ΜΟΝΑΔΕΣ ΜΝΗΜΗΣ. Μονάδες Μνήμης 1. Ε. Κυριάκης Μπιτζάρος ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

Transcript

1 ΜΟΝΑΔΕΣ ΜΝΗΜΗΣ Μονάδες Μνήμης 1

2 Ταξινόμηση Μνημών Volatile Read-Write Memory Random Non-Random Access Access Μονάδες Μνήμης 2 Non-Volatile Read-Only Memory Read-Write Memory EPROM E2PROM FLASH FRAM SRAM FIFO DRAM LIFO (Ferroelectric) Shift Register MRAM (Magnetoresistive) CAM Memristor Mask-Programmed Programmable (PROM)

3 Ορισμοί σημάτων χρονισμού μνημών Μονάδες Μνήμης 3

4 Αρχιτεκτονική μνήμης M bits S S1 S2 SN - 2 SN - 1 M bits S Word Word 1 Word 2 Storage cell - Word N 2 Word A Word 1 A1 Word 2 AK- 1 Word N - 1 Storage cell Word N - 2 Word N - 1 K = log2n Input-Output (M bits) Απλή αρχιτεκτονική μιας μνήμης N x M Πολύ μεγάλος αριθμός σημάτων επιλογής N λέξεις == N σήματα επιλογής Μονάδες Μνήμης 4 Input-Output (M bits) Ο αποκωδικοποιητής ελαττώνει τον αριθμό των σημάτων επιλογής K = log2n

5 Αρχιτεκτονική μνήμης Πρόβλημα της απλής αρχιτεκτονικής: ύψος >> πλάτος (aspect ratio) Ενίσχυση σε πλήρες εύρος (full swing) Αποκωδικοποιητής στήλης Μονάδες Μνήμης 5

6 Read-only memory (ROM) Sel a Address a1 am 1 m-to-2m decoder Sel 1 Sel 2 Sel 2m 1 /1 /1 /1 /1 /1 /1 /1 /1 /1 /1 /1 /1 Read Data Μονάδες Μνήμης 6 d n 1 dn 2 d

7 ROM cells BL BL BL VDD WL WL WL 1 BL WL BL WL BL WL GND Diode ROM MOS ROM 1 MOS ROM 2 Η ύπαρξη διόδου ή τρανζίστορ αντιστοιχεί στην αποθήκευση '' ή '1'. Δεν υπάρχει δυνατότητα διαγραφής ή επαναπρογραμματισμού Μονάδες Μνήμης 7

8 CMOS NOR ROM VDD Pull-up devices WL[] GND WL[1] WL[2] GND WL[3] BL[] BL[1] BL[2] BL[3] Όλες οι γραμμές επιλογής (WL) είναι εκτός από την επιλεγμένη λέξη Μονάδες Μνήμης 8

9 CMOS NAND ROM VDD Pull-up devices BL[] BL[1] BL[2] BL[3] WL[] WL[1] WL[2] WL[3] All οι word lines επιλογής high by default with selected row λέξη Όλες γραμμές (WL) είναι 1 exception εκτός απόofτην επιλεγμένη Μονάδες Μνήμης 9

10 Η ψηφιακή στήλη της Rosetta Αποτελείται από 4 δισκία Si 3 mm συγκολλημένα και διασυνδεδεμένα. Αποθηκεύει 2.5 terabits δεδομένων σε ROM. Κατασκευάζεται σε τεχνολογία CMOS 45-nm. Προγραμματίζεται με λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης. Εκτιμώμενη διάρκεια ζωής 1 έτη. Προστασία με ειδική μεμβράνη για αποφυγή διάβρωσης. Ανάκτηση των δεδομένων με ασύρματο σύστημα (RFID-like). Ολοκληρωμένα πηνία για συλλογή ενέργειας και αποστολή δεδομένων Μονάδες Μνήμης 1

11 Μη-πτητικές μνήμες (Non-Volatile) Floating-gate transistor (FAMOS) Floating gate Gate Source Drain G tox tox n+ Substrate p Device cross-section Μονάδες Μνήμης 11 D n+_ S Schematic symbol

12 Αρχή λειτουργίας EPROM/EEPROM Προγραμματισμός: Ηλεκτρικός Σβήσιμο: Υπεριώδης ακτινοβολία (UV) ή ηλεκτρικό πεδίο (EEPROM, FLASH) 2 V 1 V S 5V V 2 V D Η τάση προγραμματισμού είναι μεγάλη (2 V) ώστε είναι δυνατή η διέλευση ηλεκτρονίων από το SiO2 και η συσσώρευσή τους στη floating gate Μονάδες Μνήμης 12 5V S 5V V D Τα συσσωρευμένα ηλεκτρόνια παραμένουν στη floating gate και μετά την απομάκρυνση της τάσης προγραμματισμού 2.5 V S 5V D Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στη floating gate μεταβάλουν την τάση κατωφλίου ώστε με την κανονική τάση λειτουργίας να είναι δυνατή η ανίχνευση της αποθηκευμένης τιμής

13 EEPROM Transistor Gate Floating gate I Drain Source 2 3 nm V GD -1 V 1 V n1 n1 Substrate p 1 nm FLOTOX transistor Μονάδες Μνήμης 13 Fowler-Nordheim I-V characteristic

14 Flash Memory Transistor (ΕΤΟΧ) C ontrol gate F l o ati ng gate T hi n tun nel i ng o x i d e erasure n 1 so urce p ro g r a m m in g n 1 drai n p - substrate Απόσταση της επιπλέουσας πύλης από το υπόστρωμα ~1nm. Σβήσιμο με ηλεκτρικό πεδίο ανά σελίδα. Δυναμικός έλεγχος της τάσης κατωφλίου και ρύθμιση του χρόνου. Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Μονάδες Μνήμης 14

15 Cross-sections of NVM cells Flash Μονάδες Μνήμης 15 Courtesy Intel EPROM

16 Ferroelectric FRAM Προγραμματισμός/Σβήσιμο: Ηλεκτρικό Μη Πτητική (αποθήκευση πληροφορίας ως αλλαγή πόλωσης κρυστάλλου) Ταχύτητα ανάγνωσης/εγγραφής ανάλογη με RAM Χαμηλή κατανάλωση ισχύος (δεν απαιτείται μεγάλη τάση προγραμματισμού Μικρή χωρητικότητα (max 4Mbits) cs/fram/technology/ Texas Instruments (Lead-Zirconate-Titanate, 13 nm,.4μm2, 4Mbits) Μονάδες Μνήμης 16

17 Magnetoresistive MRAM Προγραμματισμός/Σβήσιμο: Ηλεκτρικό Μη Πτητική (αποθήκευση ως προσανατολισμός μαγνητικού πεδίου) Ταχύτητα ανάγνωσης/εγγραφής ανάλογη με RAM Μικρή χωρητικότητα (max 4Mbits) Μονάδες Μνήμης 17

18 Phase Change RAM Phase-change: Αλλαγή φάσης Κρυσταλλοποίηση με θέρμανση πάνω από συγκεκριμένη θερμοκρασία (SET), Αμορφοποίηση (λιώσιμο) (RESET) Εγγραφή με παλμούς ρεύματος μέτριας ισχύος, μεγάλης διάρκειας Διαγραφή με παλμούς ρεύματος υψηλής ισχύος μικρής διάρκειας Ανάγνωση με χαμηλή ισχύ για μέτρηση της αντίστασης (πέντε τάξεις μεγέθους διαφορά ανάμεσα σε '' και '1') IBM J. RES. & DEV. VOL. 52 NO. 4/5 JULY/SEPTEMBER 28 S. RAOUX ET AL. Μονάδες Μνήμης 18

19 Memristor Η ύπαρξή του είχε προβλεφθει το 1971 από τον Leon Chua, Univ. of California Berkeley. Υλοποιήθηκε το 28 από ερευνητές της Hewlett-Packard. Μονάδες Μνήμης 19

20 Memristor Κύβος 4-nm από δύο στρώματα διοξείδιο του τιτανίου (TiO 2) Στο ένα στρώμα TiO2 υπάρχει αναλογία οξυγόνο τιτάνιο 2:1--> Μονωτής. Στο άλλο στρώμα TiO2 layer υπάρχει.5% λιγότερο οξυγόνο--> Αγώγιμο. Προγραμματισμός με ηλεκτρικό πεδίο. Η μετακίνηση των ατόμων του οξυγόνου μεταβάλλει την αγωγιμότητα του στοιχείου. Μη Πτητική (τα άτομα του οξυγόνου δεν μετακινούνται) Οι εταιρίες Hynix και HP αναπτύσουν Resistive RAM Μονάδες Μνήμης 2

21 Read-Write Memories (RAM) ΣΤΑΤΙΚΗ ΜΝΗΜΗ (SRAM) Τα δεδομένα παραμένουν στη μνήμη όσο διατηρείται η τροφοδοσία Μεγάλο μέγεθος (6 transistors/cell) Γρήγορη απόκριση Διαφορικό σήμα ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΝΗΜΗ (DRAM) Απαιτείται περιοδική ανανέωση των δεδομένων Μικρό μέγεθος (1-3 transistors/cell) Μικρότερη ταχύτητα Μονοπολικό σήμα (Single Ended) Μονάδες Μνήμης 21

22 Random access memory (RAM) Data inputs dn 1 d n 2 d qn 1 qn 2 q Write Sel a Address a1 am 1 m-to-2m decoder Sel 1 Sel 2 Sel 2m 1 Read Data outputs Μονάδες Μνήμης 22

23 Στοιχείο Στατικής RAM Data1 Data Sel Sel Data Sel1 RAM cell 2 x 2 array of SRAM cells Μονάδες Μνήμης 23

24 Στοιχείο Στατικής RAM (6-T) WL V DD M2 M5 Q M1 BL Μονάδες Μνήμης 24 M4 Q M6 M3 BL

25 Στοιχείο Δυναμικής RAM (1-T DRAM) BL WL Write "1" Read "1" WL M1 X CS X VDD BL CBL VDD VT GND VDD/2 sensing VDD/2 Εγγραφή: Ο πυκνωτής Cs φορτίζεται ή εκφορτίζεται δίνοντας τιμές στο WL και BL Write: CS is charged or discharged by asserting WL andδεδομένων BL. Ανάγνωση: Ανακατανομή φορτίου μεταξύ της γραμμής (BL) και της Read: Charge redistribution takes places between bit line and storage capacitance χωρητικότητας αποθήκευσης. CS V = VBL VPRE = VBIT VPRE CS + CBL Η διαφορά δυναμικού μεταξύ και 1 είναι πολύ Voltage swing is small; typically around 25μικρή mv. ~ 25 mv Μονάδες Μνήμης 25

26 Δομή στοιχείου 1-Τ DRAM Word line Insulating Layer Cell plate Capacitor dielectric layer Cell Plate Si Capacitor Insulator Transfer gate Refilling Poly Isolation Storage electrode Storage Node Poly Si Substrate 2nd Field Oxide Trench Cell Μονάδες Μνήμης 26 Stacked-capacitor Cell

27 Ζ-RAM Innovative Silicon Inc. Μονάδες Μνήμης 27

28 Πλεονάζοντα στοιχεία (Redundancy) Λόγω του πλήθους των στοιχείων μνήμης απαιτείται η χρήση πλεοναζόντων στοιχείων για αντικατάσταση των κατεστραμμένων. Row Address Redundant rows : Fuse Bank Memory Array Column Decoder Μονάδες Μνήμης 28 Row Decoder Redundant columns Column Address

29 Σύγκριση τύπων μνήμης Μονάδες Μνήμης 29

30 Περιφερειακά Μνημών Clock generator Z-address buffer X-address buffer Predecoder and block selector Bit line load Transfer gate Column decoder Sense amplifier and write driver CS, WE buffer Μονάδες Μνήμης 3 I/O buffer x1/x4 controller Y-address buffer X-address buffer

31 Περιφερειακά Μνημών ΑΠΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΕΣ (DECODERS) ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ (SENSE AMPLIFIERS) ΑΠΟΜΟΝΩΤΕΣ ΕΙΣΟΔΟΥ/ΕΞΟΔΟΥ (I/O BUFFERS) ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΑΙ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ (CONTROL& TIMING) Μονάδες Μνήμης 31

32 Δυαδικός Αποκωδικοποιητής w n inputs y 2n wn 1 Enable w y2n 1 En y w1 y1 En w1 w x 1 1 x y y1 y2 y y2 1 y3 En Αποκωδικοποιητής 2 σε 4 Μονάδες Μνήμης 32

33 Αποκωδικοποιητής 4 σε 16 w w1 w w1 En w w1 w2 w3 w w1 En En y y1 y2 y3 En w w1 En w w1 En Μονάδες Μνήμης 33 y y1 y2 y3 y y1 y2 y3 y y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 y y1 y2 y3 y8 y9 y1 y11 y y1 y2 y3 y12 y13 y14 y15

34 H RAM στους προσωπικούς υπολογιστές FB-DIMM (fully buffered DIMM) SDRAM: Synchronous Dynamic RAM Ταχύτητα μνήμης: 66 MHz (PC66) - 133MHz (PC133). Μήκος λέξης: 64 bits, Μέγεθος: 128Kbytes 512 Kbytes DDR: Double Data Rate (22) Ταχύτητα μνήμης: 2MHz (DDR2) 8 MHz (DDR8). Μήκος διαύλου: 128 bits, Μέγεθος: έως 2Gbytes Μονάδες Μνήμης 34

35 Μνήμη FLASH Κάρτες Μνήμης φωτογραφικών μηχανών Solid-State-Disk Semiconductor/FlashSSD/index.htm USB Flash Memories State-of-the-art το 27 Samsung 64Gbits με χρήση 8 Ο.Κ. των 8Gbits Υπό κατασκευή Ολοκληρωμένο Κύκλωμα 64 Gbits Μονάδες Μνήμης 35

36 Επέκταση RAM Data I/O Υλοποίηση RAM 256Κbytes με χρήση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων 64 Kbytes Μονάδες Μνήμης 36

37 Επέκταση RAM 16 Data I/O lines Υλοποίηση RAM 64Κ λέξεων 16 ψηφίων με χρήση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων 64 Kbytes Μονάδες Μνήμης 37