La celda de memoria es el bloque de construcción fundamental de la memoria de la computadora . La celda de memoria es un circuito electrónico que almacena un bit de información binaria y debe configurarse para almacenar un 1 lógico (nivel de voltaje alto) y reiniciarse para almacenar un 0 lógico (nivel de voltaje bajo). Su valor se mantiene / almacena hasta que se cambia mediante el proceso de configuración / reinicio. Se puede acceder al valor en la celda de memoria leyéndolo.
A lo largo de la historia de la informática, se han utilizado diferentes arquitecturas de celdas de memoria, incluida la memoria central y la memoria de burbujas . En la actualidad, la arquitectura de celda de memoria más común es la memoria MOS , que consta de celdas de memoria de semiconductores de óxido metálico (MOS). La memoria de acceso aleatorio (RAM) moderna utiliza transistores de efecto de campo MOS (MOSFET) como flip-flops, junto con condensadores MOS para ciertos tipos de RAM.
La celda de memoria SRAM ( RAM estática ) es un tipo de circuito flip-flop , generalmente implementado mediante MOSFET. Estos requieren muy poca energía para mantener el valor almacenado cuando no se accede a ellos. Un segundo tipo, DRAM ( RAM dinámica ), se basa en condensadores MOS. La carga y descarga de un condensador puede almacenar un '1' o un '0' en la celda. Sin embargo, la carga de este condensador se escapará lentamente y deberá renovarse periódicamente. Debido a este proceso de actualización, DRAM usa más energía. Sin embargo, DRAM puede lograr mayores densidades de almacenamiento.
Por otro lado, la mayoría de las memorias no volátiles (NVM) se basan en arquitecturas de celdas de memoria de puerta flotante . Las tecnologías de memoria no volátil, incluidas EPROM , EEPROM y memoria flash, utilizan celdas de memoria de puerta flotante, que se basan en transistores MOSFET de puerta flotante .
Descripción
La célula de memoria es el bloque de construcción fundamental de la memoria. Se puede implementar utilizando diferentes tecnologías, como bipolar , MOS y otros dispositivos semiconductores . También se puede construir con material magnético como núcleos de ferrita o burbujas magnéticas. [1] Independientemente de la tecnología de implementación utilizada, el propósito de la celda de memoria binaria es siempre el mismo. Almacena un bit de información binaria a la que se puede acceder leyendo la celda y debe configurarse para almacenar un 1 y restablecerse para almacenar un 0. [2]
Significado
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/3/3d/Square_array_of_mosfet_cells_read.png/220px-Square_array_of_mosfet_cells_read.png)
Los circuitos lógicos sin celdas de memoria o rutas de retroalimentación se denominan combinacionales , sus valores de salida dependen solo del valor actual de sus valores de entrada. No tienen memoria. Pero la memoria es un elemento clave de los sistemas digitales . En las computadoras permite almacenar tanto programas como datos y las celdas de memoria también se utilizan para el almacenamiento temporal de la salida de los circuitos combinacionales para ser utilizados posteriormente por los sistemas digitales. Los circuitos lógicos que utilizan celdas de memoria se denominan circuitos secuenciales . Su salida depende no solo del valor presente de sus entradas, sino también del estado previo de los circuitos, determinado por los valores almacenados en sus celdas de memoria. Estos circuitos requieren un generador de temporización o un reloj para su funcionamiento. [3]
La memoria de la computadora utilizada en la mayoría de los sistemas informáticos contemporáneos se construye principalmente a partir de células DRAM; Dado que el diseño es mucho más pequeño que el de SRAM, puede empaquetarse más densamente, lo que produce una memoria más barata con mayor capacidad. Dado que la celda de memoria DRAM almacena su valor como la carga de un condensador, y existen problemas de fuga de corriente, su valor debe reescribirse constantemente. Esta es una de las razones que hacen que las celdas DRAM sean más lentas que las celdas SRAM (RAM estática) más grandes, que tiene su valor siempre disponible. Esa es la razón por la que la memoria SRAM se utiliza para la memoria caché en chip incluida en los chips de microprocesador modernos . [4]
Historia
El 11 de diciembre de 1946 Freddie Williams solicitó una patente para su dispositivo de almacenamiento de tubo de rayos catódicos (CRT) ( tubo de Williams ) con 128 palabras de 40 bits . Entró en funcionamiento en 1947 y se considera la primera implementación práctica de la memoria de acceso aleatorio (RAM). [5] En ese año, Frederick Viehe presentó las primeras solicitudes de patente para la memoria de núcleo magnético. [6] [7] La práctica memoria de núcleo magnético fue desarrollada por An Wang en 1948, y mejorada por Jay Forrester y Jan A. Rajchman a principios de la década de 1950, antes de comercializarse con la computadora Whirlwind en 1953. [8] Ken Olsen también contribuido a su desarrollo. [9]
La memoria semiconductora comenzó a principios de la década de 1960 con células de memoria bipolar, hechas de transistores bipolares . Si bien mejoró el rendimiento, no pudo competir con el precio más bajo de la memoria de núcleo magnético. [10]
Células de memoria MOS
La invención del MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico), también conocido como transistor MOS, por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, [11] permitió el uso práctico de óxido metálico transistores semiconductores (MOS) como elementos de almacenamiento de celdas de memoria, una función que anteriormente cumplían los núcleos magnéticos . [12] Las primeras celdas de memoria modernas se introdujeron en 1964, cuando John Schmidt diseñó la primera memoria estática de acceso aleatorio (SRAM) MOS de canal p ( PMOS ) de 64 bits . [13] [14]
La SRAM suele tener celdas de seis transistores , mientras que la DRAM ( memoria dinámica de acceso aleatorio) suele tener celdas de un solo transistor. [15] [13] En 1965, la calculadora electrónica Toscal BC-1411 de Toshiba utilizó una forma de DRAM bipolar capacitiva, que almacenaba datos de 180 bits en celdas de memoria discretas, que constaban de transistores y condensadores bipolares de germanio . [16] [17] La tecnología MOS es la base de la DRAM moderna. En 1966, el Dr. Robert H. Dennard del IBM Thomas J. Watson Research Center estaba trabajando en la memoria MOS. Mientras examinaba las características de la tecnología MOS, descubrió que era capaz de construir condensadores , y que almacenar una carga o ninguna carga en el condensador MOS podría representar el 1 y el 0 de un bit, mientras que el transistor MOS podría controlar la escritura de la carga en el condensador. Esto lo llevó al desarrollo de una celda de memoria DRAM de un solo transistor. [18] En 1967, Dennard presentó una patente para una celda de memoria DRAM de un solo transistor, basada en la tecnología MOS. [19]
La primera SRAM bipolar comercial de 64 bits fue lanzada por Intel en 1969 con el 3101 Schottky TTL . Un año después, lanzó el primer chip de circuito integrado DRAM , el Intel 1103 , basado en tecnología MOS. En 1972, batió récords anteriores en ventas de memorias de semiconductores . [20] Los chips DRAM a principios de la década de 1970 tenían celdas de tres transistores, antes de que las celdas de un solo transistor se convirtieran en estándar desde mediados de la década de 1970. [15] [13]
La memoria CMOS fue comercializada por RCA , que lanzó un chip de memoria CMOS SRAM de 288 bits en 1968. [21] La memoria CMOS fue inicialmente más lenta que la memoria NMOS , que fue más utilizada por las computadoras en la década de 1970. [22] En 1978, Hitachi introdujo el proceso CMOS de dos pocillos, con su chip de memoria HM6147 ( SRAM de 4 kb), fabricado con un proceso de 3 µm . El chip HM6147 pudo igualar el rendimiento del chip de memoria NMOS más rápido en ese momento, mientras que el HM6147 también consumió significativamente menos energía. Con un rendimiento comparable y mucho menos consumo de energía, el proceso CMOS de dos pozos finalmente superó a NMOS como el proceso de fabricación de semiconductores más común para memoria de computadora en la década de 1980. [22]
Los dos tipos más comunes de celdas de memoria DRAM desde la década de 1980 han sido celdas de capacitores de trinchera y celdas de capacitores apilados. [23] Las celdas de capacitor de trinchera son donde se hacen agujeros (trincheras) en un sustrato de silicio, cuyas paredes laterales se utilizan como celda de memoria, mientras que las celdas de capacitor apiladas son la forma más temprana de memoria tridimensional (memoria 3D), donde las celdas de memoria se apilan verticalmente en una estructura de celda tridimensional. [24] Ambos debutaron en 1984, cuando Hitachi introdujo la memoria de condensador de trinchera y Fujitsu introdujo la memoria de condensador apilado. [23]
Celdas de memoria MOS de puerta flotante
El MOSFET de puerta flotante (FGMOS) fue inventado por Dawon Kahng y Simon Sze en Bell Labs en 1967. [25] Propusieron el concepto de celdas de memoria de puerta flotante, utilizando transistores FGMOS, que podrían usarse para producir ROM reprogramables (leer -sólo memoria). [26] Las celdas de memoria de puerta flotante se convirtieron más tarde en la base de las tecnologías de memoria no volátil (NVM), incluidas EPROM (ROM programable borrable), EEPROM (ROM programable borrable eléctricamente) y memoria flash . [27]
La memoria flash fue inventada por Fujio Masuoka en Toshiba en 1980. [28] [29] Masuoka y sus colegas presentaron la invención de la memoria flash NOR en 1984, [30] y luego la memoria flash NAND en 1987. [31] Celda multinivel (MLC ) la memoria flash fue introducida por NEC , que demostró celdas de cuatro niveles en un chip flash de 64 Mb que almacenaban 2 bits por celda en 1996. [23] 3D V-NAND , donde las celdas de memoria flash se apilan verticalmente usando un flash de trampa de carga 3D ( CTP), fue anunciada por primera vez por Toshiba en 2007, [32] y fabricada comercialmente por primera vez por Samsung Electronics en 2013. [33] [34]
Implementación
Los siguientes esquemas detallan las tres implementaciones más utilizadas para las celdas de memoria:
- La celda de memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM)
- La celda de memoria de acceso aleatorio estático (SRAM)
- Chanclas como las J / K que se muestran a continuación.
Celda DRAM (1 transistor y un capacitor) | ![]() Celda SRAM (6 transistores) | ![]() Flip-flop J / K sincronizado |
Operación
Celda de memoria DRAM
Almacenamiento
- El elemento de almacenamiento de la celda de memoria DRAM es el capacitor etiquetado (4) en el diagrama anterior. La carga almacenada en el condensador se degrada con el tiempo, por lo que su valor debe actualizarse (leerse y reescribirse) periódicamente. El transistor nMOS (3) actúa como una puerta para permitir leer o escribir cuando está abierto o almacenar cuando está cerrado. [35]
Leer
- Para leer la palabra, la línea (2) impulsa un 1 lógico (voltaje alto) en la puerta del transistor nMOS (3) que lo hace conductor y la carga almacenada en el condensador (4) se transfiere a la línea de bits (1) . La línea de bits tendrá una capacitancia parásita (5) que drenará parte de la carga y ralentizará el proceso de lectura. La capacitancia de la línea de bits determinará el tamaño necesario del condensador de almacenamiento (4). Es una compensación. Si el condensador de almacenamiento es demasiado pequeño, el voltaje de la línea de bits tardaría demasiado en elevarse o ni siquiera superar el umbral que necesitan los amplificadores al final de la línea de bits. Dado que el proceso de lectura degrada la carga en el condensador de almacenamiento (4), su valor se reescribe después de cada lectura. [36]
Escritura
- El proceso de escritura es el más fácil, el valor deseado lógico 1 (alto voltaje) o lógico 0 (bajo voltaje) se introduce en la línea de bits. La línea de palabras activa el transistor nMOS (3) conectándolo al condensador de almacenamiento (4). El único problema es mantenerlo abierto el tiempo suficiente para garantizar que el condensador esté completamente cargado o descargado antes de apagar el transistor nMOS (3). [36]
Celda de memoria SRAM
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/9/9d/SRAM_Cell_Inverter_Loop.png/260px-SRAM_Cell_Inverter_Loop.png)
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/8/8f/SRLatch-lowres.gif/260px-SRLatch-lowres.gif)
(A) S = 1, R = 0: establecer
(B) S = 0, R = 0: mantener
(C) S = 0, R = 1: restablecer
(D) S = 1, R = 1: no permitido
Transición de la combinación restringida (D) a (A) conduce a un estado inestable.
Almacenamiento
- El principio de funcionamiento de la celda de memoria SRAM puede ser más fácil de entender si los transistores M1 a M4 se dibujan como puertas lógicas . De esa manera, está claro que, en el fondo, el almacenamiento de la celda se construye mediante el uso de dos inversores de acoplamiento cruzado . Este simple bucle crea un circuito biestable. Un 1 lógico en la entrada del primer inversor se convierte en un 0 en su salida, y se alimenta al segundo inversor que transforma ese 0 lógico de nuevo en un 1 lógico retroalimentando el mismo valor a la entrada del primer inversor. Eso crea un estado estable que no cambia con el tiempo. De manera similar, el otro estado estable del circuito es tener un 0 lógico en la entrada del primer inversor. Después de haber sido invertido dos veces, también retroalimentará el mismo valor. [37]
- Por lo tanto, solo hay dos estados estables en los que el circuito puede estar:
- = 0 y = 1
- = 1 y = 0
Leer
- Para leer el contenido de la celda de memoria almacenada en el bucle, los transistores M5 y M6 deben estar encendidos. cuando reciben voltaje en sus puertas de la línea de palabras ( ), se vuelven conductoras y, por lo tanto, el y los valores se transmiten a la línea de bits ( ) y a su complemento ( ). [37] Finalmente, estos valores se amplifican al final de las líneas de bits. [37]
Escritura
- El proceso de escritura es similar, la diferencia es que ahora el nuevo valor que se almacenará en la celda de memoria se lleva a la línea de bits ( ) y el invertido en su complemento ( ). Los siguientes transistores M5 y M6 se abren impulsando uno lógico (voltaje alto) en la línea de palabras ( ). Esto conecta efectivamente las líneas de bits al bucle inversor estable. Hay dos casos posibles:
- Si el valor del bucle es el mismo que el nuevo valor impulsado, no hay ningún cambio.
- Si el valor del bucle es diferente del nuevo valor impulsado, hay dos valores en conflicto, para que el voltaje en las líneas de bits sobrescriba la salida de los inversores, el tamaño de los transistores M5 y M6 debe ser mayor que el de los transistores M1-M4. Esto permite que fluya más corriente a través de los primeros y, por lo tanto, inclina el voltaje en la dirección del nuevo valor; en algún momento, el bucle amplificará este valor intermedio a carril completo. [37]
Chanclas
El flip-flop tiene muchas implementaciones diferentes, su elemento de almacenamiento suele ser un pestillo que consiste en un bucle de puerta NAND o un bucle de puerta NOR con puertas adicionales que se utilizan para implementar el reloj. Su valor siempre está disponible para lectura como salida. El valor permanece almacenado hasta que se cambia mediante el proceso de configuración o reinicio. Los flip-flops se implementan típicamente usando transistores MOSFET .
Puerta flotante
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/2/2c/Flash_cell_structure.svg/260px-Flash_cell_structure.svg.png)
Las celdas de memoria de puerta flotante , basadas en transistores MOSFET de puerta flotante , se utilizan para la mayoría de las tecnologías de memoria no volátil (NVM), incluidas EPROM , EEPROM y memoria flash . [27] Según R. Bez y A. Pirovano:
Una celda de memoria de puerta flotante es básicamente un transistor MOS con una puerta completamente rodeada por dieléctricos (Fig. 1.2), la puerta flotante (FG) y gobernada eléctricamente por una puerta de control de acoplamiento capacitivo (CG). Al estar aislado eléctricamente, el FG actúa como electrodo de almacenamiento para el dispositivo de celda. La carga inyectada en el FG se mantiene allí, lo que permite la modulación del voltaje umbral "aparente" (es decir, VT visto desde el CG) del transistor de celda. [27]
Ver también
- Memoria dinámica de acceso aleatorio
- Flip-flop (electrónica)
- Martillo de hilera
- Memoria estática de acceso aleatorio
Referencias
- ^ D. Tang, Denny; Lee, Yuan-Jen (2010). Memoria magnética: fundamentos y tecnología . Prensa de la Universidad de Cambridge . pag. 91. ISBN 978-1139484497. Consultado el 13 de diciembre de 2015 .
- ^ Fletcher, William (1980). Un enfoque de ingeniería para el diseño digital . Prentice Hall. pag. 283 . ISBN 0-13-277699-5.
- ^ Circuitos microelectrónicos (Segunda ed.). Holt, Rinehart y Winston, Inc. 1987. p. 883. ISBN 0-03-007328-6.
- ^ "La técnica de la pregunta: le cache, comment ça marche?" . PC Fr Mundial . Archivado desde el original el 30 de marzo de 2014.
- ^ O'Regan, Gerard (2013). Gigantes de la informática: un compendio de pioneros selectos y fundamentales . Springer Science & Business Media. pag. 267. ISBN 978-1447153405. Consultado el 13 de diciembre de 2015 .
- ^ Reilly, Edwin D. (2003). Hitos en informática y tecnologías de la información . Grupo editorial de Greenwood. pag. 164 . ISBN 9781573565219.
viehe.
- ^ W. Pugh, Emerson; R. Johnson, Lyle; H. Palmer, John (1991). Sistemas 360 y Early 370 de IBM . Prensa del MIT . pag. 706 . ISBN 0262161230. Consultado el 9 de diciembre de 2015 .
metro de williams Frederick Viehe.
- ^ "1953: Computadora Whirlwind estrena memoria central" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 2 de agosto de 2019 .
- ^ Taylor, Alan (18 de junio de 1979). Computerworld: Mass. Town se ha convertido en la capital informática . IDG Enterprise. pag. 25.
- ^ "1966: las RAM de semiconductores satisfacen las necesidades de almacenamiento de alta velocidad" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 19 de junio de 2019 .
- ^ "1960 - Transistor de semiconductor de óxido de metal (MOS) demostrado" . El motor de silicio . Museo de Historia de la Computación .
- ^ "Transistores: una descripción general" . ScienceDirect . Consultado el 8 de agosto de 2019 .
- ^ a b c "1970: Los semiconductores compiten con los núcleos magnéticos" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 19 de junio de 2019 .
- ^ Diseño de estado sólido - Vol. 6 . Horizon House. 1965.
- ^ a b "Finales de la década de 1960: principios de la memoria MOS" (PDF) . Museo de Historia de Semiconductores de Japón . 2019-01-23 . Consultado el 27 de junio de 2019 .
- ^ "Hoja de especificaciones para Toshiba" TOSCAL "BC-1411" . Museo Web de la Calculadora Antigua . Archivado desde el original el 3 de julio de 2017 . Consultado el 8 de mayo de 2018 .
- ^ Calculadora de escritorio Toshiba "Toscal" BC-1411 Archivado el 20 de mayo de 2007 en la Wayback Machine.
- ^ "DRAM" . IBM100 . IBM . 9 de agosto de 2017 . Consultado el 20 de septiembre de 2019 .
- ^ "Robert Dennard" . Enciclopedia Británica . Consultado el 8 de julio de 2019 .
- ^ Kent, Allen; Williams, James G. (6 de enero de 1992). Enciclopedia de microcomputadoras: Volumen 9 - Lenguaje de programación de iconos para sistemas basados en el conocimiento: Técnicas APL . Prensa CRC. pag. 131. ISBN 9780824727086.
- ^ "1963: Se inventa la configuración del circuito MOS complementario" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 6 de julio de 2019 .
- ^ a b "1978: SRAM CMOS rápido de doble pozo (Hitachi)" (PDF) . Museo de Historia de Semiconductores de Japón . Archivado desde el original (PDF) el 5 de julio de 2019 . Consultado el 5 de julio de 2019 .
- ^ a b c "Memoria" . STOL (Tecnología de semiconductores en línea) . Consultado el 25 de junio de 2019 .
- ^ "Década de 1980: aumenta la capacidad de DRAM, avanza el cambio a CMOS y Japón domina el mercado" (PDF) . Museo de Historia de Semiconductores de Japón . Consultado el 19 de julio de 2019 .
- ^ D. Kahng y SM Sze, "Una puerta flotante y su aplicación a dispositivos de memoria", The Bell System Technical Journal , vol. 46, no. 4, 1967, págs. 1288-1295
- ^ "1971: Se introduce la ROM semiconductora reutilizable" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 19 de junio de 2019 .
- ^ a b c Bez, R .; Pirovano, A. (2019). Avances en tecnología de almacenamiento y memoria no volátil . Woodhead Publishing . ISBN 9780081025857.
- ^ Fulford, Benjamin (24 de junio de 2002). "Héroe anónimo" . Forbes . Archivado desde el original el 3 de marzo de 2008 . Consultado el 18 de marzo de 2008 .
- ^ US 4531203 Fujio Masuoka
- ^ "Toshiba: inventor de la memoria flash" . Toshiba . Consultado el 20 de junio de 2019 .
- ^ Masuoka, F .; Momodomi, M .; Iwata, Y .; Shirota, R. (1987). "Nueva EPROM de ultra alta densidad y EEPROM flash con celda de estructura NAND". Reunión sobre dispositivos electrónicos, 1987 Internacional . IEDM 1987. IEEE . doi : 10.1109 / IEDM.1987.191485 .
- ^ "Toshiba anuncia nueva tecnología flash NAND" 3D " . Engadget . 2007-06-12 . Consultado el 10 de julio de 2019 .
- ^ "Samsung presenta el primer SSD basado en 3D V-NAND del mundo para aplicaciones empresariales" . Sitio web global de Samsung Semiconductor .
- ^ Clarke, Peter. "Samsung confirma 24 capas en 3D NAND" . EE Times .
- ^ Jacob, Bruce; Ng, Spencer; Wang, David (28 de julio de 2010). Sistemas de memoria: caché, DRAM, disco . Morgan Kaufmann. pag. 355. ISBN 9780080553849.
- ^ a b Siddiqi, Muzaffer A. (19 de diciembre de 2012). RAM dinámica: avances tecnológicos . Prensa CRC. pag. 10. ISBN 9781439893739.
- ^ a b c d Li, Hai; Chen, Yiran (19 de abril de 2016). Diseño de memoria no volátil: magnético, resistivo y de cambio de fase . Prensa CRC. págs. 6, 7. ISBN 9781439807460.