Микросхемы оперативной памяти их типы
Динамическая оперативная память или dynamic random access memory (DRAM) — это оперативная энергозависимая память с произвольным доступом к считыванию информации. Сегодня память типа DRAM (в различных модификациях) является основным компонентом вычислительной техники благодаря наилучшему соотношению цены и качества.
Емкость
Классификация и характеристики микросхем памяти
Данные устройства классифицируются по нескольким основным параметрам:
- Энергонезависимость памяти — необходимость наличия внешнего источника питания для сохранения записанной в ней информации.
- Возможность перезаписи информации.
- Способ доступа к информации.
К основным характеристикам микросхем памяти можно отнести:
- Энергонезависимость.
- Наибольший объём записываемой информации (информационная ёмкость).
- Организация. Один и тот же объём памяти в разных микросхемах может быть в различных сочетаниях, например 65 536 может быть поделено на 8, 16 или более частей. При этом внутренняя организация матрицы памяти неизменна, различен лишь внешний интерфейс и количество внешних выводов.
- Энергопотребление микросхем памяти — зависит от требуемой электрической мощности необходимой для работы устройства в каждом из режимов.
- Быстродействие памяти — определяется временем считывания информации, временем цикла обращения к памяти в устройствах с произвольным доступом. В устройствах с последовательным доступом быстродействие определяется временем необходимым на поиск и объёмом переданной в единицу времени информации в режиме чтения или записи.
- Напряжение питания микросхем памяти. Современные тенденции по уменьшению напряжения источников питания привели к разработке устройств требующих 3.3, 2.5 и 1.8 В.
- Диапазон температур — температура между минимальным и максимальным значениями, при которой микросхема сохраняет свои параметры.
Помимо вышеуказанных характеристик есть ещё и специфические параметры, как например: продолжительность хранения, время стирания информации, количество циклов перезаписи и т. д. А наиболее важной характеристикой является энергонезависимость микросхемы памяти — возможность сохранения записанной информации без источника питания. На этом мы остановимся более подробно, рассмотрев особенности двух основных групп микросхем памяти — оперативную и энергонезависимую.
Синхронная DRAM память (SDRAM)
С момента своего появления микросхемы динамической памяти постоянно совершенствовались, увеличивался их объём и производительность, уменьшались размеры и тайминг. Первым типом памяти, успешно работающим при частоте системной шины от 100 МГц и более (обусловленной выпуском новых процессоров) стала синхронная динамическая память — SDRAM. Её особенностью является синхронная работа с контроллером памяти, обеспечивающая конвейерную обработку информации — возможность отсылать запрос на считывание новой информации до завершения считывания предыдущей для уменьшения тайминга. Усложненный процесс считывания привел к усложнению контроллера, впервые был использован тактовый генератор для синхронизации всех сигналов.
Компания «Макго Групп» предлагает большой выбор синхронной динамической памяти от известного производителя Alliance Memory емкостью от 16Mb до 512Mb, в корпусах TSOP II, TSOP II и TFBGA частотой от 133 до 200 МГц. Это высококачественные продукты для промышленного, медицинского, телекоммуникационного оборудования и вычислительных систем. Мы предлагаем только надежные решения, оптимальные по соотношению цены и качества, с доставкой в любой регион России и стран СНГ.
Дальнейшими модификациями DRAM стала - DDR
DDR SDRAM – технология удвоения частоты передачи данных благодаря их передаче не только по фронту тактового импульса внешней шины, но и по спаду. В модификация DDR2 и DDR3 произошло дальнейшее увеличение рабочей частоты, что позволило значительно увеличить производительность микросхем.
Электронная промышленность всего мира уже выпустила и продолжает разработки все новых и новых типов микросхем памяти. Определенные требования, возникающие при изготовлении изделий электронной техники, вызывают потребность в приборах памяти, характеристики которых должны превосходить предшествующие разработки. На сегодня уже имеется широкий выбор микросхем памяти, но ни один тип не может считаться идеальным. Каждый тип памяти имеет не только что-то лучшее по сравнению со своими конкурентами, но и какие-то свои недостатки.
Таблица 1 показывает степень совершенства указанных типов памяти по некоторым показателям.
Динамическое ОЗУ. Динамическая оперативная память сохраняет информацию (лог. 1 или 0) на конденсаторе малой емкости, который входит в состав транзисторной ячейки. Размер ячейки ДОЗУ меньше, чем у СОЗУ, так что общая стоимость единицы памяти меньше. Но конденсаторы динамической оперативной памяти должны постоянно подзаряжаться, чтобы сохранять информацию. Это требует более сложной схемы интерфейса.
Статическое ОЗУ. По существу, это триггерное устройство с цифровым управлением, не требующее ни синхронизации, ни регенерации. Информация сохраняется до тех пор, пока имеется питание. СОЗУ имеет достаточно малое время доступа для чтения и записи, параллельную структуру адреса. Наилучшее применение СОЗУ нашла для памяти, имеющей невысокую плотность, но частый доступ, а также кэш-памяти.
Энергонезависимое СОЗУ (NV SRAM) - единственный блок, который содержит СОЗУ с низким энергопотреблением, энергонезависимый контроллер памяти и литиевую батарею. Когда основное питание становится ниже минимально требуемого для поддержания работоспособности СОЗУ, контроллер памяти в модуле переключает электропитание с внешнего источника на внутреннюю литиевую батарею и защищает от записи СОЗУ. Переходы от основного питания к питанию от литиевых батарей, и наоборот, прозрачны для СОЗУ и делают его истинно энергонезависимой памятью. Такая конструкция объединяет статические преимущества адресуемого СОЗУ - высокую скорость доступа, низкие требования по синхронизации с преимуществами энергонезависимой технологии СППЗУ. Если не стоит вопрос стоимости, то СОЗУ-модули с батарейным питанием от DSC являются идеалом для любого приложения, где традиционное СОЗУ было бы подходящим. Энергонезависимое СОЗУ по выводам совместимо с СОЗУ без батарейного питания.
Псевдостатическое ОЗУ - комбинация динамического и статического ОЗУ. По своей природе устройство является "статическим", не требуя регенерации для сохранения данных. Но для этого в ячейку памяти помещается вся требуемая логика регенерации. Как следствие, псевдостатическое ОЗУ имеет низкую плотность и более высокую стоимость, чем ДОЗУ.
Флэш-память объединяет возможность электрического стирания ЭСППЗУ с ячейкой, подобной программируемому СППЗУ. В результате модифицированная ячейка может быть стерта электрически в блоке с другими ячейками. Эта характеристика позволяет флэш-памяти принимать новый код или информацию в системе.
Электрически перепрограммируемая постоянная память (EEPROM). Недостаток электрически стираемой памяти в том, что невозможна перезапись в системе. Для этого требуется программатор с повышенным напряжением от 12,5 В и выше. Если же необходимо использовать источник питания напряжением 5 В, то для этого следует применять более дорогие схемы EEPROM, которые в своем составе имеют преобразователь, позволяющий при 5 В производить стирание старой информации и запись новой. Такие приборы имеют относительно высокое время доступа для чтения/записи. Ячейки EEPROM редко могут иметь число операций стирание/запись более 10 000. Память EEPROM может устанавливаться в системе и доступна как стандартная СОЗУ.
Стираемая программируемая постоянная память СППЗУ может стираться повышенным напряжением 12,5 В или ультрафиолетовым светом через окошко в верхней части корпуса микросхемы. Обычно эти микросхемы использовались в разработках и потом происходила их замена на более дешевые.
ПЗУ с однократным программированием. Обычно запись данных в ОТР PROM делают один раз. Эти микросхемы памяти одни из самых дешевых.
ПЗУ. Масочное постоянное запоминающее устройство. Является самым надежным хранителем информации. При этом микросхемы памяти не отличаются высоким быстродействием. Если имеется изделие, известны код/данные, то разрабатывается маска и выпускается самая дешевая и надежная память для чтения. Если же вкралась ошибка в информацию, то все запрограммированные микросхемы масочного ПЗУ - брак!
Оценивая указанные в табл. 1 типы памяти, можно отметить следующее. Высокая плотность и низкая стоимость разряда памяти относятся к динамическим ОЗУ. Масочные ПЗУ - наиболее дешевая память только для чтения и не нуждается в подпитке при хранении. Наилучшие показатели у тех типов памяти, которые расположились в середине таблицы. EEPROM обладает многими положительными качествами, но имеет ограниченное число циклов стирание/запись (10 000), длительное время записи и низкая плотность не совсем соответствуют сегодняшнему промышленному спросу.
Для систем, требующих хранения и защиты данных в случае пропадания питания, быстрого доступа чтение/запись, простой схемы управления - наилучшим образом подходят модули энергонезависимой памяти (NV SRAM), выпускаемые корпорацией Dallas Semiconductor (DSC). Рассмотрим данный тип памяти более подробно, поскольку пока по многим показателям (низко потребляемый кристалл СОЗУ, управляющий контроллер питания, литиевая батарейка) он эмулирует почти идеальную память.
Энергонезависимые СОЗУ производства Dallas Semiconductor
Корпорация Dallas Semiconductor является ведущей в мире по технологии производства энергонезависимых статических ОЗУ (NV SRAM). Каждый модуль этих изделий состоит из СОЗУ с низким энергопотреблением, маленькой литиевой батареи и фирменного энергонезависимого чипа управления. Все перечисленные компоненты вместе формируют энергонезависимую память, которая без внешнего питания может сохранять записанную информацию более 10 лет. Время доступа для чтения и записи составляет порядка 70 нс. Все эти особенности подразумевают, что выпускаемые DSC энергонезависимые CОЗУ могут считываться и записываться быстрее неограниченное количество раз и более безопасно, чем любой другой тип энергонезависимой памяти.
Если у потребителя имеются микросхемы СОЗУ и он хочет получить энергонезависимую память, DSC предлагает "разумные" панельки (smart Socket) со встроенными литиевыми батареями и энергонезависимыми чипами управления. Гнезда в панельке двухрядные под корпуса DIP микросхем СОЗУ.
Когда на рынке стали исчезать микросхемы с малым объемом памяти - 2Кх8 и 8Кх8, DSC разработала свои изделия ОЗУ на основе ячейки 6-Т. Типовое значение тока удержания составляет 50 нА! Для вспомогательного питания можно использовать литиевые батарейки, имеют минимальные размеры, а срок хранения данных - более 10 лет при комнатной температуре.
Память должна автоматически защитить запись при обнаружении изменения питающего напряжения - обычно в допуске 10 % от Uпит. Данные должны храниться в памяти в течение всего времени сбоя питания. Возникает вопрос: что будет с данными в то время, когда происходит сбой питания? При падении напряжения питания ниже 10 % уровня Uпит времени для системных вспомогательных функций уже нет. Что же необходимо сделать для сохранения данных, чтобы снижение питания обнаруживалось существенно раньше и микропроцессор мог выполнить вспомогательные функции по защите записи? Один из способов - использование второго напряжения, контролирующего устройство. DSC производит микросхему DS1233B - монитор напряжения на 5 В + 5 % в 3-выводном корпусе ТО-92. Этот монитор выдает активный низкий сигнал сброса (RST) как только обнаружит выход основного питания из пятипроцентного допуска. Активный низкий сигнал может использоваться как запрос на прерывание микропроцессора. Таким образом, микропроцессор получает необходимое время для обслуживания прерывания, и энергонезависимая память защищается от записи. Рисунок 1 иллюстрирует эту ситуацию.
Рис. 1. Формирование сигнала IRQ
Микропроцессоры могут обслуживать прерывания и обрабатывать информацию быстрее, чем спад напряжения на 5 % от своего номинала. Конечно, необходимо, чтобы программное обеспечение, обслуживающее прерывания системы, было сконфигурировано для максимально быстрой идентификации внешнего прерывания.
Предположим некоторые условия, которые могут быть внутри рассматриваемой системы. Принимаем время снижения напряжения от 4,75 (0,0 5 Uпит) до 4 В (процессор работает еще нормально) за 300 мкс.
Одна команда выполняется за 40_6 = 240 нс.
Скорость падения напряжения
Скорость падения напряжения .
Между началом выдачи команды с монитора (5 %) до 10 % от Uпит напряжение понижается на 0,25 В. Это происходит за время .
Следовательно, за это время микропроцессор выполнит .
Конечно, иметь в резерве 416 команд за время, когда микропроцессор может выполнить любые функции по завершению записи и сохранению данных в ОЗУ - это надежный показатель выполнения поставленной задачи. Если количество циклов на инструкцию меньше вышеуказанного или рабочая частота выше 25 МГц, вы имеете дополнительный резерв времени. Используя монитор DS1233B вместе с энергонезависимым СОЗУ, всегда можно получить дополнительное время для организованного системного завершения работы без разрушения памяти. В противном случае резервов вашего микропроцессора может не хватить для успешного завершения работы с СОЗУ. На рис. 2 представлены корпуса, в которых могут размещаться мониторы напряжения DS1233B.
Рис. 2. Корпуса мониторов напряжения DS1233B
Стандартная энергонезависимая память СОЗУ
Выпускаемая DSC энергонезависимая СОЗУ (табл. 2) имеет отдельный литиевый источник энергии и схему управления, которая постоянно контролирует основной источник питания Uпит по условию выхода напряжения из допуска. Когда напряжение Uпит снижается, выходя за пределы допуска, автоматически включается литиевая батарейка, и защита записи предотвращает нарушение целостности данных. Данные сохраняются, защита от записи остается до тех пор, пока Uпит вернется к номиналу, определяемому допуском. После этого литиевый источник выключается и память снова доступна. Поскольку эти блоки памяти основаны на СОЗУ технологии, время доступа для записи и чтения одинаково, а число этих операций не ограничено. Выпускаются приборы в корпусах DIP (600-mil) или Power Cap.
Расширенная энергонезависимая память СОЗУ с монитором батареи
Все функциональные возможности DS12XX выполняются приборами, перечень которых приведен в табл. 3. Но у этой группы СОЗУ имеется достаточно сложный монитор батареи. Раз в 24 часа монитор применяет испытательную загрузку литиевой батареи и делает замер напряжения. Если напряжение батареи просаживается слишком низко, то вывод Battery Warning (BW) активизируется, чтобы указать потребность в замене батареи. Эти модули имеют встроенный элемент для обнуления центрального процессора. Микросхемы серии DS13XX выпускаются только в корпусе Power Cap.
Новые модули Power Cap
Пакетный модуль Power Cap (рис. 3) дает возможность поверхностного крепления корпуса и его содержимого - энергонезависимого ОЗУ. Power Cap модули представляют уникальную конструкцию, состоящую из двух частей - монтируемой площадки ядра модуля, в которой размещены интегральные схемы и, собственно Power Cap с литиевой батареей. Power Cap - это верхняя половина блока, которая содержит контактные пружины, соединяющие литиевую батарею с ядром модуля. Если необходима смена батарейки, то конструкция модуля позволяет легко и быстро выполнить эту операцию.
Рис. 3 Пакетный модуль Power Cap
В течение системной сборки, пока идет пайка поверхности модуля, высокая температура не затрагивает температурно чувствительные литиевые батареи. Когда основание закреплено, пользователь просто зафиксирует Power Cap на базе модуля, чтобы сформировать законченный энергонезависимый СОЗУ-модуль. Пакетный модуль Power Cap имеет высоту 0,25 дюйма, площадь платы ядра составляет 0,96 кв. дюйма. Все приборы в этой упаковке имеют стандартную цоколевку и могут заменять энергонезависимую память других видов в корпусе с соответствующими выводами. Поставки изделий осуществляются в трех видах: модульное ядро, Power Cap, а также весь модуль Power Cap.
Торговая марка Power Cap - DS9034PC (только литиевая батарейка)
Все базовые модули с хронометрами используют Power Cap DS9034PCX (литиевая батарея и контроллер часов). В сборке Power Cap сохраняют плотный захват базы модуля и выдерживают целостность даже при вибрации и ударе. Съем Power Cap осуществляют с помощью отвертки. При установке и съеме (рис. 4, а, б) Power Cap категорически запрещается нажатие на центральную часть верха корпуса. Полный модуль с узлом Power Cap имеет в торговом названии дополнительный индекс Р. Например, базовая часть имеет название DS12xxY/AB/W. Соответственно, модуль будет иметь название DS12xxYP/ABP/WP.
Рис. 4. Установка и съем PowerCap
Выбор модуля энергонезависимой СОЗУ стандартного или расширенного варианта можно сделать, используя табл. 4.
Если вы остановили свой выбор на часах реального времени с энергонезависимым СОЗУ, то в выборе поможет табл. 5.
Хронометры сторожевой схемы с энергонезависимым СОЗУ представлены в табл. 6. Базовая схема DS1386 выпускается в 32-выводном DIP-корпусе и содержит контроллер часов реального времени с полным набором функциональных возможностей: тревога, таймер сторожевой схемы, таймер интервала. Все это доступно в байтовом формате. В DS1386 содержится также кварцевый резонатор, литиевая батарейка и кристалл СОЗУ.
Для модульного блока Power Cap выпускается базовая часть с памятью, монитором и контроллером батарей (к названию добавляется индекс Р), корпус Power Cap с литиевой батареей и кварцевый резонатор на 32,768 кГц.
"Интеллектуальные" панельки
- разрезать металлическую дорожку, обозначенную на рисунке "TOL";
- площадки металлизации, помеченные "Т", соединить перемычкой.
Рис. 5. "Интеллектуальная" панелька DS1213
Модернизация по увеличению объема памяти
- металлическую дорожку, обозначенную "U", разрезать;
- площадки металлизации, обозначенные "G", соединить перемычкой.
Интеллектуальные часы/ОЗУ имеют индекс DS1216B/C/D/H. Эти панельки имеют то же функциональное назначение, что и DS1213, но дополнительно на печатной плате устанавливается 16-выводная микросхема, которая содержит контроллер напряжения и фантомные часы в одном корпусе. Все DS1216 выпускаются с выходом сигнала "Сброс" (RTS) на выводе 1. Если сигнал "Сброс" не требуется, то достаточно металлическую дорожку, помеченную буквами "RES", перерезать.
- разрезать металлическую дорожку помеченную буквой "U";
- площадки металлизации, обозначенные "G", соединить перемычкой.
При этом DS 1216B модернизируются из объема 8Кх8 в память 32Кх8, а DS1216D - из 128Кх8 в 512Кх8.
Маломощные статические ОЗУ
- менее 50 нА при Uпит = 3 В;
- менее 100 нА при Uпит = 5,5 В;
- менее 1 мкА при Uпит = 5,5 В и t° = +60 °С.
Время доступа при 5 В у DS2016 - 100 > 100 нс, у DS2016 - 150 > 150 нс. При снижении питания до 3 В время доступа увеличивается до 250 нс.
Диапазон рабочих температур для данных микросхем -40:+85 °С. Если использовать для питания литиевые батареи, то ограничение диапазона температур происходит из-за того, что при -40 °С существенно снижается емкость батареи. Поэтому длительность работы батареи при отрицательных температурах не нормируется. Однако если не требуется автономная работа СОЗУ с литиевой батареей в течение 10 лет, то температура -40 °С является вполне реальным режимом работы. В этом случае микросхема DS2016 является наилучшим решением вышеуказанного требования. Вообще микросхема DS2016 с объемом памяти 2Кх8 пригодна как для работы с батареей, так и для случая, когда батарейное питание является вспомогательным. Наилучшим образом СОЗУ DS 2016 подходит для "интеллектуальной" панельки DS1213B.
Микросхемы СОЗУ имеют вход разрешение доступа к микросхеме (CE), который можно использовать для перевода в режим минимального потребления. Наличие сигналов управления CE, а также ОЕ позволяет объединять в параллель множество микросхем, получая, таким образом, необходимый объем памяти. Приборы СОЗУ поддерживают по входу и выходу уровни ТТЛ - схем в диапазоне напряжений 2, 7:5, 5 В. При одинаковых объемах памяти СОЗУ и ПЗУ обычно взаимозаменяемы по выводам и, соответственно, во многих применениях могут заменять друг друга.
Электронная промышленность всего мира уже выпустила и продолжает разработки все новых и новых типов микросхем памяти. Определенные требования, возникающие при изготовлении изделий электронной техники, вызывают потребность в приборах памяти, характеристики которых должны превосходить предшествующие разработки. На сегодня уже имеется широкий выбор микросхем памяти, но ни один тип не может считаться идеальным. Каждый тип памяти имеет не только что-то лучшее по сравнению со своими конкурентами, но и какие-то свои недостатки.
Таблица 1 показывает степень совершенства указанных типов памяти по некоторым показателям.
Динамическое ОЗУ. Динамическая оперативная память сохраняет информацию (лог. 1 или 0) на конденсаторе малой емкости, который входит в состав транзисторной ячейки. Размер ячейки ДОЗУ меньше, чем у СОЗУ, так что общая стоимость единицы памяти меньше. Но конденсаторы динамической оперативной памяти должны постоянно подзаряжаться, чтобы сохранять информацию. Это требует более сложной схемы интерфейса.
Статическое ОЗУ. По существу, это триггерное устройство с цифровым управлением, не требующее ни синхронизации, ни регенерации. Информация сохраняется до тех пор, пока имеется питание. СОЗУ имеет достаточно малое время доступа для чтения и записи, параллельную структуру адреса. Наилучшее применение СОЗУ нашла для памяти, имеющей невысокую плотность, но частый доступ, а также кэш-памяти.
Энергонезависимое СОЗУ (NV SRAM) - единственный блок, который содержит СОЗУ с низким энергопотреблением, энергонезависимый контроллер памяти и литиевую батарею. Когда основное питание становится ниже минимально требуемого для поддержания работоспособности СОЗУ, контроллер памяти в модуле переключает электропитание с внешнего источника на внутреннюю литиевую батарею и защищает от записи СОЗУ. Переходы от основного питания к питанию от литиевых батарей, и наоборот, прозрачны для СОЗУ и делают его истинно энергонезависимой памятью. Такая конструкция объединяет статические преимущества адресуемого СОЗУ - высокую скорость доступа, низкие требования по синхронизации с преимуществами энергонезависимой технологии СППЗУ. Если не стоит вопрос стоимости, то СОЗУ-модули с батарейным питанием от DSC являются идеалом для любого приложения, где традиционное СОЗУ было бы подходящим. Энергонезависимое СОЗУ по выводам совместимо с СОЗУ без батарейного питания.
Псевдостатическое ОЗУ - комбинация динамического и статического ОЗУ. По своей природе устройство является "статическим", не требуя регенерации для сохранения данных. Но для этого в ячейку памяти помещается вся требуемая логика регенерации. Как следствие, псевдостатическое ОЗУ имеет низкую плотность и более высокую стоимость, чем ДОЗУ.
Флэш-память объединяет возможность электрического стирания ЭСППЗУ с ячейкой, подобной программируемому СППЗУ. В результате модифицированная ячейка может быть стерта электрически в блоке с другими ячейками. Эта характеристика позволяет флэш-памяти принимать новый код или информацию в системе.
Электрически перепрограммируемая постоянная память (EEPROM). Недостаток электрически стираемой памяти в том, что невозможна перезапись в системе. Для этого требуется программатор с повышенным напряжением от 12,5 В и выше. Если же необходимо использовать источник питания напряжением 5 В, то для этого следует применять более дорогие схемы EEPROM, которые в своем составе имеют преобразователь, позволяющий при 5 В производить стирание старой информации и запись новой. Такие приборы имеют относительно высокое время доступа для чтения/записи. Ячейки EEPROM редко могут иметь число операций стирание/запись более 10 000. Память EEPROM может устанавливаться в системе и доступна как стандартная СОЗУ.
Стираемая программируемая постоянная память СППЗУ может стираться повышенным напряжением 12,5 В или ультрафиолетовым светом через окошко в верхней части корпуса микросхемы. Обычно эти микросхемы использовались в разработках и потом происходила их замена на более дешевые.
ПЗУ с однократным программированием. Обычно запись данных в ОТР PROM делают один раз. Эти микросхемы памяти одни из самых дешевых.
ПЗУ. Масочное постоянное запоминающее устройство. Является самым надежным хранителем информации. При этом микросхемы памяти не отличаются высоким быстродействием. Если имеется изделие, известны код/данные, то разрабатывается маска и выпускается самая дешевая и надежная память для чтения. Если же вкралась ошибка в информацию, то все запрограммированные микросхемы масочного ПЗУ - брак!
Оценивая указанные в табл. 1 типы памяти, можно отметить следующее. Высокая плотность и низкая стоимость разряда памяти относятся к динамическим ОЗУ. Масочные ПЗУ - наиболее дешевая память только для чтения и не нуждается в подпитке при хранении. Наилучшие показатели у тех типов памяти, которые расположились в середине таблицы. EEPROM обладает многими положительными качествами, но имеет ограниченное число циклов стирание/запись (10 000), длительное время записи и низкая плотность не совсем соответствуют сегодняшнему промышленному спросу.
Для систем, требующих хранения и защиты данных в случае пропадания питания, быстрого доступа чтение/запись, простой схемы управления - наилучшим образом подходят модули энергонезависимой памяти (NV SRAM), выпускаемые корпорацией Dallas Semiconductor (DSC). Рассмотрим данный тип памяти более подробно, поскольку пока по многим показателям (низко потребляемый кристалл СОЗУ, управляющий контроллер питания, литиевая батарейка) он эмулирует почти идеальную память.
Энергонезависимые СОЗУ производства Dallas Semiconductor
Корпорация Dallas Semiconductor является ведущей в мире по технологии производства энергонезависимых статических ОЗУ (NV SRAM). Каждый модуль этих изделий состоит из СОЗУ с низким энергопотреблением, маленькой литиевой батареи и фирменного энергонезависимого чипа управления. Все перечисленные компоненты вместе формируют энергонезависимую память, которая без внешнего питания может сохранять записанную информацию более 10 лет. Время доступа для чтения и записи составляет порядка 70 нс. Все эти особенности подразумевают, что выпускаемые DSC энергонезависимые CОЗУ могут считываться и записываться быстрее неограниченное количество раз и более безопасно, чем любой другой тип энергонезависимой памяти.
Если у потребителя имеются микросхемы СОЗУ и он хочет получить энергонезависимую память, DSC предлагает "разумные" панельки (smart Socket) со встроенными литиевыми батареями и энергонезависимыми чипами управления. Гнезда в панельке двухрядные под корпуса DIP микросхем СОЗУ.
Когда на рынке стали исчезать микросхемы с малым объемом памяти - 2Кх8 и 8Кх8, DSC разработала свои изделия ОЗУ на основе ячейки 6-Т. Типовое значение тока удержания составляет 50 нА! Для вспомогательного питания можно использовать литиевые батарейки, имеют минимальные размеры, а срок хранения данных - более 10 лет при комнатной температуре.
Память должна автоматически защитить запись при обнаружении изменения питающего напряжения - обычно в допуске 10 % от Uпит. Данные должны храниться в памяти в течение всего времени сбоя питания. Возникает вопрос: что будет с данными в то время, когда происходит сбой питания? При падении напряжения питания ниже 10 % уровня Uпит времени для системных вспомогательных функций уже нет. Что же необходимо сделать для сохранения данных, чтобы снижение питания обнаруживалось существенно раньше и микропроцессор мог выполнить вспомогательные функции по защите записи? Один из способов - использование второго напряжения, контролирующего устройство. DSC производит микросхему DS1233B - монитор напряжения на 5 В + 5 % в 3-выводном корпусе ТО-92. Этот монитор выдает активный низкий сигнал сброса (RST) как только обнаружит выход основного питания из пятипроцентного допуска. Активный низкий сигнал может использоваться как запрос на прерывание микропроцессора. Таким образом, микропроцессор получает необходимое время для обслуживания прерывания, и энергонезависимая память защищается от записи. Рисунок 1 иллюстрирует эту ситуацию.
Рис. 1. Формирование сигнала IRQ
Микропроцессоры могут обслуживать прерывания и обрабатывать информацию быстрее, чем спад напряжения на 5 % от своего номинала. Конечно, необходимо, чтобы программное обеспечение, обслуживающее прерывания системы, было сконфигурировано для максимально быстрой идентификации внешнего прерывания.
Предположим некоторые условия, которые могут быть внутри рассматриваемой системы. Принимаем время снижения напряжения от 4,75 (0,0 5 Uпит) до 4 В (процессор работает еще нормально) за 300 мкс.
Одна команда выполняется за 40_6 = 240 нс.
Скорость падения напряжения
Скорость падения напряжения .
Между началом выдачи команды с монитора (5 %) до 10 % от Uпит напряжение понижается на 0,25 В. Это происходит за время .
Следовательно, за это время микропроцессор выполнит .
Конечно, иметь в резерве 416 команд за время, когда микропроцессор может выполнить любые функции по завершению записи и сохранению данных в ОЗУ - это надежный показатель выполнения поставленной задачи. Если количество циклов на инструкцию меньше вышеуказанного или рабочая частота выше 25 МГц, вы имеете дополнительный резерв времени. Используя монитор DS1233B вместе с энергонезависимым СОЗУ, всегда можно получить дополнительное время для организованного системного завершения работы без разрушения памяти. В противном случае резервов вашего микропроцессора может не хватить для успешного завершения работы с СОЗУ. На рис. 2 представлены корпуса, в которых могут размещаться мониторы напряжения DS1233B.
Рис. 2. Корпуса мониторов напряжения DS1233B
Стандартная энергонезависимая память СОЗУ
Выпускаемая DSC энергонезависимая СОЗУ (табл. 2) имеет отдельный литиевый источник энергии и схему управления, которая постоянно контролирует основной источник питания Uпит по условию выхода напряжения из допуска. Когда напряжение Uпит снижается, выходя за пределы допуска, автоматически включается литиевая батарейка, и защита записи предотвращает нарушение целостности данных. Данные сохраняются, защита от записи остается до тех пор, пока Uпит вернется к номиналу, определяемому допуском. После этого литиевый источник выключается и память снова доступна. Поскольку эти блоки памяти основаны на СОЗУ технологии, время доступа для записи и чтения одинаково, а число этих операций не ограничено. Выпускаются приборы в корпусах DIP (600-mil) или Power Cap.
Расширенная энергонезависимая память СОЗУ с монитором батареи
Все функциональные возможности DS12XX выполняются приборами, перечень которых приведен в табл. 3. Но у этой группы СОЗУ имеется достаточно сложный монитор батареи. Раз в 24 часа монитор применяет испытательную загрузку литиевой батареи и делает замер напряжения. Если напряжение батареи просаживается слишком низко, то вывод Battery Warning (BW) активизируется, чтобы указать потребность в замене батареи. Эти модули имеют встроенный элемент для обнуления центрального процессора. Микросхемы серии DS13XX выпускаются только в корпусе Power Cap.
Новые модули Power Cap
Пакетный модуль Power Cap (рис. 3) дает возможность поверхностного крепления корпуса и его содержимого - энергонезависимого ОЗУ. Power Cap модули представляют уникальную конструкцию, состоящую из двух частей - монтируемой площадки ядра модуля, в которой размещены интегральные схемы и, собственно Power Cap с литиевой батареей. Power Cap - это верхняя половина блока, которая содержит контактные пружины, соединяющие литиевую батарею с ядром модуля. Если необходима смена батарейки, то конструкция модуля позволяет легко и быстро выполнить эту операцию.
Рис. 3 Пакетный модуль Power Cap
В течение системной сборки, пока идет пайка поверхности модуля, высокая температура не затрагивает температурно чувствительные литиевые батареи. Когда основание закреплено, пользователь просто зафиксирует Power Cap на базе модуля, чтобы сформировать законченный энергонезависимый СОЗУ-модуль. Пакетный модуль Power Cap имеет высоту 0,25 дюйма, площадь платы ядра составляет 0,96 кв. дюйма. Все приборы в этой упаковке имеют стандартную цоколевку и могут заменять энергонезависимую память других видов в корпусе с соответствующими выводами. Поставки изделий осуществляются в трех видах: модульное ядро, Power Cap, а также весь модуль Power Cap.
Торговая марка Power Cap - DS9034PC (только литиевая батарейка)
Все базовые модули с хронометрами используют Power Cap DS9034PCX (литиевая батарея и контроллер часов). В сборке Power Cap сохраняют плотный захват базы модуля и выдерживают целостность даже при вибрации и ударе. Съем Power Cap осуществляют с помощью отвертки. При установке и съеме (рис. 4, а, б) Power Cap категорически запрещается нажатие на центральную часть верха корпуса. Полный модуль с узлом Power Cap имеет в торговом названии дополнительный индекс Р. Например, базовая часть имеет название DS12xxY/AB/W. Соответственно, модуль будет иметь название DS12xxYP/ABP/WP.
Рис. 4. Установка и съем PowerCap
Выбор модуля энергонезависимой СОЗУ стандартного или расширенного варианта можно сделать, используя табл. 4.
Если вы остановили свой выбор на часах реального времени с энергонезависимым СОЗУ, то в выборе поможет табл. 5.
Хронометры сторожевой схемы с энергонезависимым СОЗУ представлены в табл. 6. Базовая схема DS1386 выпускается в 32-выводном DIP-корпусе и содержит контроллер часов реального времени с полным набором функциональных возможностей: тревога, таймер сторожевой схемы, таймер интервала. Все это доступно в байтовом формате. В DS1386 содержится также кварцевый резонатор, литиевая батарейка и кристалл СОЗУ.
Для модульного блока Power Cap выпускается базовая часть с памятью, монитором и контроллером батарей (к названию добавляется индекс Р), корпус Power Cap с литиевой батареей и кварцевый резонатор на 32,768 кГц.
"Интеллектуальные" панельки
- разрезать металлическую дорожку, обозначенную на рисунке "TOL";
- площадки металлизации, помеченные "Т", соединить перемычкой.
Рис. 5. "Интеллектуальная" панелька DS1213
Модернизация по увеличению объема памяти
- металлическую дорожку, обозначенную "U", разрезать;
- площадки металлизации, обозначенные "G", соединить перемычкой.
Интеллектуальные часы/ОЗУ имеют индекс DS1216B/C/D/H. Эти панельки имеют то же функциональное назначение, что и DS1213, но дополнительно на печатной плате устанавливается 16-выводная микросхема, которая содержит контроллер напряжения и фантомные часы в одном корпусе. Все DS1216 выпускаются с выходом сигнала "Сброс" (RTS) на выводе 1. Если сигнал "Сброс" не требуется, то достаточно металлическую дорожку, помеченную буквами "RES", перерезать.
- разрезать металлическую дорожку помеченную буквой "U";
- площадки металлизации, обозначенные "G", соединить перемычкой.
При этом DS 1216B модернизируются из объема 8Кх8 в память 32Кх8, а DS1216D - из 128Кх8 в 512Кх8.
Маломощные статические ОЗУ
- менее 50 нА при Uпит = 3 В;
- менее 100 нА при Uпит = 5,5 В;
- менее 1 мкА при Uпит = 5,5 В и t° = +60 °С.
Время доступа при 5 В у DS2016 - 100 > 100 нс, у DS2016 - 150 > 150 нс. При снижении питания до 3 В время доступа увеличивается до 250 нс.
Диапазон рабочих температур для данных микросхем -40:+85 °С. Если использовать для питания литиевые батареи, то ограничение диапазона температур происходит из-за того, что при -40 °С существенно снижается емкость батареи. Поэтому длительность работы батареи при отрицательных температурах не нормируется. Однако если не требуется автономная работа СОЗУ с литиевой батареей в течение 10 лет, то температура -40 °С является вполне реальным режимом работы. В этом случае микросхема DS2016 является наилучшим решением вышеуказанного требования. Вообще микросхема DS2016 с объемом памяти 2Кх8 пригодна как для работы с батареей, так и для случая, когда батарейное питание является вспомогательным. Наилучшим образом СОЗУ DS 2016 подходит для "интеллектуальной" панельки DS1213B.
Микросхемы СОЗУ имеют вход разрешение доступа к микросхеме (CE), который можно использовать для перевода в режим минимального потребления. Наличие сигналов управления CE, а также ОЕ позволяет объединять в параллель множество микросхем, получая, таким образом, необходимый объем памяти. Приборы СОЗУ поддерживают по входу и выходу уровни ТТЛ - схем в диапазоне напряжений 2, 7:5, 5 В. При одинаковых объемах памяти СОЗУ и ПЗУ обычно взаимозаменяемы по выводам и, соответственно, во многих применениях могут заменять друг друга.
Большая часть современной электроники, за исключением устройств со встроенной внутренней памятью, основана на работе микросхем памяти — оперативных и энергонезависимых. Остановимся на классификации микросхем и рассмотрим их основные отличия.
Принцип действия и основные характеристики памяти DRAM
Dynamic random access memory — это память с произвольным доступом, где каждая ячейка состоит из одного конденсатора и группы транзисторов. Задачей конденсатора является хранение одного бита информации, транзисторы — удерживают заряд и открывают/закрывают доступ к хранителю информации при чтении и записи. Вместе они составляют ячейку матрицы памяти. Кроме того, стандартная микросхема памяти состоит из следующих элементов:
- Резистор — равномерно распределяет напряжение между столбцами матрицы.
- Контроллер шины памяти — получение команд, данных и адресов от внешних систем и их передача во внутренние блоки.
- Блок управления — организация работы блоков памяти и периодическое восстановление (дозарядка конденсатора) питания.
- Дешифраторы адресов строки и столбца — регулируют считывание/запись информации и подачу напряжения в матрицу.
- Блок работы с данными — распределяет данные по ячейкам.
- Блок регенерации — определяет необходимость регенерации ячеек.
- Буфер данных — сохраняет считанные данные для последующего выбора требуемых бит.
Основным недостатком данной схемы является необходимость дозарядки конденсатора для хранения данных и, в особенности, после их чтения.
Производительность микросхем динамической памяти во многом зависит от рабочей частоты и тайминга — задержки времени полного доступа (между подачей номеров столбца и строки) и рабочего цикла (между запросом номера столбца и получением данных ячейки). Задержка измеряется в наносекундах или тактах, и чем они меньше, тем более высокая производительность микросхем DRAM.
Основными преимуществами динамической памяти являются малая себестоимость и высокая степень упаковки, позволяющая создавать микросхемы большой ёмкости. Недостатки — динамическая память имеет меньшее быстродействие в сравнении со статической, необходимость восстановления заряда конденсатора. В целом же динамический тип оперативной памяти является основным в большинстве современных вычислительных устройств.
Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ)
Оперативные микросхемы памяти — это устройства, рассчитанные для работы с переменными потоками информации необходимыми для текущей работы устройств, например промежуточных показателей при математических расчетах. Данный тип памяти позволяет максимально быстро осуществлять перезапись информации.
Оперативные микросхемы памяти или ОЗУ подразделяются на статические и динамические, что обусловлено наличием или отсутствием D-триггеров. Статическое ОЗУ (Static RAM, SRAM) основано на использовании D-триггеров, информация в которых сохраняется в течение всего времени, пока подаётся электропитание. Статические оперативные микросхемы характеризуются быстрой скоростью работы, время доступа составляет несколько наносекунд. Благодаря этому статическая память часто применяется для кэша второго уровня.
Динамическое ОЗУ (Dynamic RAM, DRAM), напротив, не имеет в своей конструкции триггеры, представляя собой массив ячеек, в каждой из которых имеется транзистор и конденсатор. В зависимости от наличия/отсутствия заряда на конденсаторе в ячейке хранится 1 или 0 двоичной системы информации. Так как электрический заряд непостоянен, то каждый бит в динамической оперативной памяти перезаряжается каждые несколько миллисекунд, что предотвращает потерю данных. По той причине, что обновление зависит от внешних устройств, динамические микросхемы оперативной памяти имеют более сложное сопряжение, чем статические. Главным же достоинством данной конструкции являются большие объёмы хранимой информации.
По мере развития электроники, повышения быстродействия процессов и, соответственно, необходимости обработки больших массивов информации в единицу времени, возникла потребность увеличить быстродействие микросхем памяти. Появились синхронные динамические оперативные запоминающие (Synchronous DRAM, SDRAM) управляемые одним синхронизирующим сигналом. По сути — это объединение свойств статической и динамической ОЗУ, главным достижением которых стала независимость микросхемы от управляющих сигналов. Процессор задаёт ОЗУ количество выполняемых циклов и запускает процесс выполнения. На выходе каждого из циклов выдаётся 4, 8 или 16 бит в соответствии с количеством выходных строк. Благодаря отсутствию зависимости от управляющих сигналов значительно повысилась скорость обмена информацией между процессором и памятью.
Следующей ступенью конструкции памяти SDRAM стала разработка и внедрение памяти DDR (Double Data Rate — передача информации с двойной скоростью). Далее появились DDR2, DDR3, DDR4 — микросхемы синхронной динамической оперативной памяти с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи информации. DDR2 — это микросхема второго поколения, DDR3 — третьего и т. д. Внедрение данных микросхем дало возможность существенно повысить скорость обмена информацией в современных электронных устройствах.
Энергонезависимые микросхемы памяти
Энергонезависимые микросхемы памяти (NonVolatileRandomAccessMemory, NVRAM) или ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) — это устройства памяти которые могут хранить данные независимо от наличия либо отсутствия внешнего источника питания.
Первыми появились устройства энергонезависимой памяти, рассчитанные на работу исключительно в режиме чтения, память ROM (Read Only Memory — память только для чтения). Запись информации в ROM-память производилась или при изготовлении кристалла в заводских условиях, или перед установкой в аппаратуру с помощью специального, сложного и недешёвого прибора — программатора.
В последствии, по мере дальнейшего совершенствования методик производства, а также упрощения способов и алгоритмов записи информации, появились современные энергонезависимые микросхемы памяти, имеющие возможность работать в режимах записи, стирания и перезаписи. Появились такие типы энергонезависимой памяти как:
- ППЗУ — программируемые постоянные запоминающие устройства.
- СППЗУ — стираемые ППЗУ.
- РПЗУ — репрограммируемые постоянные запоминающие устройства и др.
Современным и перспективным типом энергонезависимой репрограммируемой памяти является — Flash память . В отличие от других типов, информация в которых стирается по байтам или под воздействием ультрафиолетовых лучей, в Flash память информация стирается и записывается блоками. Более широкому внедрению флеш-памяти, в настоящее время, препятствует ограниченный ресурс работы, современная Flash память теряет свои свойства после 100 000 циклов стирания.
Ещё одним перспективным современным типом постоянной памяти являются микросхемы созданные на основе специальных материалов — ферроэлектриков. Данный тип памяти (FRAM) является полностью энергонезависимым и демонстрирует впечатляющие показатели стойкости характеристик. Гарантии безупречной работы составляют, как правило, порядка 1014 циклов записи и стирания.
Самым же перспективным типом энергонезависимой памяти в настоящее время можно считать MRAM. Это магниторезистивная память (MRAM —англ. magnetoresistiverandom-accessmemory) в которой хранение данных обеспечивается не за счет электрических зарядов, а за счет магнитных моментов. Преимуществом независимых магнитных микросхем является высокое быстродействие, сравнимое с SRAM, а также неограниченное количество циклов записи и стирания данных.
Использование магнитных моментов для хранения информации имеет два важных преимущества:
Новый Год – приятный, светлый праздник, в который мы все подводим итоги год ушедшего, смотрим с надеждой в будущее и дарим подарки. В этой связи мне хотелось бы поблагодарить всех хабра-жителей за поддержку, помощь и интерес, проявленный к моим статьям (1, 2, 3, 4). Если бы Вы когда-то не поддержали первую, не было и последующих (уже 5 статей)! Спасибо! И, конечно же, я хочу сделать подарок в виде научно-популярно-познавательной статьи о том, как можно весело, интересно и с пользой (как личной, так и общественной) применять довольно суровое на первый взгляд аналитическое оборудование. Сегодня под Новый Год на праздничном операционном столе лежат: USB-Flash накопитель от A-Data и модуль SO-DIMM SDRAM от Samsung.
Теоретическая часть
Постараюсь быть предельно краток, чтобы все мы успели приготовить салат оливье с запасом к праздничному столу, поэтому часть материала будет в виде ссылок: захотите – почитаете на досуге…
Какая память бывает?
На настоящий момент есть множество вариантов хранения информации, какие-то из них требуют постоянной подпитки электричеством (RAM), какие-то навсегда «вшиты» в управляющие микросхемы окружающей нас техники (ROM), а какие-то сочетают в себе качества и тех, и других (Hybrid). К последним, в частности, и принадлежит flash. Вроде бы и энергонезависимая память, но законы физики отменить сложно, и периодически на флешках перезаписывать информацию всё-таки приходится.
Тут можно подробнее ознакомиться с ниже приведённой схемой и сравнением характеристик различных типов «твердотельной памяти». Или тут – жаль, что я был ещё ребёнком в 2003 году, в таком проекте не дали поучаствовать…
Современные типы «твердотельной памяти». Источник
Единственное, что, пожалуй, может объединять все эти типы памяти – более-менее одинаковый принцип работы. Есть некоторая двумерная или трёхмерная матрица, которая заполняется 0 и 1 примерно таким образом и из которой мы впоследствии можем эти значения либо считать, либо заменить, т.е. всё это прямой аналог предшественника – памяти на ферритовых кольцах.
Что такое flash-память и какой она бывает (NOR и NAND)?
Начнём с flash-памяти. Когда-то давно на небезызвестном ixbt была опубликована довольно подробная статья о том, что представляет собой Flash, и какие 2 основных сорта данного вида памяти бывают. В частности, есть NOR (логическое не-или) и NAND (логическое не-и) Flash-память (тут тоже всё очень подробно описано), которые несколько отличаются по своей организации (например, NOR – двумерная, NAND может быть и трехмерной), но имеют один общий элемент – транзистор с плавающим затвором.
Схематическое представление транзистора с плавающим затвором. Источник
Итак, как же это чудо инженерной мысли работает? Вместе с некоторыми физическими формулами это описано тут. Если вкратце, то между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут.
NB: «практически» — ключевое слово, ведь без перезаписи, без обновления ячеек хотя бы раз в несколько лет Flash «обнуляется» так же, как оперативная память, после выключения компьютера.
Там же, на ixbt, есть ещё одна статья, которая посвящена возможности записи на один транзистор с плавающим затвором нескольких бит информации, что существенно увеличивает плотность записи.
В случае рассматриваемой нами флешки память будет, естественно, NAND и, скорее всего, multi-level cell (MLC).
Если интересно продолжить знакомиться с технологиями Flash-памяти, то тут представлен взгляд из 2004 года на данную проблематику. А здесь (1, 2, 3) некоторые лабораторные решения для памяти нового поколения. Не думаю, что эти идеи и технологии удалось реализовать на практике, но, может быть, кто-то знает лучше меня?!
Что такое DRAM?
Если кто-то забыл, что такое DRAM, то милости просим сюда.
Опять мы имеем двумерный массив, который необходимо заполнить 0 и 1. Так как на накопление заряда на плавающем затворе уходит довольно продолжительное время, то в случае RAM применяется иное решение. Ячейка памяти состоит из конденсатора и обычного полевого транзистора. При этом сам конденсатор имеет, с одной стороны, примитивное физическое устройство, но, с другой стороны, нетривиально реализован в железе:
Устройство ячейки RAM. Источник
Опять-таки на ixbt есть неплохая статья, посвящённая DRAM и SDRAM памяти. Она, конечно, не так свежа, но принципиальные моменты описаны очень хорошо.
Единственный вопрос, который меня мучает: а может ли DRAM иметь, как flash, multi-level cell? Вроде да, но всё-таки…
Часть практическая
Flash
Те, кто пользуется флешками довольно давно, наверное, уже видели «голый» накопитель, без корпуса. Но я всё-таки кратко упомяну основные части USB-Flash-накопителя:
Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти. Источник
Пойдём от простого к сложному. Кварцевый генератор (подробнее о принципе работы тут). К моему глубокому сожалению, за время полировки сама кварцевая пластинка исчезла, поэтому нам остаётся любоваться только корпусом.
Корпус кварцевого генератора
Случайно, между делом, нашёл-таки, как выглядит армирующее волокно внутри текстолита и шарики, из которых в массе своей и состоит текстолит. Кстати, а волокна всё-таки уложены со скруткой, это хорошо видно на верхнем изображении:
Армирующее волокно внутри текстолита (красными стрелками указаны волокна, перпендикулярные срезу), из которого и состоит основная масса текстолита
А вот и первая важная деталь флешки – контроллер:
Контроллер. Верхнее изображение получено объединением нескольких СЭМ-микрофотографий
Признаюсь честно, не совсем понял задумку инженеров, которые в самой заливке чипа поместили ещё какие-то дополнительные проводники. Может быть, это с точки зрения технологического процесса проще и дешевле сделать.
После обработки этой картинки я кричал: «Яяяяязь!» и бегал по комнате. Итак, Вашему вниманию представляет техпроцесс 500 нм во всей свой красе с отлично прорисованными границами стока, истока, управляющего затвора и даже контакты сохранились в относительной целостности:
«Язь!» микроэлектроники – техпроцесс 500 нм контроллера с прекрасно прорисованными отдельными стоками (Drain), истоками (Source) и управляющими затворами (Gate)
Теперь приступим к десерту – чипам памяти. Начнём с контактов, которые эту память в прямом смысле этого слова питают. Помимо основного (на рисунке самого «толстого» контакта) есть ещё и множество мелких. Кстати, «толстый» < 2 диаметров человеческого волоса, так что всё в мире относительно:
СЭМ-изображения контактов, питающих чип памяти
Если говорить о самой памяти, то тут нас тоже ждёт успех. Удалось отснять отдельные блоки, границы которых выделены стрелочками. Глядя на изображение с максимальным увеличением, постарайтесь напрячь взгляд, этот контраст реально трудно различим, но он есть на изображении (для наглядности я отметил отдельную ячейку линиями):
Ячейки памяти 1. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки
Мне самому сначала это показалось как артефакт изображения, но обработав все фото дома, я понял, что это либо вытянутые по вертикальной оси управляющие затворы при SLC-ячейке, либо это несколько ячеек, собранных в MLC. Хоть я и упомянул MLC выше, но всё-таки это вопрос. Для справки, «толщина» ячейки (т.е. расстояние между двумя светлыми точками на нижнем изображении) около 60 нм.
Чтобы не лукавить – вот аналогичные фото с другой половинки флешки. Полностью аналогичная картина:
Ячейки памяти 2. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки
Конечно, сам чип – это не просто набор таких ячеек памяти, внутри него есть ещё какие-то структуры, принадлежность которых мне определить не удалось:
Другие структуры внутри чипов NAND памяти
Всю плату SO-DIMM от Samsung я, конечно же, не стал распиливать, лишь с помощью строительного фена «отсоединил» один из модулей памяти. Стоит отметить, что тут пригодился один из советов, предложенных ещё после первой публикации – распилить под углом. Поэтому, для детального погружения в увиденное необходимо учитывать этот факт, тем более что распил под 45 градусов позволил ещё получить как бы «томографические» срезы конденсатора.
Однако по традиции начнём с контактов. Приятно было увидеть, как выглядит «скол» BGA и что собой представляет сама пайка:
«Скол» BGA-пайки
А вот и второй раз пора кричать: «Язь!», так как удалось увидеть отдельные твердотельные конденсаторы – концентрические круги на изображении, отмеченные стрелочками. Именно они хранят наши данные во время работы компьютера в виде заряда на своих обкладках. Судя по фотографиям размеры такого конденсатора составляют около 300 нм в ширину и около 100 нм в толщину.
Из-за того, что чип разрезан под углом, одни конденсаторы рассечены аккуратно по середине, у других же срезаны только «бока»:
DRAM память во всей красе
Если кто-то сомневается в том, что эти структуры и есть конденсаторы, то тут можно посмотреть более «профессиональное» фото (правда без масштабной метки).
Единственный момент, который меня смутил, что конденсаторы расположены в 2 ряда (левое нижнее фото), т.е. получается, что на 1 ячейку приходится 2 бита информации. Как уже было сказано выше, информация по мультибитовой записи имеется, но насколько эта технология применима и используется в современной промышленности – остаётся для меня под вопросом.
Конечно, кроме самих ячеек памяти внутри модуля есть ещё и какие-то вспомогательные структуры, о предназначении которых я могу только догадываться:
Другие структуры внутри чипа DRAM-памяти
Послесловие
Помимо тех ссылок, что раскиданы по тексту, на мой взгляд, довольно интересен данный обзор (пусть и от 1997 года), сам сайт (и фотогалерея, и chip-art, и патенты, и много-много всего) и данная контора, которая фактически занимается реверс-инжинирингом.
К сожалению, большого количества видео на тему производства Flash и RAM найти не удалось, поэтому довольствоваться придётся лишь сборкой USB-Flash-накопителей:
P.S.: Ещё раз всех с наступающим Новым Годом чёрного водяного дракона.
Странно получается: статью про Flash хотел написать одной из первых, но судьба распорядилась иначе. Скрестив пальцы, будем надеяться, что последующие, как минимум 2, статьи (про биообъекты и дисплеи) увидят свет в начале 2012 года. А пока затравка — углеродный скотч:
Углеродный скотч, на котором были закреплены исследуемые образцы. Думаю, что и обычный скотч выглядит похожим образом
Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:
В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»
Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)
Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)
Читайте также:
- Какие блоки питания лучше deepcool или aerocool
- Что такое счетчик адреса команд и какова его роль в основном алгоритме работы процессора
- Блок питания meanwell страна производитель
- Если вытащить жесткий диск из компьютера останется информация
- Копирование данных приложения с диска данных завершено для запуска приложения вставьте пусковой диск