Μνήμες RAM Διάλεξη 12
Δομή της διάλεξης Εισαγωγή Κύτταρα Στατικής Μνήμης Κύτταρα Δυναμικής Μνήμης Αισθητήριοι Ενισχυτές Αποκωδικοποιητές Διευθύνσεων Ασκήσεις 2
Μνήμες RAM Εισαγωγή 3
Μνήμες RAM RAM: μνήμη με ικανότητα εγγραφής και ανάγνωσης στην οποία η προσπέλαση σε οποιαδήποτε θέση είναι το ίδιο εύκολη με κάθε άλλη θέση Τύποι RAM: Στατική RAM: μη καταστροφική ανάγνωση της αποθηκευμένης πληροφορίας Δυναμική RAM: συνήθως καταστροφική ανάγνωση, διαδικασία επανατοποθέτησης των δεδομένων στη μνήμη Επιθυμητά χαρακτηριστικά: Μεγάλη ταχύτητα Μεγάλη πυκνότητα αποθήκευσης Μικρή κατανάλωση ισχύος 4
Chip μνήμης 256Mb 5
Λειτουργικά τμήματα μιας βασικής συστοιχίας μνήμης 2 Μ+Ν θέσεις αποθήκευσης 6
Μνήμες RAM Κύτταρα Στατικής Μνήμης 7
Μανδαλωτής Δύο αντιστροφείς σε σειρά, με την έξοδο του δεύτερου να συνδέεται πίσω στην είσοδο του πρώτου Δισταθές κύκλωμα 8
Μανδαλωτής Χαρακτηριστική μεταφοράς τάσης δύο αντιστροφέων σε σειρά Δύο σταθερά σημεία χρήση για αποθήκευση δυαδικών δεδομένων Ένα ασταθές χρήσιμο για τη σχεδίαση αισθητηρίων ενισχυτών 9
Το κύτταρο 6-Τ Το βασικό κύτταρο μνήμης σχηματίζεται από τον μανδαλωτή δύο αντιστροφέων και δύο τρανζίστορ πρόσβασης M A1 και M A2 Τα M A1 και M A2 προσφέρουν απομόνωση από άλλα κύτταρα μνήμης, και παρέχουν μια δίοδο για την εγγραφή και την ανάγνωση πληροφορίας Συμπληρωματικές έξοδοι 10
Το κύτταρο 6-Τ Υλοποιήσεις (a) Κύτταρο μνήμης NMOS με έξι τρανζίστορ, (b) Κύτταρο μνήμης NMOS με αντιστάσεις φόρτου από πολυπυρίτιο, (c) Κύτταρο μνήμης CMOS με έξι τρανζίστορ 11
Η Λειτουργία Ανάγνωσης Ανάγνωση με 0 αποθηκευμένο στο κύτταρο Οι δύο γραμμές bit είναι αρχικά προφορτισμένες στο μισό της V DD 12
Η Λειτουργία Ανάγνωσης M P1, M N2 είναι off Μ Α1 στηγραμμικήπεριοχή Μ Α2 στον κορεσμό 13
Η Λειτουργία Ανάγνωσης Οι τάσεις στο κύκλωμα, αφού ο αισθητήριος ενισχυτής φτάσει στη σταθερή κατάσταση Ο μανδαλωτής έχει αποκαταστήσει τις τάσεις των κυττάρων στα πλήρη λογικά επίπεδα 14
Η Λειτουργία Ανάγνωσης Οι κυματομορφές του κυκλώματος 15
Η Λειτουργία Ανάγνωσης Η ανάγνωση ενός 1, απλά αντιστρέφει τις συνθήκες 16
Η Λειτουργία Εγγραφής Κύτταρο μνήμης το οποίο είναι έτοιμο για μια εγγραφή ενός 0, ενώ είναι ήδη αποθηκευμένο ένα 0 στο κύτταρο 17
Η Λειτουργία Εγγραφής Κύτταρο μνήμης το οποίο είναι έτοιμο για μια εγγραφή ενός 0, ενώ είναι ήδη αποθηκευμένο ένα 1 στο κύτταρο Πρέπει να αλλάξει η κατάσταση του κυττάρου 18
Η Λειτουργία Εγγραφής Οι κυματομορφές γραμμών bit και κόμβου δεδομένων καθώς γράφεται ένα 0 στο κύτταρο 6-Τ 19
Μνήμες RAM Κύτταρα Δυναμικής Μνήμης 20
Το κύτταρο 1-Τ Χαλαρώνοντας την απαίτηση για στατική αποθήκευση δεδομένων, καταλήγουμε σε πολύ μικρότερο κύτταρο μνήμης Απαιτεί μόνο ένα τρανζίστορ και έναν πυκνωτή Τα δεδομένα αποθηκεύονται ως παρουσία ή απουσία φορτίου στον πυκνωτή του κυττάρου Ρεύματα διαρροής ηπληροφορίατελικά καταστρέφεται Περιοδικήανάγνωσητηςκατάστασηςτου κυττάρου και επανεγγραφή της: λειτουργία ανανέωσης Χρόνος ανανέωσης: 2 ms έως 10 ms 21
Η αποθήκευση ενός 0 Το MOSFET εκφορτίζει εντελώς τη χωρητικότητα 22
Η αποθήκευση ενός 1 Το MOSFET φορτίζει τη χωρητικότητα σε μια τάση που είναι μικρότερη από την τάση πύλης κατά μια τάση κατωφλίου 23
Η ανάγνωση δεδομένων Προφόρτιση γραμμής bit συνήθως μέχρι V DD ή V DD /2 ΟλικόφορτίοστουςδύοπυκνωτέςQ I =C BL V BL +C C V C Τρανζίστορ πρόσβασης σε αγωγή Διαμοιρασμός φορτίου Η τελική τιμή του αποθηκευμένου φορτίου Q F =(C BL +C C )V F Η τάση στη γραμμή bit μεταβάλλεται ελαφρά Q I =Q F οπότε V F C V = C BL BL C C BL + C V + C C Το σήμα που πρέπει να ανιχνευτεί είναι η μεταβολή στην τάση της γραμμής bit από την αρχική τιμή προφόρτισής της: C Δ V = V V = V V = ( ) C F BL C BL CBL + CC ( V V ) C C C BL C BL + 1 24
Η ανάγνωση δεδομένων Αν η V BL προφορτιστεί στο μισό μεταξύ των επιπέδων 1 και 0 ΔV είναι θετική αν αποθηκευτεί 1 στο κύτταρο και αρνητική για 0 ΗΔV μπορεί να είναι αρκετά μικρή Το περιεχόμενο του κυττάρου καταστρέφεται κατά την ανάγνωση Τα δεδομένα πρέπει επανεγγραφούν στο κύτταρο 25
Το κύτταρο 3-Τ Αποθήκευση πληροφορίας στη C C όπως και στο κύτταρο 1-T Προσθήκη δύο τρανζίστορ για μη καταστρεπτική ανάγνωση Και εδώ πρέπει να γίνεται περιοδική ανανέωση γιατί τα ρεύματα διαρροής θα καταστρέψουν την πληροφορία 26
Το κύτταρο 4-Τ Συμβιβασμός ανάμεσα στα κύτταρα 6-Τ και1-τ Τα στοιχεία φόρτου παραλείπονται Η πληροφορία αποθηκεύεται στις χωρητικότητες 27
Αποθήκευση στο κύτταρο 4-Τ 28
Ανάγνωση από το κύτταρο 4-Τ 29
Μνήμες RAM Αισθητήριοι Ενισχυτές 30
Αισθητήριοι Ενισχυτές Ανιχνεύουν τα μικρά ρεύματα που διατρέχουν τα τρανζίστορ πρόσβασης ή τη μικρή διαφορά τάσης που προκύπτει από το διαμοιρασμό του φορτίου Ενισχύουν το σήμα σε πλήρη λογικά επίπεδα Για κάθε γραμμή bit ή ζεύγος γραμμών bit υπάρχει ένας αισθητήριος ενισχυτής Αναγεννητικές ιδιότητες του κυκλώματος μανδάλωσης αίσθηση μεγάλης ταχύτητας 31
Αισθητήριος Ενισχυτής για το κύτταρο 6-T Αισθητήριος Ενισχυτής: Μανδαλωτής δύο αντιστροφέων συν τρανζίστορ προφόρτισης Το τρανζίστορ προφόρτισης αναγκάζει το μανδαλωτή να λειτουργεί στο ασταθές σημείο ισορροπίας 32
Αισθητήριος Ενισχυτής για το κύτταρο 6-T Οι κυματομορφές τάσης της γραμμής bit στη διάρκεια της λειτουργίας προφόρτισης 33
Αισθητήριος Ενισχυτής για το κύτταρο 1-T Χρήση αντίστοιχου αισθητήριου ενισχυτή με αυτόν του κυττάρου 6-Τ 34
Αισθητήριος Ενισχυτής για το κύτταρο 1-T Η ασύμμετρη αίσθηση του κυττάρου 1-Τ 35
Μνήμες RAM Αποκωδικοποιητές Διευθύνσεων 36
Αποκωδικοποιητής NOR CMOS Αποκωδικοποιητής σειράς NOR CMOS, για στατική μνήμη 37
Αποκωδικοποιητής NAND CMOS Αποκωδικοποιητής σειράς NAND CMOS, για στατική μνήμη 38
Αποκωδικοποιητές Διευθύνσεων Η σειριακή δομή στοίβας της πύλης NAND τείνει να είναι πιο αργή από την αντίστοιχη παράλληλη δομή NOR Στατικές δομές: μεγάλη κατανάλωση ισχύος σε μνήμες υψηλής πυκνότητας Χρήση δυναμικών αποκωδικοποιητών: καταναλώνουν μικρή ισχύ, χρησιμοποιούν μόνο λίγα τρανζίστορ PMOS 39
Μνήμες RAM Ασκήσεις 40
Άσκηση 1 Εκφώνηση (προς λύση) Ένα chip CMOS 256 Mb στατικής μνήμης χρησιμοποιεί το τυπικό κύτταρο μνήμης με 6 τρανζίστορ. Πόσο ρεύμα διαρροής επιτρέπεται ανά κύτταρο μνήμης, αν το ολικό ρεύμα ηρεμίας της μνήμης πρόκειται να είναι μικρότερο από 1mA; 41
Άσκηση 2 Εκφώνηση (προς λύση) Να υποθέσετε ότι οι δύο γραμμές bit είναι σταθερές στα 1.5V στο κύκλωμα των σχημάτων της επόμενης διαφάνειας, και ότι έχουμε φτάσει σε μια σταθερή κατάσταση, με την τάση γραμμής λέξης να ισούται με 3V. Να υποθέσετε ότι τα τρανζίστορ του αντιστροφέα έχουν όλα W/L=1/1, V TN =0.7V, V TP =-0.7V και γ=0. Ποια είναι η μέγιστη τιμή του W/L για τα M A1 και M A2 (να χρησιμοποιήσετε την ίδια τιμή) που θα μας εξασφαλίσει ότι η τάση στον κόμβο D 1 0.7V και η τάση στον κόμβο D 2 2.3V; 42
Άσκηση 2 Εκφώνηση (προς λύση) 43
Άσκηση 3 Εκφώνηση (προς λύση) Το κύτταρο 1-Τ στο παρακάτω σχήμα χρησιμοποιεί τάση γραμμής bit ίση με 5V και τάση γραμμής λέξης 5V. Ποιες είναι οι τάσεις κυττάρου που είναι αποθηκευμένες στη C C για ένα 1 και ένα 0, αν είναι V TO =1V, γ=0.5v 1/2 και 2φ F =0.6V; Ποια θα ήταν η ελάχιστη τάση γραμμής λέξης που θα απαιτείτο για να φτάσει η τάση του κυττάρου στα 5V για ένα 1; 44
Άσκηση 4 Εκφώνηση (προς λύση) Τα ρεύματα διαρροής τείνουν συνήθως να διαταράσσουν μια από τις δύο δυνατές καταστάσεις στο κύτταρο 1-Τ. Για το κύκλωμα του σχήματος της προηγούμενης άσκησης, ποιο επίπεδο είναι το πιο ευαίσθητο στα ρεύματα διαρροής και γιατί; 45
Άσκηση 5 Εκφώνηση (προς λύση) Ένα κύτταρο 1-ΤέχειC C =60fF και C BL =7.5pF. Αν οι γραμμές bit είναι προφορτισμένες στα 2.5V και η τάση του κυττάρου είναι 0V, ποια είναι η μεταβολή ΔV στην τάση γραμμής bit, μετά από πρόσβαση στο κύτταρο; Ποια είναι η τελική τάση στο κύτταρο; 46
Άσκηση 6 Εκφώνηση (προς λύση) Μια μνήμη με κύτταρα 1-Τ μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας τρανζίστορ PMOS στη συστοιχία που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Ποιες είναι οι τάσεις οι οποίες είναι αποθηκευμένες στη χωρητικότητα, και αντιστοιχούν στα λογικά επίπεδα 0 και 1, για μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί V DD =5V; Να επαναλάβετε για V DD =3V. 47
Άσκηση 7 Εκφώνηση (προς λύση) Να υπολογίσετε το ρεύμα εξόδου για σταθερή κατάσταση, από το κύτταρο 3-Τ στο παρακάτω σχήμα, αν στο κύτταρο είναι αποθηκευμένο ένα 1, και η τάση τροφοδοσίας είναι 5V, αντί 3V. Να χρησιμοποιήσετε V TO =1V, γ=0.65v 0.5, 2φ F =0.6V και ότι όλοι οι λόγοι W/L=2/1. 48
Άσκηση 8 Εκφώνηση (προς λύση) Το ηλεκτρόδιο στο κάτω μέρος του πυκνωτή αποθήκευσης στο κύτταρο 1-Τ συνδέεται συχνά με μια τάση V PP αντί στη γείωση, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Να υποθέσετε ότι είναι V PP =5V. Ποιες είναι οι τάσεις που αποθηκεύονται στο κύτταρο στον κόμβο V C για 0=0V στη γραμμή bit, και 1=3V στη γραμμή bit; Να υποθέσετε ότι η γραμμή λέξης μπορεί να οδηγηθεί στα 3V. Ποιο επίπεδο θα υποβαθμιστεί λόγω διαρροής σε αυτό το κύτταρο; 49
Πανεπιστήμιο Πατρών, Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρονικής & Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών Η διάλεξη έγινε στο πλαίσιο του προγράμματος EΠΕΑΕΚ II από το μεταπτυχιακό φοιτητή Παπαμιχαήλ Μιχαήλ για το μάθημα ΨηφιακάΟλοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου 2008 50