Современная немеханическая память

Теперь мы можем перейти к изучению конкретных типов цифровых запоминающих устройств. Для начала я хочу изучить некоторые технологии, не требующие движущихся частей. Это не обязательно новейшие технологии, как можно было бы подозревать, хотя они, скорее всего, заменят технологии движущихся частей в будущем.

Очень простой вид электронной памяти - бистабильный мультивибратор. Способный хранить один бит данных, он энергозависим (требует питания для поддержания своей памяти) и очень быстр. D-защелка, вероятно, является самой простой реализацией бистабильного мультивибратора для использования памяти, где вход D служит входом «записи» данных, выход Q служит выходом «чтения», а вход разрешения служит входом чтения / записи. линия управления:

Если мы хотим иметь хранилище объемом более одного бита (а мы, вероятно, желаем), нам придется иметь много защелок, организованных в некотором виде массива, где мы можем выборочно адресовать, какой из них (или какой набор) мы читаем, или писать в. Используя пару буферов с тремя состояниями, мы можем подключить как вход записи данных, так и выход чтения данных к общей линии шины данных и разрешить этим буферам либо подключать выход Q к линии данных (READ), либо подключать вход D к строку данных (WRITE) или удерживайте оба буфера в состоянии High-Z, чтобы отключить D и Q от линии данных (безадресный режим). Одна «ячейка» памяти внутренне будет выглядеть так:

Когда вход разрешения адреса равен 0, оба буфера с тремя состояниями будут переведены в режим высокого Z, и защелка будет отключена от линии ввода / вывода данных (шины). Только когда активен вход разрешения адреса (1), защелка будет подключена к шине данных. Каждая схема защелки, конечно, будет активирована с другой входной линией «разрешения адреса» (AE), которая будет поступать от выходного декодера «1 из n»:

В приведенной выше схеме 16 ячеек памяти адресуются индивидуально с помощью 4-битного двоичного кода, вводимого в декодер. Если ячейка не адресуется, она будет отключена от 1-битной шины данных своими внутренними буферами с тремя состояниями:следовательно, данные не могут быть ни записаны, ни прочитаны через шину в эту ячейку или из нее. Через шину данных будет доступна только схема ячеек, адресуемая 4-битным входом декодера.

Эта простая схема памяти имеет произвольный доступ и является энергозависимой. Технически это называется статическим ОЗУ . . Его общий объем памяти составляет 16 бит. Поскольку он содержит 16 адресов и шину данных шириной 1 бит, он будет обозначен как статическая схема ОЗУ размером 16 x 1 бит. Как видите, для создания практичной статической схемы ОЗУ требуется невероятное количество вентилей (и несколько транзисторов на вентиль!). Это делает статическое ОЗУ устройством с относительно низкой плотностью и меньшей емкостью, чем у большинства других типов ОЗУ, на единицу пространства микросхемы ИС. Поскольку каждая схема ячеек потребляет определенное количество энергии, общая потребляемая мощность для большого массива ячеек может быть довольно высокой. Ранние банки статической оперативной памяти в персональных компьютерах потребляли изрядное количество энергии и генерировали много тепла. Технология CMOS IC позволила снизить удельное энергопотребление схем статической RAM, но низкая плотность хранения по-прежнему остается проблемой.

Чтобы решить эту проблему, инженеры обратились к конденсатору вместо бистабильного мультивибратора как к средству хранения двоичных данных. Крошечный конденсатор может служить ячейкой памяти в комплекте с одним MOSFET-транзистором для подключения его к шине данных для зарядки (запись 1), разрядки (запись 0) или чтения. К сожалению, такие крошечные конденсаторы имеют очень маленькую емкость, и их заряд имеет тенденцию довольно быстро «просачиваться» через любые сопротивления цепи. Чтобы бороться с этой тенденцией, инженеры разработали схемы внутри микросхемы памяти RAM, которые периодически считывают все ячейки и перезаряжают (или «обновляют») конденсаторы по мере необходимости. Хотя это увеличивало сложность схемы, все же требовалось гораздо меньше компонентов, чем ОЗУ, построенное из мультивибраторов. Они назвали этот тип схемы памяти динамическим ОЗУ . из-за необходимости периодического обновления.

Недавние достижения в производстве микросхем привели к появлению flash память, которая работает по принципу емкостной памяти, как динамическое ОЗУ, но использует изолированный затвор полевого МОП-транзистора в качестве самого конденсатора.

До появления транзисторов (особенно MOSFET) инженерам приходилось реализовывать цифровые схемы с затворами, построенными из электронных ламп. Как вы понимаете, огромный сравнительный размер и потребляемая мощность вакуумной лампы по сравнению с транзистором сделали схемы памяти, такие как статическая и динамическая RAM, практически невозможными. Были разработаны другие, довольно гениальные методы хранения цифровых данных без использования движущихся частей.