираемая программируемая память. Необычное и несколько противоречивое название «однократно программируемая стираемая память только для чтения» ( пример инженерного юмора, который непонятен непосвящённым ). OTP EPROM стала ответом на слишком высокую стоимость керамического корпуса ультрафиолетовой памяти. Решение получилось довольно прямолинейным: кристалл УФ-памяти упаковали в дешёвый пластиковый корпус. Недостаток у него всего один, но какой! Пластиковый корпус совершенно непрозрачен, поэтому однажды записанные данные нельзя стереть. Проблема решалась отладкой программы на УФ вариантах памяти, а серийные устройства собирались на OTP в пластиковых корпусах. Этот вариант памяти исчез вместе с УФ моделями [* ещё бы: кристалл-то один ] .

14.4.5.B Электрически стираемая постоянная память

Современная эра постоянной памяти началась с появлением электрически стираемой программируемой памяти только для чтения ³⁶ - EEPROM или E²PROM . Больше никаких ртутных ламп! Теперь не надо вынимать-вставлять ИМС: память стала программируемой в схеме . Для разрядки плавающего затвора в ней используется повышенное напряжение, при котором начинает работать квантово механический феномен - туннельный переход . Частица с недостаточной для преодоления потенциального барьера изолятора энергией может при определённых обстоятельствах оказаться на другой его стороне ³⁷ . Официальное название «туннелирование Фаулера-Нордхайма» , которое часто сокращается до F-N. EEPROM имеют на кристалле схему накачки заряда, повышающую напряжение до требуемого при программировании УФ-памяти или для снятия заряда через F-N туннелирование. Вот и секрет внутрисхемного программирования.



==1024

EEPROM используют двухтранзисторную ячейку, которая позволяет стирать и программировать отдельные биты. Гибкость получается замечательная, но схема занимает место, на котором можно было бы хранить данные. Развитие инженерной мысли привело к флэш-памяти с однотранзисторной ячейкой. Более высокая плотность хранения данных тянет за собой необходимость работы с блоками памяти, используя вывод подложки.

EEPROM и флэш-память имеют умеренную живучесть - \(10\space^5...10\space^6\) циклов стирания-записи. И стирание, и запись - медленные операции ( ∼10 ms ), чтение гораздо быстрее ( ∼100 ns ). Хотя основную долю постоянной памяти занимает флэш-память, возможность работы с отдельными байтами и даже битами делает EEPROM очень удобными для хранения небольших объёмов данных, например, калибровочных параметров. Скажем, в напольных весах измерение может идти в фунтах или килограммах и корректироваться по таблице поправок в зависимости от температуры окружающей среды. EEPROM для такого рода задач обычно включают в состав микроконтроллера ( Часть 15 ), но можно взять и отдельную микросхему. Обычно такие кристаллы упаковываются в компактный корпус SC-70, DFN и т.д., поддерживают какой-то последовательный протокол ( SPI, I2C, UNI/O, Microwire ) и имеют ёмкость до 1M бит. Неплохой выбор предлагают Atmel и Microchip. Цена вполне приемлема: EEPROM с интерфейсом I2C и ёмкостью 1Kb стоит $0.17 в количествах, а на 64K в два раза больше.

14.4.5.C Флэш-память

Флэш-память не поддерживает побитное и побайтное стирание-запись, доступное в EEPROM, и работает с объёмами, кратными блоку. Зато такая память быстрее сотрёт много байт ( «мгновенное стирание» - отсюда и название [* flash - вспышка ] ). Модификация мелких порций данных невозможна, но внешний интерфейс, включающий буфер на статическом ОЗУ может успешно скрывать данный факт. Зато кристалл имеет гораздо больший объём, особенно если выполнен по технологии NAND ( сейчас доступны микросхемы ёмкостью до терабита , хотя внутри не один кристалл, но целый их набор ). Флэш-память бывает двух видов NOR и NAND.

NOR флэш

Организация ячеек памяти NOR флэши показана на рис. 14.31 . Это исходная форма флэш-памяти. Все транзисторы включены параллельно, поэтому при чтении надо запрещать посторонние каналы. Запись в плавающие затворы выполняется инжекцией «горячих» электронов подобно тому, как это делается в EPROM. Стирание, как и у всех видов флэш-памяти, выполняется поблочно. На подложку подаётся повышенное напряжение, которое создаёт условия для туннельного эффекта F-N с участием плавающих затворов. Типичные размеры блоков 4...64 KB , причём часто в одной микросхеме используется сектора нескольких разных размеров. NOR флэш подключается через простой внешний интерфейс, подобный SRAM памяти ( иногда можно выбирать между синхронным и асинхронным доступом ) и может использоваться в системе непосредственно. Но ограниченное число циклов записи и стирание, кратное размеру сектора, диктует необходимость рассмотрения такой памяти, как памяти только для чтения. Современные ИМС NOR флэши имеют объём 1 Mb...1 Gb.

Рис. 14.31   NOR флэш с параллельной организацией ячеек



==1025

NAND флэш

В отличие от NOR, NAND память проектировалась на замену накопителям данных, вроде жёстких дисков. Именно этот тип микросхем используется в «USB-дисках», SD-картах , CF-накопителях , твердотельных дисках ( SSD ), а также в программной памяти микроконтроллеров ( Часть 15 ). Термин NAND проистекает из вертикальной ( последовательной ) организации битовых ячеек ( рис. 14.32 ). Считывать их надо, подавая ВЫСОКИЙ уровень на все затворы, кроме нужного, каковой и будет определять проводимость всей цепочки в соответствии со степенью заряженности своего плавающего затвора. Эффект туннелирования используется и при стирании, и при записи. Стирание выполняется посекторно. Увеличение плотности упаковки на первый взгляд неочевидно, но при последовательном соединении не требуется разделение контактов стока и истока в соседних транзисторах, а явно заданные выводы нужны только на концах цепочки. Чтобы уменьшить число выводов в NAND памяти используют последовательный интерфейс управления и посекторное стирание. Стоит учесть, что в законченных устройствах, подобных USB накопителям, к микросхемам памяти прилагается контроллер памяти, который полностью скрывает от внешнего наблюдателя временнЫе параметры операций стирания и записи. Спецификация SD-карт памяти оговаривает поддержку двух протоколов: собственно протокола SD-карты и последовательного SPI, который есть в большинстве современных микроконтроллеров ³⁸ . Контроллер памяти, используемый во флэш-накопителях, занят не просто преобразованием последовательного протокола обмена в параллельный протокол памяти, но, кроме того, присматривает за равномерным расходованием ресурса каждого блока, чтобы сгладить эффекты старения изоляторов от эффекта туннелирования. Вдобавок, контроллер выискивает плохие ячейки, фиксирует их в специальной таблице и перенаправляет новые обращения по резервным адресам.

Рис. 14.32   NAND флэш-память с последовательным включением ячеек

Производители NAND памяти дерзко увеличивают плотность хранения с помощью метода, называемого «ячейки с многоуровневым зарядом» ( MLC ). Иначе говоря, технология предполагает дробный заряд изолированного затвора и его оценку при считывании с использованием некоторых пороговых уровней. На данный момент используется четыре ( MLC ) и восемь ( TLC ) уровней, т.е. 2 или 3 бита на транзистор [* см. фазовое кодирование сигнала в каналах связи ## ] . ( Может, стоит ввести для таких ячеек обозначение «½T» и «⅓T» ? ). Конструкция не из простых: данные должны храниться на частично заряженных изолированных затворах, причём заряд не должен меняться слишком сильно как минимум несколько лет. [* Не с таким ли изменением заряда связаны проблемы с длительным хранением данных на выключенных SSD накопителях ? ]   Чтобы оценить масштаб, прикиньте: 0.3 фемтофарады должны растянуть потерю ( или приток ) 3000 электронов на примерно \(3×10\space^8\) секунд ( 10 лет ). Один электрон в день ! Как это вообще может работать ?! ³⁹

Современная NAND флэш имеет ёмкость до 1 Tb на микросхему ( зарядовая схема MLC в сочетании с несколькими кристаллами в едином корпусе ), или по 16 байт на каждого жителя Земли ⁴⁰ .

14.4.5.D Будущее постоянной памяти

Флэш-память - отличная штука. Но у неё ограниченное число циклов стирания-записи, а само это действие отнимает много времени. Идеальной постоянной памятью была бы статическая память, не нуждающаяся в питании. Она должна допускать случайный доступ по любому адресу при чтении и записи с одинаково высокой скоростью, неограниченное число циклов смены информации и длительное хранение.

На данный момент исследования идут в нескольких направлениях, и ниже перечислены наиболее перспективные.

Ферроэлектрическая память ( FRAM, FeRAM или F-RAM )

Ферроэлектрики - аналоги ферромагнетикам. Они хранят состояние магнитной поляризации. Основная идея: создать аналог 1T1C ячейки, заменив конденсатор кусочком ферроэлектрического материала ( плёнка толщиной несколько молекул стронция поверх титаната висмута ). Так же, как в динамической памяти, бит записывается с помощью поля, приложенного к элементу хранения. Отличия в чтении: оно «деструктивное» и выполняется через подачу тока записи одновременно с наблюдением за поведением элемента ( меняется или нет его состояние: при смене состояния возникает импульс тока ⁴¹ ). FRAM может обеспечить скорость чтения/записи на уровне десятков наносекунд, хранение в течение десятков лет и очень высокий [* хотя и не бесконечный, как у SRAM и DRAM ]   ресурс. Fujitsu и Cypress выпускают FRAM в виде ИМС с последовательным ( SPI или I2C ) и с параллельным интерфейсом ( эмуляция SRAM ), объёмом до 4 Mb . Заявленное число циклов считывания \(10^{14}\). Например, MB85RE4M2T имеет время доступа на чтение и запись 150 ns , срок хранения 10 лет при 85°C и \(10^{13}\) циклов считывания ( это 300 лет по 1000 циклов запись-чтение в секунду.



==1026

Магниторезистивная память ( MRAM )

Магниторезистивный эффект - изменение электрической проводимости материала под действием магнитного поля. Разные варианты этого явления ( «гигантский магниторезистивный эффект» , «туннельная магниторезистивность» ) используются в считывающих головках магнитных дисков. Такие головки имеют существенные преимущества перед традиционными магнитными катушками ( в катушке ЭДС меняется пропорционально изменению потока, на не самой величине этого потока ) и «виновны» во взрывном увеличении ёмкости жёстких дисков в последние годы. Сейчас возможно формировать на кристалле магниторезистивные элементы в готовом для использования виде ( с ферромагнетиком ). Писать в него можно импульсом тока, а считывать с помощью магниторезистивного эффекта.

MRAM была в разработке многие годы и уже присутствует на рынке. Например, компания Everspin, отпочковавшаяся от Freescale, предлагает 8- и 16-разрядную MRAM ёмкостью 16 Mb . Например, MR2A16A - 16 -разрядная память на 4 Mb с интерфейсом асинхронной SRAM, скоростью записи и чтения 35 ns , временем хранения 20 лет и заявленным неограниченным числом циклов стирания-записи. Цена в розницу $20. MRAM предлагают Hitachi, Hynix, IBM/TDK, Infineon, Samsung и Toshiba/NEC ( вроде, уже есть 1 Gb MRAM ). MRAM - не конкурент флэш-памяти: цена слишком велика, а технология всё ещё в разработке, но присматривать за ней будет полезно.

Память на разнице фаз ( PRAM или PCM )

Некоторые металлические сплавы ( халькогенидное стекло ) имеют большую разницу электрических сопротивлений в кристаллическом и аморфном ( стеклоподобном ) состоянии. Это свойство можно использовать для создания элемента памяти. Изменение фазового состояния производится с помощью нагрева. Может показаться, что нагрев протекает медленно и постепенно, захватывая большие объёмы, но в нанометровых масшабах процесс протекает локально и очень быстро ( десятки наносекунд ). Над фазовой памятью работают компании Samsung, Micron, IBM и STMicroelectronics. Первые прототипы уже появились ( 128 Mb PRAM фирмы Numonyx ). Заявок на бесконечное число циклов пока нет, но потенциально эта технология позволяет создать память высокой плотности с быстрым доступом.

14.4.6 Итоговый обзор памяти

Подводя черту под затянувшимся обсуждением, можно сделать несколько итоговых наблюдений.

• Во-первых, все проблемы с памятью обычно уже решены.
  • Микроконтроллеры ( Часть 15 ) уже имеют на борту постоянную ( флэш ) и оперативную SRAM, а часто и постоянную EEPROM ( параметры, настройки и т.д. ).
  • Материнские платы компьютеров используют SDRAM в виде вставных модулей ( SODIMM и др. форматы ). При общении с ними требуется только следовать руководствам по подбору моделей.
  • Программируемая логика ( FPGA ) без внутрикристальной флэш-памяти загружает конфигурацию из специальной последовательной памяти, протокол общения с которой подробно расписан в руководстве пользователя. [* К сожалению, того же нельзя сказать про формат прошивки ] .
• Проще всего работать с асинхронной статической памятью либо имитирующими её разновидностями, например, псевдостатической. Скорость доступа для обычной SRAM и PSRAM составляет 50 ns , а для быстрой статики - менее 10 ns . Последнюю можно использовать в качестве внешней кэш-памяти. Микропотребляющая статика может хранить данные, расходуя всего ∼1μA тока, а при умеренной частоте обращения потребляет около 1 mA .
• Синхронная статическая память имеет более сложное управление, но работает быстрее ( до 400 MHz и с удвоенной скоростью выдачи данных ). Хорошо подходит для внешнего кэша.
• Синхронная динамическая память, а конкретно модели с удвоенной частотой выдачи данных, являются основной оперативной памятью современных компьютеров. Чаще всего оформляется в виде модулей, но в законченных устройствах - роутерах, игровых приставках, дисплеях - отдельные микросхемы распаиваются прямо на плату.
• Флэш с организацией NAND - современный победитель в номинации постоянной памяти большой ёмкости ( USB накопители, CF, SD карты и твердотельные заменители жёстких дисков - SSD ). Она же хранит программы в микроконтроллерах и одноплатных вычислительных устройствах ( потребительская электроника, видеосистемы, сетевые устройства и т.п. ). Особенно удобна в использовании постоянная память с последовательным интерфейсом, которая может оформляться как в виде отдельных ИМС, так и виде SD-карт ( имеющих SPI-совместимый протокол обмена и удобных для подключения к микроконтроллеру напрямую ).



==1027

• Флэш-память с организацией NOR имеет все преимущества обычной асинхронной памяти и допускает непосредственное исполнение записанного в неё кода.
• EEPROM с возможностью побайтового изменения данных очень удобна для хранения параметров и настроек, когда объём последних невелик.
• Есть надежда, что новые технологии позволят создать постоянную память с неограниченным числом циклов стирания-записи-чтения. ( Такая память уже была: это память на магнитных кольцах. В ней всё отлично, если времена обращения в микросекундах, емкость в килобайтах, а цена в килодолларах устраивают [* ещё и энергопотребление/тепловыделение в ваттах, соответственно, медные теплоотводы и вес в килограммах ] . Но все развращены скоростью, плотностью и низкой ценой полупроводниковых решений. Пути назад нет ).



==1027