МИКРОСХЕМЫ ОПЕРАТИВНоЙ ПАМЯТИ

Лекция №4
МИКРОСХЕМЫ ОПЕРАТИВНОЙ ПАМЯТИ
Общая характеристика БИС ОЗУ.
БИС ОЗУ характеризуются наивысшей степенью интеграции среди всех
других типов БИС. Это обусловлено их массовым выпуском и регулярностью
структуры. Организация БИС ОЗУ и их внутренняя структура хорошо отработаны, а срок выпуска конкретного типономинала достаточно большой (»10
лет). На каждый логический элемент в компьютере приходится не менее 10
бит оперативной памяти, что определяет большие объемы выпуска БИС ОЗУ.
Если для логических БИС важнейшей характеристикой является опережающий срок появления на рынке, то для ОЗУ важнее комплекс технических
параметров и цена. Рынок ОЗУ очень велик и качественные изделия всегда
найдут на нем свое место. Уровень 1994 года - 16 Мбит - серийное производство, 64 Мбит - освоение производства, 256 Мбит - разработка.
Проектирование БИС ОЗУ обычно ручное на уровне языка задания геометрии элементов или с использованием ранее разработанных блоков. Часто
используется масштабирование топологии для уменьшения площади кристалла. Регулярная структура ОЗУ и отработанные технические решения определяют приемлемые сроки и затраты при ручном проектировании топологии кристалла.
Классификация БИС ОЗУ.
А) Технологическая и элементная база
Биполярные:
— ЭСЛ;
— ТТЛ;
— И2Л.
КМОП:
— динамические;
— статические;
— квазистатические.
БиКМОП:
— статические;
— квазистатические.
GaAs: статические на ПТШ.
ЦМД: статические энергонезависимые.
Каждый из конструктивно-технологических типов характеризуется своим комплексом эксплуатационных и электрических параметров, обеспечивающим место на рынке изделий электронной техники.
Биполярные схемы ЭСЛ типа характеризуются высоким быстродействием при высокой потребляемой мощности. Объемы производства невелики, но
устойчивы. Максимальная емкость БИС ОЗУ - 64 Кбит - была достигнута достаточно давно и совершенствование ОЗУ идет по пути повышения быстродействия.
Схемы типа ТТЛ и И2Л использовались ранее широко в качестве помехоустойчивых и устойчивых к климатическим воздействиям. Сейчас они практически вытеснены схемами на основе КМОП-структур. Все выпускаемые
биполярные БИС ОЗУ построены на статических логических элементах.
Схемы на основе КМОП-структур имеют самый большой объем выпуска
и самую высокую степень интеграции. Достигнутая степень интеграции схем
на динамических элементах памяти с накопительными конденсаторами в 4
раза больше, чем для схем на статических элементах с триггерами. БИС ОЗУ
на основе динамических элементов требуют синхронного управления и прерывания в работе для регенерации информации в накопителе. Однако для
ОЗУ большей емкости (256 Кбит и более) все схемы управления регенерацией и синхронизацией могут быть размещены на кристалле. Использование в
БИС динамических элементов никак не проявляется для потребителя и ОЗУ
работает как статическое. Такие ОЗУ часто называют квазистатическими.
Быстродействие БИС ОЗУ большой емкости определяется быстродействием блоков управления, а потребляемая мощность - током накопителя. Поэтому быстродействующие ОЗУ большой емкости (больше 64 Кбит) разрабатываются на основе сложной технологии с биполярными и КМОП транзисторами на кристалле. Схемы управления построены на биполярных логических
элементах, а элементы памяти - на КМОП. Быстродействие БиКМОП ОЗУ
приближается к быстродействию ЭСЛ биполярных ОЗУ. Большинство схем
построено на статических логических элементах, но перспективными являются и квазистатические принципы построения ОЗУ.
Кроме кремния, в специальных случаях для реализации БИС ОЗУ используются и другие материалы. Из полупроводниковых материалов распространение получил только арсенид галлия, который используется для
радиационно-стойких и для самых скоростных ОЗУ. Емкость ОЗУ до 16 Кбит. При работе с высокой скоростью асинхронное управление неэффективно, поэтому большинство БИС ОЗУ на арсениде галлия имеют входные и выходные регистры, а внешняя синхронизация осуществляется единственным
синхросигналом. Такие БИС ОЗУ работают с частотой синхросигнала до 100-
0 МГц и успевают запомнить поток данных до 1000 Мбит/сек по каждому
входу данных.
Кроме полупроводниковых микросхем имеются еще и БИС ОЗУ на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). Микросхемы реализуются на
пленках галлий-гадолиниевого граната, который является диэлектриком и обладает магнитными свойствами. Максимальная емкость ЗУ - до нескольких
мегабит, быстродействие невысокое (не более 1 МГц). На магнитную пленку
граната нанесены магнитные островки - ловушки доменов. В постоянном
магнитном поле под ловушками могут образовываться магнитные домены намагниченные участки пленки. Импульсным магнитным полем домены можно перегонять от одной ловушки к другой. Если домен пересекает считывающий контур, то внешняя электронная схема регистрирует импульс тока, который считается единицей информации. Для перемещения доменов нужна
достаточно большая энергия, но для их хранения энергии не нужно вообще.
Используются ЦМД микросхемы для построения энергонезависимой памяти
большой емкости. Принцип продвижения доменов определяет их применение
только в регистровой памяти. Пример применения - станки с ЧПУ - эмулятор
магнитного диска. Бортовые компьютеры, работающие в условиях вибрации.
Б) Тип управления.
Есть два основных типа управления: синхронное и асинхронное. При
асинхронном управлении изменение состояния ОЗУ или режима его работы
происходит непосредственно за изменением состояния любого его входа.
Асинхронные ОЗУ с произвольным доступом к информации составляют основу построения оперативной памяти ЭВМ и выпускаются наибольшими
объемами. При синхронном управлении состояния входов устанавливаются
заранее в произвольной последовательности и не влияют на состояния выходов до поступления синхросигнала. Изменение состояний внутренних блоков
и выходов ОЗУ происходит только под воздействием синхросигналов. Управление синхронными ОЗУ сложнее, но позволяет организовать конвейерную
обработку данных или перенести часть функций управления памятью непосредственно в микросхемы.
В) Организация БИС ОЗУ.
Емкость ОЗУ - это количество одновременно хранимых бит информации.
Как правило, число информационных входов равно числу выходов. На выходах появляется информационное слово с количеством разрядов, равным числу выходов. Емкость ОЗУ равна произведению числа разрядов на число хранимых слов. Многоразрядные БИС используются в процессорах, буферных
устройствах и др., где требуется память небольшой емкости и можно обой-
тись одной-двумя БИС. Основная память большой емкости в компьютерах
строится на одноразрядных схемах, при этом используются корпуса меньших
размеров, а на плате размещается большая емкость. Сравним число выводов
одноразрядной и восьмиразрядной БИС ОЗУ.
Распределение выводов ОЗУ
таблица 1
Емкость
64 Кбит
64 Кбит
Организация
64 К слов по
8 К слов по
1 разряду
8 разрядов
Число адресных входов
16
13
Число входов управления
2
2
Число информационных входов
1
8
Число информационных выходо в
1
8
Число выводов питания
2
4
Минимальное требуемое число
выводов корпуса
22
36
В многоразрядных схемах требуются дополнительные выводы питания
для подключения выходных формирователей, для снижения помех при переключении.
По типу поиска информации БИС ОЗУ подразделяются на схемы с произвольной выборкой, с последовательной выборкой и с ассоциативной выборкой. В ОЗУ с произвольной выборкой при каждом считывании или записи
устанавливается адрес записываемого слова. Это самый распространенный
тип ОЗУ. ОЗУ с последовательной выборкой имеют много синонимов:
FIFO - первый вошел, первый вышел; обратного магазинного типа; стековые
и др. В этих ЗУ запись и считывание осуществляются только последовательно и независимо друг от друга при подаче соответствующих синхросигналов.
ОЗУ применяются для согласования скоростей и синхронизации потоков информации в каналах связи. В ассоциативных ЗУ многоразрядное слово разбивается на две части: метка (или признак) и данные. Поиск информации осуществляется по значению метки. Ассоциативные ЗУ большой емкости трудно
реализовать из-за большого требуемого числа выводов корпуса. Применяются эти ЗУ в специальных процессорных устройствах для сортировки и упорядочивания информации.
Управление асинхронными ОЗУ.
Асинхронные ОЗУ являются наиболее распространенными и имеют унифицированные режимы управления.
“1” - состояние высокого уровня
“0” - состояние низкого уровня
Х - произвольное состояние: “0” или “1”
Статические параметры БИС ОЗУ определяются также, как и для любых
других цифровых ИМС. Это входные токи, выходные напряжения, токи потребления в разных режимах.
Типовая таблица режимов для асинхронного ОЗУ.
таблица 2
Назначение входов и выходов
Режим
Вход
Вх о д
Вход
Вход
Выход,
ад р еса,
разрешения записи, РЗ
и н фо р мации,
D
Q
А
выборки
кристалла,
ВК
Хранение
Х
1
Х
Х
0
Запись “1”
Адрес
0
0
1
0
Запись “0”
Адрес
0
0
0
0
Считывание “1”
Адрес
0
1
Х
1
Считывание “0”
Адрес
0
1
Х
0
Динамические параметры весьма разнообразны. Принципы измерения
динамических параметров показаны на рис. 4.1.
Кроме указанных на рис. 4.1, часто используются дополнительные параметры:
- tФ01, tФ10 - время нарастания (или спада) выходного сигнала;
- tВ - время выборки - это максимальное время из tВА и tВК;
- tЗАП - время записи (tУВК + tРЗ + tВЗ). Длительность цикла записи.
- tСЧ - время считывания - время между двумя сигналами адреса, достаточное для считывания информации.
- tЦ - время полного цикла (tЗАП + tСЧ).
Контроль БИС ОЗУ.
Динамические параметры БИС ОЗУ при установлении разных адресов
могут несколько отличаться, поэтому для каждого типономинала предвари-
тельно определяются критичные адреса с наибольшим временем выборки.
Измеренным значением считается наибольшее время выборки для всех возможных адресов.
При контроле функционирования необходимо проверить работоспособность всех ячеек ОЗУ. Особенностью накопителей ОЗУ является наличие
коллективных явлений. К ним можно отнести импульсные помехи, утечки
ключевых транзисторов, тиристорный эффект и др. Поэтому простой перебор
адресов недостаточен, а реализовать все возможные последовательности адресов практически невозможно. Для функционального контроля используются специальные алгоритмы:
- последовательная запись и считывание “0” и “1” во всю матрицу ОЗУ,
алгоритм “ФОН”;
- последовательная запись и считывание “0” на фоне всех остальных “1”
и наоборот - “1” на фоне “0”, алгоритм “МАРШ”;
- по парное считывание и по парная запись при любых адресных переходах, алгоритм “ГАЛОП”;
- и другие.
Повышение выхода годных БИС путем резервирования.
Основные потребительские характеристики БИС ОЗУ - это емкость накопителя и цена, которые трудно улучшать одновременно. Для ОЗУ большой
емкости повышение процента выхода и соответствующее снижение цены достигается путем введения в состав кристалла резервных элементов. Подключение резервных блоков взамен неисправных осуществляется двумя путями: электрическим программированием элементов ППЗУ, размещенных на
кристалле ОЗУ, или лазерным пережиганием металлических проводников.
Кристаллы с блоками ППЗУ больше по площади, и технология их сложнее,
чем для кристаллов с лазерным подключением резерва. Однако сам процесс
электрического подключения резерва быстрее и дешевле, так как осуществляется непосредственно в процессе функционального контроля БИС ОЗУ.
В качестве резервных блоков используются дополнительные строки и
столбцы накопителя с соответствующими блоками дешифраторов. В блок
ППЗУ записываются адрес дефектных строк и столбцов. При совпадении поступившего на входы ОЗУ адреса с записанным в ППЗУ схема сравнения отключает все основные блоки и подключает резервные. Если имеющегося резерва не хватает для замены всех строк и столбцов с дефектными элементами,
то схема бракуется. Дефекты могут присутствовать и в самих резервных блоках. Поэтому резервирование эффективно только для ОЗУ большой емкости
и при использовании технологии с малым числом дефектов (всего 24 дефекта на кристалл).
Использование корректирующих кодов.
Даже в полностью годных ОЗУ возникают сбои под воздействием электромагнитных помех, вызванные воздействием космических излучений или
-частицами. -Частицы появляются при распаде радиоактивных элементов,
входящих в материалы кристалла и корпуса, и избавиться от них очень трудно. Для исключения влияния сбоев на работу систем памяти используются
корректирующие коды и схемы контроля и исправления ошибок. Обычно
схемы контроля ошибок входят в состав платы или системы памяти с множеством микросхем. Однако для БИС ОЗУ очень большой емкости (1 Мбит и
более) эффективно использование схем коррекции ошибок в составе кристалла. Схемы коррекции исправляют ошибки, вызванные не только кратковременными сбоями, но и технологическими дефектами, повышая процент выхода годных кристаллов. Использование корректирующих кодов возможно
только в ЗУ с достаточно большим числом разрядов в информационном слове. Еще один подход состоит в использовании частично годных БИС ОЗУ (с
несколькими единичными дефектными элементами памяти) для построения
системы из многих БИС, с использованием схем восстановления информации.
Чаще всех в системах памяти используются корректирующие коды Хемминга.
б)
а)
а - Считывание при поступлении сигнала выборки кристалла.
tВК - время выборки кристалла; tВВК - время восстановления выхода после снятия сигнала выборки
кристалла;
Б - считывание при смене адреса
tВА - время выборки адреса;
рис. 4.1. Временные диаграммы.
в - запись информации
tРЗ - минимальная длительность импульса записи; tВЗ - время восстановления выхода после снятия сигнала
записи; tУЗ - время установления выхода после подачи сигнала записи; tУИ - время установки информации;
tУА - время установки адреса; tУВК - время установки выборки кристалла; tСИ - время сохранения информации; tСА - время сохранения адреса; tСВК - время сохранения выборки кристалла.