Mem´ oria ´ aramk¨ or¨ ok fel´ ep´ıt´ ese

A D t´arol´okkal megval´os´ıtott rendszer, melyet a 4.4.3 fejezetben l´attunk, csak a logikai p´eld´aja annak, hogyan m˝uk¨odik a mem´oria. Viszont a D t´arol´o nagyon sok kaput, alkat-elemet tartalmaz, emiatt nem a leghat´ekonyabb megold´as. A 4.3fejezetben l´attuk, hogy k´et inverter elegend˝o 1 bit t´arol´asa, ´ıgy azt egy bistabil multivibr´atorral (4 tranzisztor)

´

es a dek´oderekn´el oszlop/sor szervez´es˝u vez´erl´essel (2 tranzisztor) fel´ep´ıthetj¨uk a5.8´abra szerint.

Ez astatikus mem´oriaalapeleme. Az Q1-Q2 ´es Q3-Q4 tranzisztorokb´ol ´all´o inverterek a 0-1 ´es az 1-0 ´allapotba ´allhatnak. A bitet az Q5-Q6 tranzisztorokkal vez´erelhetj¨uk, a kiolvas´as/be´ır´as a BL−BL vonalakkal t¨ort´enik.

Statikus mem´ori´at haszn´alnak pl. a processzorok gyors´ıt´ot´arjaiban, mivel val´oban rendk´ıv¨ul gyorsak, ´es el´erhet˝os´eg¨uk az id˝o 100%-ban biztos´ıtott. Ilyen ´aramk¨or¨oket fizi-kailag a CPU chip-en is nagy sz´amban elhelyeznek.

A statikus mem´oriacella 1 bitet tud t´arolni. Ugyanezt az inform´aci´ot elvileg egy kondenz´ator is meg˝orizheti, amennyiben biztos´ıthat´o hogy a t¨olt´es´et ne vesz´ıtse el t´ul hamar. Ha egy tranzisztorral sorbak¨otj¨uk, akkor azon kereszt¨ul fel tudjuk t¨olteni (logikai 1) vagy ki tudjuk s¨utni (logikai 0) az inform´aci´o be´ır´asa sor´an. Olvas´askor megm´erj¨uk

5.8. ´abra. Statikus mem´oriacella kapcsol´asa

hogy fesz¨ults´ege nagy (1) vagy alacsony (0). Kiolvas´as ut´an ´altal´aban automatikusan vissza kell ´ırni a megfelel˝o bitet. A vez´erl´es a tranzisztor kapuelektr´od´aj´an kereszt¨ul is lehets´eges, ami a tranzisztort z´arni tudja, azaz a kondenz´atort elszigeteli a kimenett˝ol.

A kialak´ıt´as a 5.9 ´abr´an l´athat´o.

5.9. ´abra. Dinamikus mem´oria kivitelez´ese egyetlen kondenz´atorral ´es egy MOS-FET tranzisztorral

T¨obb cell´at is ¨osszek¨othet¨unk, ha azokat oszlop-sor elrendez´esbe k¨otj¨uk a 5.10 ´abra szerint. Ekkor a tranzisztorok drain-jeit az ´abra s´ıkj´an n´ezve f¨ugg˝oleges, a gate-elektr´od´akat pedig v´ızszintes ir´anyban k¨otj¨uk egym´assal ¨ossze. A cella kiv´alaszt´asa itt is a megfelel˝o oszlop-sor vezet´ekek aktiviz´al´as´aval t¨ort´enik. Ezt a t´ıpust dinamikus mem´ori´anak h´ıv-j´ak, mivel a kondenz´ator id˝ovel elvesz´ıti t¨olt´es´et, ez´ert peri´odikusan friss´ıteni kell: ekkor kiolvass´ak a bit tartalm´at, ´es vissza´ırj´ak a megfelel˝o logikai ´ert´eket, ´ujra felt¨oltve a ka-pacit´ast.

A dinamikus mem´oria csak k´et alkatelemb˝ol ´all, ez´ert ugyanakkora k¨olts´eggel j´oval t¨obb t´arol´o egys´eget lehet gy´artani, illetve fajlagosan kisebb fogyaszt´as´u mem´ori´at lehet l´etrehozni, mint a statikus t´ıpus´u mem´ori´ab´ol.

5.10. ´abra. Dinamikus mem´oriacell´ak elrendez´ese: a s´ıkbeli szerkezet a gy´arthat´os´ag szempontj´ab´ol nagyon hasznos

A dinamikus mem´ori´anak k´et h´atr´anya van. Egyik, hogy friss´ıteni kell: az eredeti IBM PC-ben minden mem´oriablokkot 4 ms-onk´ent ki kellett olvasni, ez alatt az id˝o alatt a CPU nem tudta haszn´alni a buszt. A mem´oria friss´ıt´ese ma is komoly probl´em´akat jelent a k¨ozvetlen PC vez´erelte nagysebess´eg˝u m´er´esekn´el: a megold´as ´altal´aban k¨ul¨on mem´ori´aval rendelkez˝o m´er˝ok´arty´ak haszn´alata. M´asik h´atr´any, hogy jelent˝osen lassabb mint a statikus mem´ori´ak, mert egy finoman m´erhet˝o fesz¨ults´eg´ert´ek adja meg a he-lyes inform´aci´ot. Modern statikus mem´ori´ak el´er´esi ideje 10ns alatti, m´ıg a dinamikus mem´ori´ak´e nem megy 100ns al´a.

A flash mem´oria elve az, hogy vezet˝o anyagb´ol egy elektr´od´at helyeznek el egy f´ elve-zet˝o fel¨ulet´en, ´ugy, ahogy egy MOS-FET kapuelektr´od´aj´at k´esz´ıten´enek. Az elrendez´est a5.11´abra mutatja. A k¨ul¨onbs´eg az, hogy ez az elektr´oda nincs elektromos kontaktusban semmivel, r´a t¨olt´est csak a f¨ol´e elhelyezett elektr´od´aval juttathatunk. A fels˝o elektr´od´at magas fesz¨ults´egre kapcsolva az elegend˝o energi´aval rendelkez˝o t¨olt´eshordoz´ok (elektro-nok vagy ritk´an lyukak) kvantummechanikai alag´uteffektussal k´epesek ´athatolni a po-tenci´alg´aton/szigetel˝or´etegen. A n´eh´any t´ız atomnyi (!) vastags´ag´u szigetel˝o r´etegben a tipikus t´erer˝oss´eg 250kV/cm, ami t¨obb mint t´ızszerese a leveg˝o ´at¨ut´esi szil´ards´ag´anak.

5.11. ´abra. Flash mem´oria 1 bitet t´arol´o egys´eg´enek fizikai megval´os´ıt´asi v´azlata

Mivel a fel¨ulet nagyon kicsi, elegend˝o n´eh´any sz´az elektron az inform´aci´o t´arol´as´ara.

Az inform´aci´ot a lebeg˝o elektr´od´an t´arolt t¨olt´es hordozza: ez lehet 0-1 (k´et fesz¨ ult-s´egszintet megk¨ul¨onb¨oztetve), ez a SLC m´od (single level cell, egyszint´u cella). J´ol meghat´arozott t¨olt´esszintekkel t¨obb bitet is t´arolhatunk egy cell´aban (pl. 4 szint 2 bitet jelent) - ez a MLC m´od (multi level cell, t¨obbszintes cella), de ez bonyol´ıtja a szervez´est

´

es ´erz´ekenyebb a hib´akra.

Erezhet˝´ o, hogy a t¨olt´es szigetel´esen kereszt¨uli ´atvezet´ese el´egg´e drasztikus elj´ar´as, a cella

”¨oregszik”. Manaps´ag (2013) ´altal´aban n´eh´any 10000 ´ır´asi ciklust garant´alnak, ami nem t´ul sok pl. egy logf´ajlt naponta 100-szor ´ujra´ır´o SSD f´ajlrendszer eset´en. Tov´abb bonyol´ıtja a helyzetet, hogy a mem´oria blokkokba van szervezve, ´es ´ırni egyszerre csak egy teljes blokkot lehet. ¨Ugyes t´arter¨ulet szervez´essel, kiegyenl´ıtett haszn´alattal ´es tartal´ek blokkokkal prob´alj´ak haszn´alhat´ov´a tenni a manaps´ag elterjed˝o flash mem´ori´akat az SSD-kben.