Статическая память с произвольным доступом - Static random-access memory

Не путать с синхронная динамическая память с произвольным доступом (SDRAM).
Чип статической RAM от Система развлечений Nintendo клон (2К × 8 бит)
Память компьютера типы
Общее
Летучий
ОЗУ
Исторический
Энергонезависимая
ПЗУ
NVRAM
Ранняя стадия NVRAM
Магнитный
Оптический
В развитии
Исторический

Статическая память с произвольным доступом (статическая RAM или SRAM) является разновидностью оперативная память (RAM), который использует схема фиксации (триггер) хранить каждый бит. SRAM - это энергозависимая память; данные теряются при отключении питания.

Период, термин статический отличает SRAM от DRAM (динамичный оперативная память), которая должна периодически освеженный. SRAM быстрее и дороже, чем DRAM; это обычно используется для Кэш процессора в то время как DRAM используется для компьютерных основная память.

История

Полупроводниковый биполярный SRAM был изобретен в 1963 году Робертом Норманом в Fairchild Semiconductor.[1] MOS SRAM был изобретен в 1964 году Джоном Шмидтом в Fairchild Semiconductor. Это была 64-битная MOS p-канальная SRAM.[2][3]

В 1965 г.[4] Арнольд Фарбер и Юджин Шлиг, работающие в IBM, создали жесткую ячейка памяти, с помощью транзистор ворота и туннельный диод защелка. Заменили защелку на два транзистора и два резисторы, конфигурация, которая стала известна как ячейка Фарбера-Шлига. В 1965 году Бенджамин Агуста и его команда в IBM создали 16-битный кремниевый чип памяти на основе ячейки Фарбера-Шлига с 80 транзисторами, 64 резисторами и 4 диодами.

Приложения и использование

Ячейки SRAM на умри из STM32F103VGT6 микроконтроллер как видит растровый электронный микроскоп. Изготовлены по STMicroelectronics используя 180 нанометр обработать.
Изображение для сравнения 180 нанометр Ячейки SRAM на STM32F103VGT6 микроконтроллер как видит оптический микроскоп

Характеристики

Хотя его можно охарактеризовать как энергозависимая память SRAM экспонаты остаточные данные.[5]

SRAM предлагает простую модель доступа к данным и не требует схемы обновления. Производительность и надежность хорошие, а энергопотребление в режиме ожидания низкое.

Из-за количества транзисторов, необходимых для реализации ячейки SRAM, плотность уменьшается, а цена увеличивается по сравнению с DRAM, а потребление энергии велико, когда данные активно читаются или записываются.

Тактовая частота и мощность

В мощность потребление SRAM широко варьируется в зависимости от того, как часто к ней обращаются. Было предложено несколько методов управления энергопотреблением структур памяти на основе SRAM.[6]

Встроенное использование

Многие категории промышленных и научных подсистем, автомобильной электроники и т. П. Содержат статическое ОЗУ, которое в данном контексте может называться ESRAM.[7] Некоторое количество (килобайты или меньше) также встроено практически во все современные устройства, игрушки и т. Д., Которые реализуют электронный пользовательский интерфейс. Несколько мегабайт можно использовать в сложных продуктах, таких как цифровые фотоаппараты, сотовые телефоны, синтезаторы, игровые приставки и т. Д.

SRAM в своем двухпортовый форма иногда используется для реального времени цифровая обработка сигналов схемы.[8]

В компьютерах

SRAM также используется в персональных компьютерах, рабочих станциях, маршрутизаторах и периферийном оборудовании: ЦП зарегистрировать файлы, внутренний Кеши процессора и внешний в режиме серийной съемки Кеши SRAM, жесткий диск буферы, маршрутизатор буферы и т. д. ЖК-экраны и принтеры также обычно используют статическое ОЗУ для хранения отображаемого изображения (или для печати). Статическая ОЗУ использовалась для основной памяти некоторых ранних персональных компьютеров, таких как ZX80, TRS-80 Модель 100 и Коммодор ВИК-20.

Любители

Любители, особенно любители домашних процессоров,[9] часто предпочитают SRAM из-за простоты взаимодействия. С ней намного проще работать, чем с DRAM, поскольку здесь нет циклов обновления, а шины адреса и данных часто доступны напрямую.[нужна цитата ] Помимо шин и соединений питания, для SRAM обычно требуется только три элемента управления: включение микросхемы (CE), разрешение записи (WE) и разрешение вывода (OE). В синхронной SRAM также включены часы (CLK).[нужна цитата ]

Типы SRAM

Энергонезависимая SRAM

Энергонезависимая SRAM (nvSRAM) имеют стандартные функции SRAM, но они сохраняют данные при отключении питания, обеспечивая сохранение важной информации. nvSRAM используются в широком спектре ситуаций - сетевых, аэрокосмических и медицинских, среди многих других.[10] - где сохранение данных имеет решающее значение и где батареи нецелесообразны.

Псевдо SRAM

Псевдостатическая RAM (PSRAM) имеет ядро ​​памяти DRAM в сочетании со схемой самообновления.[11] Внешне они выглядят как более медленная SRAM. У них есть преимущество плотности / стоимости по сравнению с истинным SRAM, без сложности доступа к DRAM.

По типу транзистора

По типу флип-флоп

По функциям

  • Асинхронный - не зависит от тактовой частоты; ввод и вывод данных контролируются переходом адреса. Примеры включают в себя широко распространенные 28-контактные микросхемы 8K × 8 и 32K × 8 (часто, но не всегда называемые чем-то вроде 6264 и 62C256 соответственно), а также аналогичные продукты до 16 Мбит на чип
  • Синхронный - все тайминги инициируются фронтом (ами) часов. Адрес, входные данные и другие управляющие сигналы связаны с тактовыми сигналами.

В 1990-х годах асинхронная SRAM использовалась для быстрого доступа. Асинхронная SRAM использовалась как основная память для небольших встраиваемых процессоров без кеша, используемых во всем, начиная с промышленная электроника и системы измерения к жесткие диски и сетевое оборудование, среди многих других приложений. В настоящее время синхронная SRAM (например, DDR SRAM) используется аналогично синхронной DRAM - DDR SDRAM используется память, а не асинхронная DRAM. Интерфейс синхронной памяти намного быстрее, поскольку время доступа может быть значительно сокращено за счет использования трубопровод архитектура. Кроме того, поскольку DRAM намного дешевле, чем SRAM, SRAM часто заменяется DRAM, особенно в случае, когда требуется большой объем данных. Однако память SRAM намного быстрее для произвольного (не блочного / пакетного) доступа. Поэтому память SRAM в основном используется для Кэш процессора, небольшая встроенная память, ФИФО или другие небольшие буферы.

По характеристикам

  • Нулевой оборот автобуса (ZBT) - оборот - это количество тактов, необходимое для изменения доступа к SRAM с записывать к читать и наоборот. Оборот для ZBT SRAM или задержка между циклом чтения и записи равна нулю.
  • syncBurst (syncBurst SRAM или синхронно-пакетная SRAM) - обеспечивает доступ к синхронной пакетной записи в SRAM для увеличения количества операций записи в SRAM.
  • DDR SRAM - Синхронный, одиночный порт чтения / записи, удвоенная скорость ввода-вывода
  • Счетверенная скорость передачи данных SRAM - Синхронные, отдельные порты чтения и записи, четырехкратная скорость ввода-вывода

Встроен в чип

SRAM может быть интегрирована как RAM или кэш-память в микроконтроллеры (обычно от 32 до 128 байт).килобайты ), как первичный кэш в мощных микропроцессорах, таких как x86 семья и многие другие (из 8КБ, до многих мегабайт), для хранения регистров и частей конечных автоматов, используемых в некоторых микропроцессорах (см. зарегистрировать файл ), на специализированных ИС, или ASIC (обычно порядка килобайт) и в Программируемая вентильная матрица и Комплексное программируемое логическое устройство

дизайн

Шеститранзисторная ячейка CMOS SRAM

Типичная ячейка SRAM состоит из шести МОП-транзисторы. Каждый немного в SRAM хранится на четырех транзисторы (M1, M2, M3, M4), которые образуют два перекрестно связанных инвертора. Эта ячейка хранения имеет два стабильных состояния, которые используются для обозначения 0 и 1. Два дополнительных доступ Транзисторы служат для управления доступом к ячейке памяти во время операций чтения и записи. В дополнение к такой шеститранзисторной (6T) SRAM, другие типы микросхем SRAM используют 4, 8, 10 (4T, 8T, 10T SRAM) или более транзисторов на бит.[12][13][14] Четырехтранзисторная SRAM довольно распространена в автономных устройствах SRAM (в отличие от SRAM, используемой для кешей ЦП), реализована в специальных процессах с дополнительным уровнем поликремний, что позволяет использовать подтягивающие резисторы с очень высоким сопротивлением.[15] Главный недостаток использования 4T SRAM - увеличение статическая мощность из-за постоянного протекания тока через один из понижающих транзисторов.

Четырехтранзисторная SRAM обеспечивает преимущества в плотности за счет сложности производства. Резисторы должны иметь малые габариты и большие номиналы.

Иногда это используется для реализации более одного порта (для чтения и / или записи), что может быть полезно в определенных типах видеопамять и зарегистрировать файлы реализован с помощью многопортовой схемы SRAM.

Как правило, чем меньше транзисторов требуется на ячейку, тем меньше может быть каждая ячейка. Поскольку стоимость обработки кремниевой пластины относительно фиксирована, использование ячеек меньшего размера и, таким образом, размещение большего количества битов на одной пластине снижает стоимость одного бита памяти.

Возможны ячейки памяти, в которых используется менее четырех транзисторов, но такие 3T[16][17] или 1T ячеек - это DRAM, а не SRAM (даже так называемые 1T-SRAM ).

Доступ к ячейке обеспечивается словарной строкой (WL на рисунке), которая управляет двумя доступ транзисторы М5 И м6 которые, в свою очередь, определяют, должна ли ячейка подключаться к битовым линиям: BL и BL. Они используются для передачи данных как для операций чтения, так и для записи. Хотя не обязательно иметь две битовые линии, как сигнал, так и его инверсия обычно предоставляются для улучшения маржа шума.

Во время доступа для чтения битовые линии активно повышаются и понижаются инверторами в ячейке SRAM. Это улучшает пропускную способность SRAM по сравнению с DRAM - в DRAM битовая линия подключена к накопительным конденсаторам и разделение заряда заставляет битовую линию качаться вверх или вниз. Симметричная структура SRAM также позволяет дифференциальная сигнализация, что облегчает обнаружение небольших колебаний напряжения. Еще одно отличие DRAM, которое способствует ускорению SRAM, заключается в том, что коммерческие микросхемы принимают все биты адреса одновременно. Для сравнения, обычные DRAM имеют адрес, мультиплексированный на две половины, то есть старшие биты, за которыми следуют младшие биты, на тех же контактах корпуса, чтобы уменьшить их размер и стоимость.

Размер SRAM с м адресные строки и п строки данных 2м слова, или 2м × п биты. Самый распространенный размер слова - 8 бит, что означает, что один байт может быть прочитан или записан в каждый из двухм разные слова внутри микросхемы SRAM. Несколько общих микросхем SRAM имеют 11 адресных линий (таким образом, емкость 211 = 2,048 = 2k слов) и 8-битное слово, поэтому они называются «2k × 8 SRAM».

Размеры ячейки SRAM на ИС определяются минимальный размер элемента процесса, используемого для изготовления IC.

Операция SRAM

Ячейка SRAM имеет три разных состояния: стоять рядом с (цепь простаивает), чтение (данные запрошены) или письмо (обновление содержимого). SRAM, работающая в режиме чтения и записи, должна иметь «читаемость» и «стабильность записи» соответственно. Три разных состояния работают следующим образом:

Стоять рядом с

Если строка слов не утверждена, доступ транзисторы М5 И м6 отключите ячейку от битовых линий. Два инвертора с перекрестной связью, образованные M1 - М4 будут продолжать усиливать друг друга, пока они подключены к источнику питания.

Чтение

Теоретически для чтения требуется только подтверждение словарной строки WL и считывание состояния ячейки SRAM с помощью одного транзистора доступа и разрядной линии, например M6, BL. Однако битовые линии относительно длинные и имеют большие паразитная емкость. Для ускорения чтения на практике используется более сложный процесс: цикл чтения начинается с предварительной зарядки обеих битовых линий BL и BL, до высокого (логика 1) Напряжение. Затем утверждение словарной шины WL включает оба транзистора доступа M5 И м6, что вызывает небольшое падение напряжения одной разрядной линии BL. Затем BL и BL линии будут иметь небольшую разницу в напряжении между ними. Усилитель считывания определит, какая линия имеет более высокое напряжение, и, таким образом, определит, было ли 1 или 0 хранится. Чем выше чувствительность усилителя считывания, тем быстрее операция чтения. Чем мощнее NMOS, тем легче выполнить раскрытие. Поэтому разрядные шины традиционно предварительно заряжаются до высокого напряжения. Многие исследователи также пытаются выполнить предварительную зарядку при немного более низком напряжении, чтобы снизить энергопотребление.[18][19]

Письмо

Цикл записи начинается с применения записываемого значения к битовым строкам. Если мы хотим написать 0, мы применим 0 к битовым строкам, т.е. установка BL к 1 и BL к 0. Это похоже на подачу импульса сброса на SR-защелка, что приводит к изменению состояния триггера. А 1 записывается путем инвертирования значений битовых строк. Затем утверждается WL, и значение, которое должно быть сохранено, фиксируется. Это работает, потому что драйверы ввода битовой линии спроектированы так, чтобы быть намного сильнее, чем относительно слабые транзисторы в самой ячейке, поэтому они могут легко переопределить предыдущее состояние кросс-связанные инверторы. На практике доступ к NMOS-транзисторам M5 И м6 должны быть сильнее любой нижней NMOS (M1, М3) или верхний PMOS (M2, М4) транзисторы. Это легко получить, поскольку транзисторы PMOS намного слабее, чем NMOS, при том же размере. Следовательно, когда одна пара транзисторов (например, M3 И м4) лишь немного отменяется процессом записи, противоположная пара транзисторов (M1 И м2) напряжение затвора также изменяется. Это означает, что M1 И м2 транзисторы легче переопределить и т. д. Таким образом, инверторы с перекрестной связью увеличивают процесс записи.

Поведение автобуса

ОЗУ со временем доступа 70 нс будет выводить действительные данные в пределах 70 нс с момента, когда адресные строки действительны. Данные будут действительны до 20–30 нс после удаления сигнала OE. Все времена нарастания и спада сигнала составляют примерно 5 нс. Некоторые SRAM имеют "страничный режим", в котором слова страницы (256, 512 или 1024 слова) могут быть прочитаны последовательно со значительно более коротким временем доступа (обычно приблизительно 30 нс). Страница выбирается путем установки верхних адресных строк, а затем слова последовательно считываются путем пошагового перехода по нижним адресным строкам.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ «1966 год: полупроводниковые ОЗУ удовлетворяют потребности в высокоскоростной памяти». Музей истории компьютеров. Получено 19 июн 2019.
  2. ^ "1970: MOS динамическая RAM конкурирует с памятью на магнитных сердечниках по цене".
  3. ^ «Лекции памяти» (PDF).
  4. ^ «Неразрушающий массив памяти».
  5. ^ Сергей Скоробогатов (июнь 2002 г.). «Низкотемпературное остаточное действие данных в статической ОЗУ». Кембриджский университет, компьютерная лаборатория. Получено 2008-02-27. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  6. ^ "Обзор архитектурных методов повышения энергоэффективности кэша ", С. Миттал, SUSCOM, 4 (1), 33–43, 2014 г.
  7. ^ Фахад Ариф (5 апреля, 2014). «Microsoft заявляет, что ESRAM для Xbox One - это« огромная победа »- объясняет, как она позволяет достичь 1080p / 60 FPS». Получено 2020-03-24.
  8. ^ Интерфейс разделяемой памяти с TMS320C54x DSP (PDF), получено 2019-05-04
  9. ^ «Самодельный процессор».
  10. ^ Компьютерная организация (4-е изд.). [S.l.]: МакГроу-Хилл. 1996-07-01. ISBN  978-0-07-114323-3.
  11. ^ «3.0V Core Async / Page PSRAM Memory» (PDF). Микрон. Получено 2019-05-04.
  12. ^ Kulkarni, Jaydeep P .; Ким, Киджонг; Рой, Кошик (2007). «Надежная подпороговая SRAM на основе триггера Шмитта на 160 мВ». Журнал IEEE по твердотельным схемам. 42 (10): 2303. Bibcode:2007IJSSC..42.2303K. Дои:10.1109 / JSSC.2007.897148. S2CID  699469.
  13. ^ Патент США 6975532: Квазистатическая оперативная память
  14. ^ «Оптимизация площади в ячейках SRAM 6T и 8T с учетом V-го изменения в будущих процессах - MORITA и др. E90-C (10): 1949 - Сделки IEICE по электронике». Архивировано из оригинал на 2008-12-05.
  15. ^ Престон, Рональд П. (2001). «14: Регистрация файлов и кешей» (PDF). Конструкция высокопроизводительных микропроцессорных схем. IEEE Press. п. 290.
  16. ^ Патент США 6975531: 6F2 3-транзисторная ячейка усиления DRAM
  17. ^ Технология 3T-iRAM (r)
  18. ^ Система предварительной зарядки SRAM для снижения мощности записи
  19. ^ Правила проектирования с высокой скоростью и низким энергопотреблением для предварительной зарядки и самосинхронизации SRAM в соответствии с технологическими вариациями